冷軋帶鋼邊部鋸齒邊缺陷分析與改進

關建輝，孟 靜，錢京學，常 帥，陳嘉宇

(1.江蘇省沙鋼鋼鐵研究院有限公司，江蘇 張家港 215625； 2.江蘇省沙鋼集團有限公司，江蘇 張家港 215625)

冷軋基板SPHC帶鋼在冷軋變形量較大時，帶鋼邊緣單側或兩側會出現邊裂現象，肉眼清晰可見比較密集的連續(xù)鋸齒狀形貌(見圖1)，且有明顯手感，邊裂缺陷直接影響帶鋼的外觀質量，嚴重時需做切除處理，從而降低成材率。邊裂缺陷更為嚴重時還會造成斷帶等重大事故，影響冷軋生產穩(wěn)定性和生產效率。已有文獻研究了影響冷軋帶鋼邊部質量的因素，如圓盤剪切邊狀況、冷軋壓下規(guī)程、鑄坯角部橫裂、夾雜物和熱軋成品卷邊緣機械損傷等[1-3]，而關于冷軋基板SPHC帶鋼邊部組織狀態(tài)對冷軋邊部質量的影響研究較少，生產現場對邊部組織狀態(tài)控制認識較淺。因此，本文通過實驗分析熱軋邊部組織特征及其形成原因，并討論其對冷軋邊部質量影響。

(a)邊裂缺陷；(b) 邊裂樣品圖1 冷軋帶鋼鋸齒狀邊裂形貌(a) defect of edge crack；(b) sample of edge crackFig.1 Morphology of serrated edge crack of cold rolled strip

1 冷軋邊裂組織觀察和斷口分析

1.1 微觀組織特征

將冷軋邊裂樣品通過鑲嵌制成表面和橫斷面金相試樣，通過磨制、拋光、腐蝕后，采用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察邊裂樣品微觀組織。圖2為邊裂樣品表面顯微組織，從圖中可以看出，點鏈狀分布的滲碳體主要分布于變形鐵素體基體上(見圖2(a))，點鏈狀滲碳體周圍存在微小孔隙(見圖2(b))。

圖3為冷軋邊裂樣品微觀形貌，裂口周圍存在裂紋，二次電子形貌表明裂口周圍存在許多尺寸較大微孔(見圖3(b))。

圖4為邊裂樣品橫斷面微觀組織形貌，可以看出邊部開裂處周圍存在較多滲碳體顆粒，滲碳體呈點鏈狀分布。

(a)光學顯微形貌；(b)二次電子形貌圖2 冷軋帶鋼邊部表面顯微組織(a) optical microstructure；(b) secondary electron microstructureFig.2 Surface microstructure of cold rolled strip edge

(a)光學形貌；(b)二次電子形貌圖3 邊裂樣表面微觀組織(a) optical microstructure ；(b) secondary electron microstructureFig.3 Surface microstructure of edge crack sample

圖4 邊裂樣橫斷面微觀組織Fig.4 Cross section microstructure of edge crack sample

1.2 掃描斷口觀察

圖5為冷軋邊裂樣品在掃描電鏡下的斷口形貌，可以看出斷口上未發(fā)現大顆粒的夾雜物或者夾渣，斷口特征主要以韌窩為主。

2 熱軋帶鋼邊部組織特征

現場調查發(fā)現，出現連續(xù)鋸齒狀邊裂圓盤的剪切質量良好，剪斷面斷口約占厚度的1/3，無剪切毛刺等缺陷。由此可知，邊裂缺陷不是由圓盤剪切質量造成的。相反，熱軋帶鋼邊部粗大夾雜物和保護渣等煉鋼缺陷在冷軋時會造成邊裂。通過對熱軋原料、冷軋邊裂樣斷口分析，未發(fā)現熱軋原料存在裂紋，邊裂斷口也沒有發(fā)現粗大的夾雜物和保護渣等。因此，也可排除該邊裂缺陷由煉鋼缺陷產生的。為此，需對熱軋邊部組織狀況進一步分析。

(a)低倍形貌；(b)高倍形貌圖5 冷軋邊裂樣品斷口形貌(a)low manification morphology ；(b)high manification morphologyFig.5 Fracture microphotograph of edge crack sample for cold rolled strip

2.1 邊裂缺陷原料組織

冷軋發(fā)生邊裂后取熱軋原料SPHC帶鋼，終軋溫度目標范圍850±20 ℃，實際終軋溫度均值845 ℃。檢測熱軋帶鋼邊部組織特征。冷軋圓盤剪邊部單邊切10 mm，取熱軋原料距邊部10 mm、20 mm和中部位置制成金相試樣，觀察其微觀組織。圖6為熱軋原料寬度方向不同部位金相組織。從圖中可以看出，熱軋原料邊部組織與中部組織相差較大，邊部10 mm基體組織具有明顯變形組織特征，并分布少量粗晶組織。邊部20 mm基體組織為變形組織和粗晶組織的混合組織，邊部10 mm和邊部20 mm均有游離狀滲碳體，呈條狀或者點鏈狀分布。

2.2 改進后邊部組織

通過實驗分析認為影響冷軋邊裂的主要原因是邊部存在變形組織和粗晶組織的混合組織，并且游離狀滲碳體呈鏈狀分布，降低邊部塑性。為了提升SPHC鋼板邊部質量，將熱軋工藝進行調整，終軋溫度由850±20 ℃調整為880±20 ℃，保證板坯寬度方向溫度均勻性，減少邊部溫降等措施。改進工藝后寬度方向上不同位置組織如圖7所示，從圖中可以出，邊部10 mm處變形組織消除，滲碳體鏈狀分布特征也明顯減輕，邊部20 mm組織未發(fā)現變形組織、粗晶組織和點鏈狀分布的游離滲碳體。

改進工藝后進行缺陷對比試驗，改進工藝前，終軋目標溫度范圍850±20 ℃，采用厚度規(guī)格2.5 mm熱軋原料，生產薄規(guī)格(≤0.33 mm)冷軋帶鋼，缺陷率為41.67%；改進工藝后，終軋目標溫度范圍采用880±20 ℃，冷軋生產時未出現邊裂現象。

(a) 距OS邊部10 mm；(b)距OS邊部20 mm；(c)寬度方向中部位置；(d)距DS邊部20 mm；(e)距DS邊部10 mm圖6 熱軋原料寬度方向不同位置顯微組織(a) 10 mm to the OS edge; (b) 20 mm to the OS edge; (c) central position in width direction; (d) 20 mm to the DS edge; (e) 10 mm to the DS edgeFig.6 Microstructure of different distances to the edge in width direction of hot rolled raw materials

(a) 距OS邊部10 mm；(b)距OS邊部20 mm；(c)寬度方向中部位置；(d)距DS邊部20 mm；(e)距DS邊部10 mm圖7 改進工藝后帶鋼寬度方向不同位置顯微組織(a) 10 mm to the OS edge; (b) 20 mm to the OS edge; (c) central position in width direction; (d) 20 mm to the DS edge; (e) 10 mm to the DS edgeFig.7 Microstructure of different distances to the edge in width direction of hot rolled strip after improving process

3 熱軋帶鋼邊部組織對冷軋邊部質量的影響

3.1 變形組織和粗晶組織

SPHC熱軋帶鋼邊部變形組織是指未發(fā)生再結晶的纖維狀鐵素體組織。熱軋終軋前，帶鋼邊部溫降較大時，邊部因溫度較低首先進入兩相區(qū)或鐵素體相區(qū)，完成γ→α相轉變，后續(xù)軋制中，首先形成的鐵素體經軋制后形成變形組織，經層流冷卻、卷取后變形組織得以保留。此外，邊部粗大晶粒組織產生也是由邊部溫降造成的。文獻[4]認為，當終軋溫度在Ar1與 Ar1～100 ℃之間時，由于形核率較低，熱軋板組織是較粗大的再結晶晶粒，終軋溫度越接近Ar1，晶粒越大。終軋后進入層流冷卻前，帶鋼邊部某處溫度接近Ar1溫度，發(fā)生γ→α相轉變，由于進入層流冷卻前發(fā)生相變溫度較高，因此生成粗大鐵素體晶粒組織。變形組織和粗晶組織都是由邊部溫降造成的，帶鋼最邊部10 mm處，寬度方向上溫度低，最先發(fā)生γ→α相轉變，后續(xù)軋制形成變形組織。次邊部位置(距邊部20 mm)，溫度較最邊部10 mm稍高，γ→α相轉變發(fā)生在終軋末道次或者終軋后進入層流冷卻前，形成粗晶組織和變形組織的混合組織。當受到軋制力作用時, 未再結晶變形組織和已再結晶粗晶組織表現出不一致的變形抗力, 產生不同的變形量，變形量大的金屬將給變形量較小的部分附加拉應力, 從而使冷軋板邊部應力發(fā)生變化，未結晶區(qū)域形成應力集中而受到較大拉應力, 當應力超過其抗拉強度時便產生微裂紋, 隨著軋制的進行微裂紋逐漸擴展導致邊部開裂[5]。

通過終軋溫度提升至880±20 ℃，并保證加熱爐出爐板坯寬度方向溫度均勻后。取樣分析結果表明，邊部10 mm和20 mm位置晶粒較帶鋼中部位置晶粒大小更為均勻，變形組織也較少。均勻的晶粒在冷軋時可以減少因變形不均導致附加拉應力，從而減少由應力集中造成的邊部開裂現象。

3.2 游離鏈狀滲碳體

游離鏈狀滲碳體對組織性能的影響較大，在兩相區(qū)或者鐵素體區(qū)軋制時，鐵素體晶粒內部變形能較高，導致滲碳體從鐵素體中析出，呈點鏈狀分布在基體變形組織上。由于滲碳體硬度較基體高，軋制時幾乎不發(fā)生變形，從而成為基體變形的阻礙，破壞金屬的連續(xù)性，大大降低了材料的塑性。當變形量較大時，由于滲碳體與基體變形不一致，從而在鏈狀分布的滲碳周圍形成孔穴(見圖5)，在變形應力作用下成為裂紋源引起開裂等缺陷。

軋制工藝優(yōu)化后。由于邊部溫度提升，使精軋過程處于奧氏體區(qū)，減少了邊部鏈狀滲碳體的析出，從而保證帶鋼邊部塑性，降低了邊部開裂。

4 結論

1)冷軋基板SPHC帶鋼邊部組織狀態(tài)影響冷軋時帶鋼邊部應力分布，進而影響冷軋帶鋼邊部質量。當終軋溫度較低時，邊部組織中存在嚴重的變形組織和粗晶的混合組織，且滲碳體呈鏈狀分布，降低了邊部塑性；當冷軋變形量較大時，易造成冷軋帶鋼邊裂。

2)通過提高終軋溫度，減少邊部溫降，消除了帶鋼邊部變形組織，獲得均勻組織狀態(tài)，避免了呈鏈狀分布的滲碳體出現，從而消除冷軋時因應力集中而產生的邊裂現象。