441 不銹鋼表面粗糙條紋形貌分析與改善研究

王月省，牛國棟

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司冷軋廠，山西 太原 030003）

0 引言

超純鐵素體不銹鋼重點通過間隙元素C 和N 的超純化、添加Nb 或Ti 的穩定化以及高Cr、Mo、Si、Al化來充分挖掘和提升不銹鋼的耐腐蝕性、耐熱性、耐氧化性等幾大方面的性能，具有高熱導率、低熱膨脹系數、對應力腐蝕不敏感等優點[1]。因超純鐵素體不銹鋼耐蝕性好、性能優良、性價比高等特點，在電梯面板、建筑內裝修、汽車排氣系統、家電廚衛設備、電氣制品、食品陳列裝備、冷凍冷藏車等領域得到廣泛的應用。

441 不銹鋼屬于超純鐵素體不銹鋼，由于其耐高溫、耐腐蝕能力好，廣泛應用于汽車排氣系統部件。441 不銹鋼的典型合金含量如表1 所示，為改善該鋼種綜合性能，加入鈮、鈦等微合金元素，這也導致易在鋼材表面產生條紋缺陷。條紋缺陷的宏觀形貌就是鋼表面存在明暗相間的粗糙度不同的細紋，沿軋制方向分布，形狀與分布都不規則，色澤差異大（見圖1）。缺陷無深度，可通過表面修磨減輕或去除。隨著各行業對鋼材表面均勻性的要求越來越高，條紋缺陷成為制約鐵素體不銹鋼發展的重要因素之一，也是當前優級品降級的主要原因，由此造成的損失也最大。

圖1 粗糙條紋照片

表1 441 典型合金含量表

1 不銹鋼冷板生產工藝流程

不銹鋼冷板是不銹鋼熱軋板經過原料退火酸洗、軋制、成品退火酸洗、平整（或拉矯）、精整五個工序生產而來的[2]。具體的生產工藝路線如圖2 所示。

段豪劍等人經過研究發現[3]，超純鐵素體不銹鋼中的白色條紋缺陷的產生與冷軋板表面形成的大量TiN 夾雜物富集有關，其形成機理為：在連鑄坯表面生成的大量TiN 夾雜物在局部富集，在熱軋過程中局部富集的TiN 夾雜物將被軋制延伸，而冷軋過程中富集的TiN 夾雜物將暴露于冷軋板表面，并且促使冷軋板表面形成凹坑和褶皺狀的軋制痕跡，從而使得在含Ti 超純鐵素體不銹鋼冷軋板表面出現大量的白亮色條紋，即形成白色條紋缺陷。

相關文獻表明[3-4]，鐵素體不銹鋼粗糙條紋產生在連鑄和熱軋兩個工序，完全消除是非常困難的。目前最常用的處理做法是在原料退火酸洗后進行表面修磨處理，此法能夠較好地消除粗糙條紋，但增加了一道修磨工序，會造成成本的增加。

因此，需要從冷軋不銹鋼生產的各個工序入手研究條紋缺陷改善方案，力求不經原料修磨而達到改善或消除條紋的目的，在不增加成本的基礎上提高表面質量。

2 粗糙條紋的形貌分析

取典型的441 不銹鋼粗糙條紋的樣品在掃描電鏡下進行分析，其表面形貌如圖3 所示。結果顯示，粗糙條紋缺陷處存在明顯的TiN 顆粒富集現象。

圖3 掃面電鏡下粗糙條紋的表面形貌和能譜分析

為明確條紋處與正常基體的差異，在相同視場下對比分析441 冷板表面情況，如表2 所示。結果顯示，條紋缺陷試樣表面凹坑較多，且TiN 聚集數量明顯多于正常試樣。

表2 掃面電鏡下粗糙條紋處和正常處的對比分析

對粗糙條紋缺陷的表面和斷面進行EDS 分析，分析結果如圖4 所示，缺陷位置表面主要有條狀的凹坑，經EDS 檢測，大部分位置為Fe、Cr 元素，少數位置有O 元素存在，即氧化物殘留，推斷該缺陷和冷軋原料表面氧化層未洗凈有關。

圖4 粗糙條紋表面和斷面EDS 分析

經過分析可以認為，441 不銹鋼的粗糙條紋和高溫氧化層的結構、厚度以及TiN 富集現象有關。因此，工藝優化的方向應是利用冷軋前的拋丸和酸洗兩個工序將高溫氧化層進行均勻地去除并最大限度地消除TiN 富集層。但同時不能對基體金屬產生過腐蝕現象，力求板面各處粗糙度均勻一致。

3 改善條紋工藝優化

3.1 工藝優化方案

通過對除磷機理的研究，原料拋丸和酸洗工藝的主要工藝參數和優化方向如表3 所示。

表3 工藝優化方向分析表

從表3 中可見，工藝優化的主要方向是鋼砂粒度、混酸濃度配比兩方面。經過多輪的工藝試驗和實驗室驗證，總結出了一種以“酸洗后再拋丸”為核心的原料表面處理工藝，該工藝有3 個核心要點。

1）“酸洗后再拋丸”：其核心關鍵技術點在于酸洗之后的拋丸處理，能夠大幅提升除磷能力。在傳統的表面拋丸處理+酸洗處理之后再增加拋丸處理，其效果要遠遠好于傳統工藝基礎上只針對拋丸和酸洗進行改進，如降低工藝速度、提高酸濃度、提高酸溫度、提高拋頭轉速等。在不進行設備改造的情況下，可采取兩次拋丸處理+酸洗處理的方法，且該法比較容易實施。

2）拋丸使用的鋼砂磨料采用大粒度和小粒度的混合磨料取代傳統的大粒度磨料。目的是減小拋丸坑的深度，提高拋丸對表面除磷效果的均勻性。

3）混酸酸洗液濃度由低HNO3高HF 取代傳統的高HNO3低HF。研究表明，HNO3濃度過高能夠抑制HF 發揮作用，因此適當提高HF 濃度并降低HNO3濃度可以顯著改善混酸酸洗效果。要把酸洗的混酸濃度降低約1/3，同時將生產工藝速度提升約1 倍，否則容易導致過酸洗。這就可以實現在不影響總體生產效率的情況下，將酸耗降低約1/3。

3.2 效果驗證

取441 不銹鋼進行不同工藝下生產對比，軋制規格為4.0～1.2 mm，寬度1 250 mm，實施新工藝前后的工藝參數對比如表4 所示（其他工藝參數均相同），實施新工藝前后的表面條紋情況對比如圖5 所示。從表面狀況看，新工藝能夠較好地改善粗糙條紋缺陷，得到表面均勻性較好的產品。

表4 實施新工藝前后的工藝參數對比

4 結論

1）441 鐵素體不銹鋼冷軋板的粗糙條紋和高溫氧化層的結構、厚度以及TiN 富集現象有關。

2）通過采取以“酸洗后再拋丸”為核心的原料表面處理工藝，可以較好地改善此種粗糙條紋，大幅提升表面均勻程度。