BMD工藝應用于普冷IF鋼產品的大生產驗證

房 鑫,楊向鵬,陳 光

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.中央研究院,上海 201999;2.制造管理部,上海 201900)

目前,國內外各大鋼廠的常規除鱗工藝為酸洗工藝,所產出的酸洗材除少部分作為商品材直接出售外,絕大部分是向后續冷軋機組供料,生產各類普冷產品、涂鍍產品等。冷軋也是檢驗除鱗質量的最有效證明,各類除鱗不良、缺陷在冷軋、退火或涂鍍后都會得以放大,因而冷軋環節對除鱗工藝提出了很高的要求。寶鋼無酸除鱗BMD(Baosteel Mechanical Descaling)技術是寶鋼自主研發的一種新型環保除鱗工藝,目前該技術已經成功應用于汽車大梁用鋼、車輪用鋼、精沖鋼等熱軋板/卷原料的表面除鱗,產出BMD商品材,其表面質量可充分滿足下游用戶的成形、沖裁、涂裝等使用要求[1]。為了拓展BMD技術在冷軋領域的應用,實現對酸洗工藝的全面替代,有必要對BMD產品的冷軋向供料進行大生產驗證。

無間隙原子鋼(IF鋼)因具有高延伸率、良好的深沖性能以及無時效性等優點,已經被廣泛地應用于汽車等制造業中[2-3],用以制造各種高表面質量要求的內、外板。本文選取普冷IF鋼(罩式退火)這一典型鋼種,對兩種除鱗工藝(BMD工藝、常規酸洗工藝)后的卷料進行同樣的冷軋、退火、平整等處理,最終產出普冷IF產品(牌號:DC04),通過對各工序成品的取樣檢測分析,明確兩種除鱗工藝冷軋產品的質量差異,并為BMD技術的進一步優化提供試驗依據。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

為保證兩種除鱗工藝所用原料各方面性能相同,選取了同一卷熱軋鋼卷作為試驗卷(表1),然后在熱軋精整機組進行分卷,其中1卷進行BMD工藝除鱗,另外1卷進行常規酸洗除鱗。

1.2 工藝路徑及取樣要求

分卷后的兩卷料只在除鱗工藝上存在不同,后續的冷軋各工序均保證相同,并且為了排除設備狀態波動導致的差異,兩卷料在冷軋各工序均安排在同一個生產計劃內先后完成。具體工藝路徑為:除鱗(BMD除鱗/酸洗除鱗)→ 五機架冷連軋(出口厚度0.806 mm)→精整返修切邊→罩式爐退火→平整(出口厚度0.800 mm)→精整(出口寬度1 660 mm)。

為了對各工序成品表面狀態進行綜合評估,在各機組出口均進行了取樣(其中罩退后樣板為平整入口取),取樣尺寸為全板寬×長500 mm。

表1 試驗熱軋卷料信息Table 1 Information of test coils

1.3 性能測試及表征

對工序成品的表面狀態(形貌、成分、電化學特性等)進行了綜合分析,具體評價分析項目見表2。

表2 不同表面檢測分析方案Table 2 Characterization plan of different surfaces

2 結果與討論

2.1 各工序成品表面粗糙度

表面粗糙度是衡量最終成品的關鍵指標之一,為了明確其演變規律,采用手持粗糙度測量儀(觸針式)對各工序成品的表面粗糙度進行了測量,數據見表3。可以看到,除鱗后表面Ra還是有明顯差別的,BMD表面明顯高于酸洗表面。但在經過冷軋之后,各工序成品則沒有明顯差異,并且對于最終普冷成品(平整表面)的檢測表明,BMD工藝普冷成品表面的峰值數RPc值優于酸洗工藝普冷品。在粗糙度相近的情況下,更高的RPc值有助于獲得更好的涂裝效果。

表3 各工序成品的表面粗糙度檢測結果 Table 3 Surface roughness results after each process

2.2 除鱗表面及截面形貌對比

采用掃描電子顯微鏡對兩種工藝除鱗后的表面及截面微觀形貌進行表征,如圖1所示。由圖1(a)、(b)可知,BMD除鱗表面存在較大起伏,有較多的翹皮與破碎,這應當是射流除鱗的原理所致:磨料在沖擊清除鋼材表面氧化皮的同時,基體也會受到作用并形成擊打后的起伏凹坑、微觀翹起等。酸洗除鱗表面則相對平整,但是發現表面存在微小裂紋,通過截面的放大圖得以確認,表層存在晶界過酸洗的現象,如圖1(d)所示,可以看到受到酸液侵蝕而凹陷的晶界。鱗皮清除率方面,BMD除鱗表面和酸洗板除鱗表面均未發現鱗皮殘留。

2.3 冷軋板表面活性

冷軋后的鋼卷在庫存及周轉運輸過程中為了防止出現銹蝕,一般是在其表面涂覆防銹油進行短期防護(軋硬表面會殘留適量軋制油,也有一定防銹效果),但材料本身的特性也是關鍵因素之一。為了對比兩種除鱗工藝冷軋表面的耐蝕性,采用電化學方法對不同冷軋工序(冷軋、退火、平整)成品的表面電位進行測試:測試前脫脂劑對樣板表面進行脫脂以去除防銹油等,電化學測試采用三電極測試體系,試驗溫度為20 ℃,結果見表4。由表4可知,BMD冷軋后的表面電位為-453.7 mV,明顯低于酸洗冷軋后的-348.2 mV,說明BMD軋硬板的耐腐蝕性低于酸洗軋硬板;而在退火及平整后,兩種工藝的表面電位只有很小差別,BMD的還略高,說明兩種工藝的退火板和成品的耐蝕性相近。

2.4 普冷成品表面形貌

用于制作汽車內外板的普冷IF鋼,其冷軋成品的表面形貌是影響用戶沖壓時成形性能、涂裝效果的關鍵因素[4-5]。采用掃描電子顯微鏡對普冷成品的表面形貌進行觀察,結果如圖2所示。由圖2可以看到,兩種工藝的普冷成品表面的毛化坑大小及均勻程度接近。然后采用激光共聚焦顯微鏡對表面三維輪廓進行表征,如圖3所示。由圖3可知,兩種工藝普冷成品的表面毛化凹坑的微觀起伏相似。結合表3中的對普冷成品表面粗糙度Ra及峰值數RPc檢測結果,可以推測兩種普冷板在沖壓成形時的儲油能力及摩擦性能相近,同時在涂裝時表面與涂料的附著力也會接近。

表4 表面電位測試結果Table 4 Surface electric potential test results

2.5 普冷成品力學性能

對兩種工藝的普冷成品進行力學性能測試,結果見表5。兩種工藝普冷成品的各項力學性能十分接近,且均滿足寶鋼企業標準《Q/BQB 408—2018 冷成形用冷軋低碳鋼板及鋼帶》及國家標準《GB/T 5213—2019 冷軋低碳鋼板及鋼帶》中對該牌號的力學性能要求。BMD工藝雖然是采用射流擊打的力學方式進行除鱗,與酸洗工藝化學方式除鱗存在原理上的根本區別,但是不會影響最終普冷成品的力學性能。

表5 力學性能測試結果Table 5 Mechanical property test results

2.6 普冷成品掛片涂裝質量

取兩種工藝的普冷成品樣板若干,按同樣尺寸裁切、沖孔后,送至某乘用車主機廠進行隨線掛片涂裝,然后對其電泳漆膜質量進行檢測評估。

(1) 電泳漆膜厚度及表面粗糙度。用手持式超聲波漆膜測厚儀分別對不同取樣位置的BMD工藝普冷板和酸洗普冷板進行了膜厚測量,結果表明:不同部位取樣的BMD冷軋板和酸洗冷軋板的膜厚均在18～20m間。然后采用手持粗糙度測量儀(觸針式)對漆膜表面粗糙度進行了測量,結果如表6所示。由表6可見,兩種工藝普冷板涂裝后表面粗糙度非常接近。

表6 電泳漆膜表面粗糙度測量Table 6 Surface roughness value of coated plates

(2) 磷化膜質量。磷化膜的完整性和結晶形貌直接影響后續電泳涂裝漆膜的表面質量。為了對比兩者的磷化質量,使用化學試劑將表面電泳漆膜溶去,然后采用掃描電子顯微鏡對磷化膜進行表征,分別拍攝了200倍和1 000倍的照片,結果見圖4。200倍照片用于觀察磷化膜的完整性,兩種工藝樣板的磷化膜覆蓋情況均完整;1 000倍照片用于觀察磷化結晶的形貌及均勻性,兩種工藝樣板的磷化結晶形狀相近,尺寸相近且分布均勻。通過以上結果,認為BMD工藝普冷板和酸洗工藝普冷板在磷化和電泳涂裝質量方面相似。

3 結論

(1) BMD除鱗和酸洗除鱗表面在微觀形貌和粗糙度上有較大差別,這由兩者的除鱗原理所決定,但是兩種工藝均能實現鱗皮的有效清除。

(2) 在經冷連軋、退火、平整后,最終成品所表現出的力學性能、微觀形貌無明顯差異。

(3) 在用戶處的掛片試驗,進一步明確兩種工藝的普冷成品具有相近的涂裝性能。

(4) 本次大生產驗證可初步明確,BMD工藝可應用于普冷IF鋼的表面除鱗,替代酸洗工藝實現向冷軋工序的供料。