SPHC帶鋼表面氧化皮結(jié)構(gòu)及色差分析

張博睿, 王德斌，吳永鵬，余 偉

(1.寧波鋼鐵公司制造管理部，浙江 寧波 315800；2.北京科技大學(xué) 工程技術(shù)研究院，北京 100083)

隨著鋼鐵行業(yè)高速發(fā)展，下游用戶對(duì)熱軋帶鋼的質(zhì)量要求越來越高，但目前受生產(chǎn)工藝技術(shù)、設(shè)備裝備水平等限制，帶鋼表面質(zhì)量的控制仍是當(dāng)前帶鋼行業(yè)面臨的一個(gè)主要質(zhì)量難題，其中寬度方向的顏色差異一直為用戶詬病。鋼卷開卷后邊部表面氧化鐵皮呈藍(lán)黑色，而中部表面氧化鐵皮呈灰白色，色差作為典型的四次氧化鐵皮控制不當(dāng)造成的熱軋表面缺陷[1-2]，不僅嚴(yán)重影響了熱軋產(chǎn)品的美觀，同時(shí)造成后續(xù)冷軋酸洗過程中的“欠酸洗”和“過酸洗”現(xiàn)象，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

色差缺陷與熱軋鋼材表面的三次和四次氧化鐵皮組織緊密相關(guān)，其中精軋過程中和精軋后、卷取前在帶鋼表面形成的氧化層被稱作三次氧化鐵皮，其形成溫度一般低于1 000 ℃，精軋過程氧化鐵皮的形成時(shí)間不超過30 s，其厚度通常在10 μm左右，期間帶鋼表面生成的氧化鐵皮主要成分是FeO[3-5]。帶鋼卷取下線后的冷卻過程是一個(gè)非常緩慢的過程，氧化皮會(huì)進(jìn)一步變化[6-7]，被稱作四次氧化鐵皮。鋼卷緩慢冷卻過程中，當(dāng)溫度低于570 ℃時(shí)，F(xiàn)eO發(fā)生共析反應(yīng)生成共析組織Fe3O4+Fe[8-10]。由于鋼卷不同部位的冷卻速率和氧氣濃度不同，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌Y(jié)構(gòu)的氧化鐵皮[11-13]。有研究認(rèn)為：帶鋼邊部氧化皮由外層較厚的Fe3O4組織和內(nèi)層共析組織組成，帶鋼中部氧化皮主要是先共析Fe3O4和少量共析組織，且邊部氧化皮厚度大于中部氧化皮厚度，因此認(rèn)為帶鋼表面氧化鐵皮橫向結(jié)構(gòu)和厚度不均是造成帶鋼表面出現(xiàn)顏色差異的根本原因[14-15]。還有研究發(fā)現(xiàn)帶鋼邊部氧化鐵皮主要由FeO+ Fe3O4構(gòu)成，其顏色呈現(xiàn)為藍(lán)黑色，帶鋼中部的氧化鐵皮為共析組織和Fe3O4，顏色呈現(xiàn)灰白色，造成熱軋帶鋼表面色差[16-17]。

為了明確帶鋼色差氧化皮具體結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理，本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的色差樣板分析氧化層形貌、結(jié)構(gòu)和粗糙度，利用掃描電鏡等分析手段開展了系統(tǒng)的研究工作，深入分析了帶鋼色差缺陷形成的主要原因和相關(guān)機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為3.7 mm厚度的SPHC熱軋帶鋼，其目標(biāo)化學(xué)成分見表 1。SPHC鋼卷的主要熱軋工藝：終軋溫度均為870 ℃；采用前段冷卻的層流冷卻方式；卷取溫度為670和560 ℃兩種；鋼卷冷卻方式為自然冷卻。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of tested steel(wt.%)

對(duì)卷取溫度為560 和670 ℃的SPHC帶鋼的色差板進(jìn)行取樣，帶鋼寬度1 250 mm。由于色差呈對(duì)稱分布，故只取一側(cè)，在色差明顯部位取多個(gè)樣品，分別各取4個(gè)樣品，樣品中心距40 mm，標(biāo)記為1～4號(hào)(分別距邊部0、40、80、120 mm)；帶鋼的中間部位色差不明顯，取樣2個(gè)，標(biāo)記為5和6號(hào)(分別距邊部590、630 mm)，具體取樣位置如圖1所示。將實(shí)驗(yàn)材料切割成3.7 mm×10 mm×15 mm，在切割過程中要盡量保證氧化鐵皮的完整性，減少對(duì)氧化鐵皮的不必要的機(jī)械破壞，利用超聲波清洗器將試樣表面的油污洗凈。將試樣鑲嵌、磨制、拋光后用體積分?jǐn)?shù)為1 %的鹽酸酒精溶液腐蝕，然后在ZEISS ULTRA 55 型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)下觀察分析氧化鐵皮的斷面形貌和物相組成，并使用Bruke D8型X射線衍射儀(XRD)對(duì)帶鋼邊部色差區(qū)域和中部無色差區(qū)域進(jìn)行物相標(biāo)定以確定氧化物的成分與類型。最后用IPP圖像處理軟件統(tǒng)計(jì)各相的面積分?jǐn)?shù)，即得到氧化層中各相的比例。

2 帶鋼表面宏觀特征

本文所研究的色差缺陷指熱軋SPHC鋼在開卷后表面顏色不均勻現(xiàn)象，如圖 1所示。由圖1可以看出，卷取溫度為 670和 560 ℃的樣板都有十分明顯的色差，而 670 ℃的樣板邊部色差更為明顯，同時(shí)樣板的中部氧化鐵皮顏色較淺，說明了卷取溫度越高邊部色差帶越寬，中部氧化鐵皮顏色越亮。

圖1 熱軋帶鋼表面氧化鐵皮色差及取樣方案Fig.1 Color difference of oxide scale on the surface of hot rolled steel strip and sampling plan

3 帶鋼氧化皮的形貌與物相分析

3.1 帶鋼氧化皮的粗糙度測(cè)量

通過激光共聚焦顯微鏡多次測(cè)量卷取溫度 560和670 ℃中部和邊部色差區(qū)域面粗糙度Sa，如圖2所示。邊部的色差區(qū)域面粗糙均比中部要大，同時(shí)卷取溫度670 ℃時(shí)的面粗糙度整體比560 ℃時(shí)要小，表面漫反射相對(duì)較小，所以表面顏色更亮，光澤度更好，同樣中部相對(duì)比邊部更明亮。

圖2 不同卷取溫度SPHC鋼板橫向不同位置樣品的面粗糙度Fig.2 Surface roughness of samples of SPHC steel plate at different positions in the transverse direction under different coiling temperatures

3.2 表面氧化皮物相分析

圖3為卷取溫度 560和 670 ℃時(shí)表面氧化皮中部和邊部色差區(qū)域的X射線衍射圖。由圖3可知，邊部的色差區(qū)域主要為Fe3O4和少量Fe2O3，而中部沒有檢測(cè)到Fe2O3。說明鋼卷邊部處于富氧區(qū)，表層氧化皮繼續(xù)氧化生成Fe2O3；而鋼卷的中心部位處于貧氧區(qū)，供氧量較少，氧化鐵皮生長基本停滯，主要以Fe3O4為主。但邊部生成的Fe2O3較少，故表面不會(huì)呈現(xiàn)紅色。

圖3 不同卷取溫度的SPHC鋼板橫向不同位置樣品的XRD分析Fig.3 XRD analysis of samples of SPHC steel plate at different positions in the transverse direction under different coiling temperatures

3.3 帶鋼氧化皮表面形貌分析

為了明確SPHC帶鋼色差的成因，利用掃描電子顯微鏡觀察卷取溫度560 ℃的試樣表面形貌，如圖4所示。邊部色差部位(1～2號(hào))表面較為粗糙，部分氧化皮存在破碎，裂紋較多且粗大，在自然光下，色差缺陷表現(xiàn)藍(lán)黑色。中部(5～6號(hào))表面較為平整，氧化皮破碎程度較小，裂紋相對(duì)較為微小。

圖4 卷取溫度560 ℃的SPHC鋼板橫向距邊部不同位置的表面微觀形貌Fig.4 Surface micromorphology at different positions from the edge of SPHC steel plate in the transverse direction under coiling temperature of 560 ℃: (a) 0 mm; (b) 40 mm;(c) 590 mm; (d) 630 mm

卷取溫度670 ℃下SPHC鋼板不同位置處的表面微觀形貌如圖5所示。邊部2號(hào)樣品表面形貌與其他形貌完全不同，為海綿狀的多孔Fe3O4組織，表面粗糙度較大，表面有氧化皮壓實(shí)現(xiàn)象(如圖中紅色方框所示)，為卷取層間壓力所導(dǎo)致，且越靠近中部，壓實(shí)的面積越大，說明鋼卷中部帶鋼層間壓力最大，所以表現(xiàn)為宏觀鋼板中部表面越亮。

圖5 卷取溫度670 ℃的SPHC鋼板橫向距邊部不同位置的表面微觀形貌Fig.5 Surface micromorphology at different positions from the edge of SPHC steel plate in the transverse direction under coiling temperature of 670 ℃: (a) 0 mm; (b) 40 mm; (c) 80 mm; (d) 120 mm; (e) 590 mm; (f) 630 mm

3.4 樣品氧化層截面的顯微組織

在掃描電鏡下對(duì)不同卷取溫度下SPHC鋼板的色差樣品進(jìn)行了斷面形貌分析，因部分樣品形貌相近，故只取具有代表性的1、2和6號(hào)，如圖6所示?？梢姡砣囟?560和670 ℃時(shí)的相同編號(hào)樣品的斷面氧化鐵皮形貌差別不大，但微觀組織明顯不同。因?yàn)殇摼磉叢康睦鋮s速度較快，所以最邊部1號(hào)樣品的氧化皮都沒有出現(xiàn)共析組織，其余2～6號(hào)樣品整個(gè)氧化層主要為Fe和Fe3O4的共析組織，其中越靠近中部，共析組織的比例越多，而共析組織片層間距在不同卷取溫度下幾乎沒有變化。

圖6 卷取溫度560和670 ℃下SPHC鋼板不同位置處的氧化層斷面顯微組織Fig.6 Microstructure of oxide layer section of SPHC steel plate at different positions under coiling temperature of 560 and 670 ℃: (a),(b) 0 mm; (c),(d) 40 mm; (e),(f) 630 mm

根據(jù)氧化皮截面的顯微組織特征，采用面積統(tǒng)計(jì)法，對(duì)1～6號(hào)樣品氧化層厚度和共析組織占氧化皮比例統(tǒng)計(jì)。從圖7(a)可知，兩種卷取溫度下帶鋼寬度方向上的氧化皮厚度規(guī)律相近：帶鋼邊緣氧化皮最薄，緊鄰邊部區(qū)域最厚(但非顏色最深區(qū)域)，除近帶鋼外側(cè)的顏色較重外，中間區(qū)域厚度變化不大，說明色差與氧化皮厚度沒有直接關(guān)系。

圖7(b)是卷取溫度560和670 ℃時(shí)，帶鋼寬度方向共析相的比例分布，除最外側(cè)幾乎是FeO外，中部位置均為共析轉(zhuǎn)變組織Fe3O4+Fe。但是不同卷取溫度時(shí)，氧化層外部的Fe3O4的厚度(比例)不同：當(dāng)卷取溫度670 ℃時(shí)，邊緣區(qū)域(2號(hào)樣)的Fe3O4較厚、相比例高，中部(6號(hào)樣)Fe3O4相和Fe3O4+Fe共析相交叉分布區(qū)域，顏色偏淺灰白色；卷取溫度560 ℃時(shí)，帶鋼邊緣區(qū)(2號(hào)樣)表層氧化物全部為Fe3O4相，內(nèi)側(cè)為Fe3O4+Fe共析相，氧化層色偏深，而中部(6號(hào)樣)幾乎全為Fe3O4+Fe共析轉(zhuǎn)變組織，顏色偏淺灰白色?？梢奆e3O4+Fe共析組織不是顏色呈現(xiàn)藍(lán)黑的主要原因，F(xiàn)e3O4的比例與分布是影響色差的主要因素。

圖7 帶鋼寬度方向氧化層厚度和共析相比例Fig.7 Oxide layer thickness and eutectoid phase ratio in the width direction of the strip: (a) oxide layer thickness; (b) eutectoid phase ratio

帶鋼軋制和層流冷卻過程中，帶鋼最邊部傳熱條件好，比帶鋼中部的冷卻更快；帶鋼中心溫度高，氧化動(dòng)力學(xué)條件好，但是卷取后，中部處于缺氧狀態(tài)，所以綜合中部生成原始三次氧化鐵皮較厚，同時(shí)驗(yàn)證了卷取溫度670 ℃時(shí)的氧化皮比卷取溫度 560 ℃時(shí)的厚。另外，因?qū)恿骼鋮s設(shè)備與工藝的原因，還會(huì)導(dǎo)致帶鋼橫向靠近邊部位置出現(xiàn)高溫區(qū)(如圖8)，也會(huì)導(dǎo)致帶鋼近外側(cè)氧化皮厚度較中部略有增加。層流冷卻過程時(shí)間短，氧化氣氛相同，不會(huì)導(dǎo)致氧化皮結(jié)構(gòu)的差異。圖 9為穿帶事故帶卷的色差照片，邊部色差帶較窄，這也印證了層流冷卻溫度差導(dǎo)致了SPHC鋼板色差。

圖8 紅外熱像儀檢測(cè)帶鋼卷取前的橫向溫度分布Fig.8 Transverse temperature distribution of coiling strip obtained by infrared thermal imaging camera: (a) infrared image; (b) transverse temperature distribution curve

圖9 穿帶事故帶卷的色差照片F(xiàn)ig.9 Color difference of oxide scale of coiling in accident

熱軋帶鋼卷取過程中，為了保證軋制穩(wěn)定性，會(huì)形成中間厚邊部薄的帶鋼凸度，導(dǎo)致鋼卷邊部的鋼帶層間壓力較中部更小，或者說鋼帶的層間間隙更大，帶鋼邊部與空氣直接接觸，一方面可以繼續(xù)氧化生成Fe3O4，另一方面鋼卷邊部溫降快，共析組織含量也相對(duì)較少；而鋼卷中部縫隙小，氧含量較少，主要以共析相為主，同時(shí)中部冷卻速度慢，在連續(xù)冷卻的情況下，冷卻速率越小越有利于氧化鐵皮中共析反應(yīng)的發(fā)生[18]。如圖10所示，中部共析反應(yīng)進(jìn)行的比較充分，因而共析組織含量較高。

圖10 冷卻速度和模擬卷取溫度與氧化鐵皮結(jié)構(gòu)的關(guān)系Fig.10 Relationship between cooling rate and coiling temperature on oxide sheet structure

綜上所述，帶鋼邊部比中部的粗糙度大，帶鋼邊部氧化皮組織為外層Fe3O4和中部共析組織，帶鋼中部氧化皮主要為共析組織，帶鋼寬度方向氧化鐵皮的Fe3O4厚度和氧化皮粗糙度差異導(dǎo)致光的漫反射不同，造成其視覺上顏色差異。

4 結(jié) 論

通過對(duì)不同工藝生產(chǎn)的SPHC熱軋帶鋼氧化層結(jié)構(gòu)、厚度和色差相關(guān)性分析，得出如下結(jié)論：

1)卷取溫度為560和670 ℃時(shí)，帶鋼寬度方向上的氧化皮厚度相近，說明色差與氧化皮厚度沒有直接關(guān)系。

2)Fe3O4+Fe共析組織不是氧化皮顏色呈現(xiàn)藍(lán)黑色的主要原因，F(xiàn)e3O4的分布與比例是影響色差的主要因素。

3)卷取溫度670 ℃時(shí)，帶鋼氧化皮表面形貌呈現(xiàn)粗大晶?；蚝＞d體形態(tài)，粗糙度較大，形貌差異較大；卷取溫度為560 ℃時(shí)，帶鋼氧化皮表面形貌呈現(xiàn)更為細(xì)小的顆粒形態(tài)。不同的表面粗糙度會(huì)導(dǎo)致光的漫反射不同，其視覺上顏色亮度也不同。

4)生產(chǎn)中，提高層流冷卻過程中帶鋼橫向溫度均勻性，適當(dāng)增大卷取張力以減小鋼卷層間縫隙，對(duì)消除熱軋帶鋼表面色差缺陷有利。