劉韶華

(1.鋼鐵研究總院工藝所，北京 100081；2.四川機電職業(yè)技術(shù)學院，四川 攀枝花 617000)

表面質(zhì)量是冷軋鋼板的重要質(zhì)量指標，表面質(zhì)量控制技術(shù)是冷軋鋼板的關(guān)鍵技術(shù)[1]。隨著汽車、家電等用戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，冷軋帶鋼表面質(zhì)量也越來越受到人們的重視，得到了更加深入的研究[2]。

為了滿足用戶對冷軋鋼板成形性能的要求，西南某鋼廠在傳統(tǒng)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)了微碳鋼板帶產(chǎn)品，將鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)從0.05%左右降低到0.01%～0.03%，以降低該產(chǎn)品的屈服強度，進一步提高斷后伸長率，使塑性應變比r和應變硬化指數(shù)n的平均值分別達到2.1和0.21，從而具有良好的沖壓成形性能。

但在生產(chǎn)的初期，采用微碳鋼生產(chǎn)的冷軋鋼板表面出現(xiàn)了側(cè)光下才能較明顯看到的暗斑缺陷，如圖1所示。曾認為，該缺陷是壓入熱軋帶鋼表面的氧化鐵皮。但在優(yōu)化了酸洗及冷軋工藝后仍然不能避免[3]，而且出現(xiàn)暗斑缺陷的鋼板的比例高達14.98%，造成了巨大的經(jīng)濟損失。

圖1 冷軋鋼板表面的雨點狀暗斑Fig.1 Raindrop- like dark spots on cold- rolled steel sheet

針對微碳冷軋鋼板表面的雨點狀暗斑問題，本文采用維氏硬度計、納米壓痕儀以及金相顯微鏡測定、分析了鋼板的硬度、表面形貌及顯微組織。在確保產(chǎn)品的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率及應變硬化指數(shù)n和塑性應變比r值基本不變的條件下，采取了提高熱軋終軋溫度、降低卷取溫度的工藝措施[4]，使發(fā)生雨點狀缺陷的鋼板比例從14.98%降低到了0.42%，取得了良好的治理效果。

1 微碳冷軋鋼板雨點狀暗斑的檢測

如圖1所示，微碳冷軋鋼板表面的暗斑需在特定的光線(較暗光線)或特定角度(30°)下才可見到，其形貌如同雨水濺落后的形狀，沿軋制方向呈長條狀(約5 mm長、2 mm寬)，沿整個板面密排分布，無明顯觸感。鋼板上下表面均存在該缺陷，上表面較多[5]。

為了分析微碳冷軋鋼板雨點狀暗斑的產(chǎn)生原因，采用納米壓痕儀、金相顯微鏡以及維氏硬度計檢測、分析了有缺陷鋼板的表面硬度、表面形貌和顯微組織。

1.1 雨點狀暗斑形貌

采用Nano Indenter G200納米壓痕儀檢測了微碳冷軋鋼板雨點狀暗斑的形貌。在顯微鏡下缺陷部位和正常部位的形貌分別如圖2和圖3所示。對比可見，缺陷部位為面積較大的塊狀組織，周圍有少量的細小組織；而正常部位則為較均勻的小塊狀晶體組織。

對鋼板典型的暗斑部位和正常部位進行納米壓痕三維掃描，結(jié)果如圖4所示。納米掃描取樣面積為100 μm×100 μm。

對比圖4(c)和圖4(d)可見，暗斑部位的大塊狀組織為一片凹陷區(qū),而白色組織周圍的黑色邊界則向上凸起。從圖中可見，暗斑部位的凹陷和凸起分布不均勻，而正常部位的凹陷和凸起分布均勻。此外，正常部位的粗糙度較暗斑部位的略大(正常部位的壓痕深度約為-4 315～5 836 nm，暗斑部位約為-3 871～4 562 nm)。

圖2 采用納米壓痕儀檢測的暗斑部位的顯微照片F(xiàn)ig.2 Micrographs of the dark spot detected by nano- indentation- meter

圖3 采用納米壓痕儀檢測的正常部位的顯微照片F(xiàn)ig.3 Micrographs of the normal positions detected by nano- indentation- meter

1.2 雨點狀暗斑的顯微組織

在圖1所示的雨點狀暗斑部位取樣，在做好缺陷標記后制備成金相試樣，在金相顯微鏡下觀察缺陷部位和正常部位的顯微組織，結(jié)果見圖5。

從圖5可見，鋼板表面雨點狀暗斑部位為粗大的鐵素體晶粒，尺寸約100 μm，部分缺陷部位鐵素體晶粒甚至達到300 μm以上。而正常部位及鋼板試樣厚度方向的中心部位為均勻細小的鐵素體晶粒，尺寸為10～20 μm。

1.3 雨點狀暗斑的硬度

采用HVB- 30A硬度計測定了鋼板缺陷部位和正常部位的硬度，結(jié)果列于表1?？梢?，缺陷部位的硬度較正常部位低3～8 HV5。

2 分析討論

從微碳鋼板雨點狀暗斑缺陷的表面形貌、顯微組織及表面硬度的檢測結(jié)果可知[8]：(1)微碳鋼板表面雨點狀暗斑部位的組織為粗大的鐵素體晶粒。而鐵素體晶粒越大，硬度越低，在冷軋過程中容易變形，導致表面微觀凹陷。(2)根據(jù)該微碳鋼板冷軋后退火前發(fā)現(xiàn)有雨點狀暗斑的情況，分析表明，產(chǎn)生雨點狀暗斑缺陷的原因是熱軋原料鋼卷(冷軋工序原料)表面存在粗大的鐵素體晶粒，這種粗大的鐵素體晶粒經(jīng)冷軋后拉長變形而呈雨點狀分布。(3)作為冷軋鋼板原料的熱軋帶鋼，在軋制過程中其表面溫度比中心低，而中心的變形程度低于表面。因此，正常情況下，熱軋帶鋼表面的組織要比中心部位細小。這種分布規(guī)律將遺傳到冷軋產(chǎn)品。但檢測結(jié)果表明，該微碳鋼冷軋鋼板雨點狀暗斑部位表面組織明顯較正常部位的粗大，也即熱軋帶鋼相應部位的表面組織較正常部位的粗大，據(jù)此判斷，帶鋼的熱軋工藝制度不合理。根據(jù)熱軋帶鋼軋制及冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律[6- 7]，本文通過優(yōu)化熱軋帶鋼的終軋及卷取溫度來預防微碳鋼冷軋鋼板產(chǎn)生雨點狀暗斑缺陷。(4)表層暗斑處粗晶組織將會對后道生產(chǎn)工序和客戶使用帶來很不利的影響，也無法通過冷軋的后續(xù)工序消除。由于粗晶組織的形變不均勻，會嚴重影響板材的沖壓等成形性能，導致用戶產(chǎn)品表面出現(xiàn)橘皮狀缺陷，少數(shù)產(chǎn)品還會產(chǎn)生微裂紋。

圖5 鋼板缺陷部位和正常部位的顯微組織Fig.5 Microstructures in the defective and normal positions of the sheet

表1 鋼板缺陷和正常部位的硬度Table 1 Hardness values in the defective and normal positions of the sheet HV5

3 預防措施

根據(jù)上述分析，提出預防微碳鋼冷軋板表面雨點狀暗斑缺陷的工藝措施為[1]：(a)將帶鋼的熱軋終止溫度從890 ℃提高到910 ℃；(b)將卷取溫度從750 ℃降低到720 ℃。

3.1 工藝改進效果

采用上述優(yōu)化工藝(終軋溫度910 ℃、卷取溫度720 ℃)，于2016年7月試生產(chǎn)了3輪98個熱軋卷，冷軋分(小)卷后檢驗289卷。

統(tǒng)計了2016年5月31日至7月20日間冷軋的8 928卷微碳冷軋鋼板中，按原熱軋工藝(原工藝)生產(chǎn)的鋼卷7 414卷，出現(xiàn)雨點狀暗斑缺陷的有1 104卷，質(zhì)量比例為14.98%；而熱軋工藝改進后的試驗鋼卷289卷，出現(xiàn)雨點狀暗斑缺陷的有6卷，質(zhì)量比例為2.13%。

2016年5月31日至7月20日間冷軋的8 928卷微碳鋼冷軋鋼板質(zhì)量的統(tǒng)計結(jié)果見表2。從表2數(shù)據(jù)可見，采用改進工藝試生產(chǎn)的鋼板的屈服強度比原工藝生產(chǎn)的鋼板提高了3.8 MPa(從174.4 MPa提高到178.2 MPa)，抗拉強度提高了3.7 MPa(從311.7 MPa提高到314 MPa)，斷后伸長率降低了0.2%(從42.2%降低到42.0%)。僅從以上力學性能看，提高帶鋼的終軋溫度、降低卷取溫度對產(chǎn)品性能的影響很小。

表2 原材料帶鋼熱軋工藝改進前、后鋼板的力學性能Table 2 Mechanical properties of the sheets produced before and after improving hot- rolling process for the strip steel as raw material

在小批量試生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，采用改進工藝進行了規(guī)模化生產(chǎn)試驗。從表3可見，在檢驗的66 012.57 t產(chǎn)品中，暗斑缺陷存在率為0.448%，因該缺陷而造成產(chǎn)品降級的降級率為0。而原工藝生產(chǎn)的5 526.6 t產(chǎn)品中，暗斑缺陷發(fā)生率達15.05%，降級率達1.59%。

從表4可見，帶鋼的軋制工藝改進后生產(chǎn)的微碳鋼冷軋鋼板的屈服強度平均值提高了8 MPa，抗拉強度提高了2 MPa，斷后伸長率降低了0.5%，r值降低0.01，n值保持不變。

表3 原材料帶鋼熱軋工藝改進前、后生產(chǎn)的鋼板雨點狀暗斑缺陷的統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 3 Statistical data of raindrop- like dark spot on the sheets produced before and after improving hot- rolling process for the strip steel as raw material

表4 原材料帶鋼熱軋工藝改進前、后生產(chǎn)的鋼板的性能Table 4 Performances of the sheets produced before and after improving hot- rolling process for the strip steel as raw material

注：分子表示統(tǒng)計檢測卷性能的數(shù)值范圍，分母為平均值

4 結(jié)論

(1)冷軋微碳鋼板表面暗斑部位的組織明顯較正常部位粗大，表面硬度較正常部位低，是一種在特定的光線(較暗光線)或特定角度(傾斜約30°)方可見到的顯微凹陷。

(2)冷軋微碳鋼板表面產(chǎn)生雨點狀暗斑缺陷的原因是，熱軋原料鋼卷(冷軋工序原料)表面存在粗大的鐵素體晶粒，該粗大的鐵素體晶粒在冷軋后被拉長變形而呈雨點狀。

(3)采取提高熱軋帶鋼的終軋溫度、降低卷取溫度的工藝措施，已成功地將產(chǎn)生雨點狀暗斑缺陷的微碳鋼冷軋鋼板的比例從15.05%降低到了0.45%，鋼板的缺陷降級率從1.59%降低到0。

(4)工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，提高帶鋼的終軋溫度、降低卷取溫度對成品鋼板的使用性能影響極小。