冷軋汽車板短線缺陷的分析和控制

付 光，倪有金，關建東，于 洋，吳 耐，焦會立

（1.北京首鋼股份有限公司，河北 唐山 064404；2.首鋼技術研究院，北京 100043）

0 引言

鋼鐵行業的用戶對產品質量的要求越來越高，尤其是汽車工業、高端家電等行業對鋼鐵產品的質量要求日趨嚴格，產品的個性化需求也越來越多。本文通過對冷軋連退汽車板表面短線缺陷進行研究，明確了短線缺陷的產生機理，并提出相應的預防措施，以此有效提升產品質量，降低生產成本，提高經濟效益。

以IF 鋼為代表的第三代沖壓用鋼已廣泛應用于汽車工業，IF 鋼的典型特點是無時效性和良好的深沖性能，同時要求IF 鋼具有良好的表面質量，以便于后續噴涂[1]。隨著汽車行業的飛速發展和對汽車品質要求的提升，汽車外板用IF 鋼的需求越來越大，對其表面質量要求也越來越高。冷軋汽車外板表面出現的短線狀缺陷在冷軋酸軋及連續退火后的鋼板表面較難發現，在熱軋原料上更是無法觀察到。但在用戶使用時，對其沖壓后缺陷會很明顯，從而會影響涂裝質量[2]。

1 缺陷分析

1.1 宏觀形貌

短線缺陷呈紡錘、柳葉形，觸摸時有輕微手感，缺陷寬度0.2～0.5 mm，長度1.5～4 mm，長寬比約4～5，成品卷和冷硬卷均可見，發生位置主要集中在連退下表面WS 側200～500 mm 處，如圖1 所示。

圖1 短線缺陷宏觀形貌

1.2 缺陷微觀分析

對短線缺陷進行取樣，分別進行掃描電鏡（SEM）、電子能譜（EDS）和組織分析。

通過采用蔡司公司生產的EVO18 型SEM 進行形貌相分析，缺陷內部為結疤狀、基體破損，由圖2 可見，缺陷寬度0.26～0.44 mm，長度3.2～3.6 mm，截面檢測缺陷深度約17.89 μm。

圖2 SEM 缺陷微觀形貌

缺陷沿軋向為結疤狀延伸形貌，表層可發現殘留氧化鐵顆粒，由圖3 和表1 可見，疤體存在Cr、Ni、Mo 等軋輥特征元素，特征元素含量呈現Ni 高、Cr 低、少量Mo 的特點（疤體元素為Ni-Cr-Si 元素，其中w（Ni）為5%～8%，w（Cr）為1%～2%，w（Si）為1%～2%），檢測結果與首鋼技術研究院王暢[3]等對IF 鋼短線缺陷的分析結論相同，該短線缺陷來源于熱軋工序，其特征元素的含量與熱軋精軋機組后段F4—F6 機架無限冷硬軋輥相關。用線切割法在冷硬卷短線缺陷上截取15 mm×15 mm 的試樣，經砂紙打磨、輕微拋光，采用質量分數為4%的硝酸酒精浸蝕后，在金相顯微鏡下觀察其顯微組織。圖4 中整個冷硬卷的組織沿軋制方向呈纖維狀，缺陷位置呈黑色塊狀，黑色塊狀區域內部組織有大量細小的等軸狀或近似等軸狀組織。判斷該位置在熱軋高溫奧氏體狀態下壓入，而后發生了再結晶，形成細小的等軸狀鐵素體組織，由于缺陷存在深度，在冷軋變形過程中發生較小的冷軋變形，因此維持等軸狀或近似等軸狀組織形貌。

表1 短線缺陷疤體內顆粒物的能譜分析結果

圖3 短線缺陷疤體內顆粒物的微觀形貌

綜上所述，短線缺陷處為細小等軸狀或近似等軸狀組織，疤體存在Cr、Ni、Mo 等軋輥特征元素，特征元素含量呈現Ni 高、Cr 低，少量Mo 特點，其中w（Ni）=5%～7%，w（Cr）=1%～2%，w（Si）=1%～2%。該成分與熱軋精軋F4—F6 機架無限冷硬工作輥組成吻合，判斷為熱軋軋制過程工作輥冷卻能力不足，導致軋輥溫度偏高[4]，軋輥表層組織出現破碎剝落，壓入帶鋼后經冷軋形成短線缺陷。結合缺陷的長寬比定量分析表明，F5—F6 機架軋輥氧化膜剝落的可能性最大。

2 產生機理

熱軋生產過程中，軋輥在高溫下會快速形成一層銀灰色或淺藍色的黏結性良好、致密并且均勻的氧化膜，氧化膜的存在不僅可以降低軋輥與帶鋼之間的摩擦力，從而降低軋制力，而且還可以阻止熱擴散，防止熱應力裂紋向輥身擴展，提高成品的表面質量和尺寸精度。在軋制過程中，軋輥會周期性地受到接觸應力和熱應力的作用，這兩種力的相互作用會在氧化膜和軋輥基體之間產生裂紋，當氧化膜的黏結力小于剪切應力時，就會發生氧化膜剝落[5-6]。碎化的細小氧化膜顆粒被壓入帶鋼表面，在冷軋軋制后隨帶鋼縱向延長繼續延伸為短線狀缺陷。發生短線缺陷的鋼種集中在IF 軟鋼中，IF 鋼相變溫度比較高，終軋溫度約900～920 ℃，因此帶鋼和軋輥表面溫度相對較高，軋輥氧化膜內部的熱應力大，容易形成裂紋，易將軋輥表面碎化的細小顆粒壓入帶鋼基體，形成短線缺陷。短線缺陷形成示意圖如圖5 所示。

圖5 短線缺陷形成示意圖

3 控制措施

改善軋輥氧化膜首先應嚴格控制軋制溫度，優化冷卻環境，使軋輥盡快冷卻，控制氧化膜內應力的累加和氧化膜增厚；其次，要合理分布軋制力，避免局部應力集中造成該處氧化膜過早剝落[7-8]。

對熱軋下線的軋輥表面狀態進行檢查，確認F5—F6 機架軋輥下輥表面存在點線狀缺陷，缺陷位于軋輥WS 側，與微觀分析結論、成品缺陷的位置對應。利用檢修期間清理精軋內部F1—F6 水冷噴梁的雜質，對噴嘴的噴射角度、流量進行檢查（見圖6）。

圖6 對熱軋軋輥表面以及噴嘴檢查

經對缺陷產生機理分析后，進行熱軋燙輥制度、精軋負荷、冷卻水和軋制潤滑控制等驗證性試驗，具體實施內容及效果如表2 所示，具體控制措施為：

表2 實驗內容和結果

1）控制燙輥節奏，避免輥溫升速過快，調整終軋溫度850 ℃—870 ℃—890 ℃逐步提升；

2）優化熱軋外板水冷卻模式，進行精軋前后機架冷卻互補，減少F1—F4 水量，增加F5—F6 水量，提高末端機架冷卻效果；

3）控制末道次精軋負荷，其中F5 壓下率＜27%、F6 壓下率＜17%，提高軋制潤滑，避免末道次鐵皮壓入；

4）嘗試F1—F6 全部機架使用高速鋼軋輥，保證軋輥表面硬度，減少氧化膜剝落[9]；

5）提升酸洗能力，使拉矯延伸率＞3%，1—3 號酸洗槽硫酸質量濃度提升5～10 g/L，控制酸洗速度＜150 m/min，緩解短線缺陷程度。

通過控制措施的逐步落實，短線缺陷每月封閉量低于30 卷，平均缺陷發生率低于1.0%，綜合缺陷的數量由89 512 處/卷降低至2 100 處/卷，缺陷得到有效控制。短線缺陷控制效果情況如圖7 所示。

圖7 短線缺陷控制效果

4 結論

1）短線缺陷處的疤體存在Cr、Ni、Mo 等軋輥特征元素，特征元素含量呈現Ni 高、Cr 低、少量Mo 的特點（w（Ni）=5%～7%，w（Cr）=1%～2%，w（Si）=1%～2%），該成分與熱軋精軋F5—F6 機架無限冷硬工作輥組成相吻合。

2）短線缺陷本質為熱軋軋輥表層組織破碎后壓入帶鋼表面所致的輥系鐵皮，由于熱軋工作輥冷卻水不足，導致軋輥溫度偏高，軋輥表層組織出現破碎剝落，壓入帶鋼后經冷軋形成短線缺陷。

3）通過燙輥制度優化、精軋負荷優化、上機軋輥質量管控、各機架工作輥冷卻水和潤滑控制、全機架高速鋼軋輥配置、冷軋工序酸洗制度優化（酸液提溫、提濃度、增大拉矯插入量）等措施，使得短線缺陷發生率由15.8%降低至1.0%以下。