冷軋超深沖鋼板表面帶狀缺陷分析

供稿|王亞芬，趙廣東，杜洪志 /WANG Ya-fen, ZHAO Guang-dong, DU Hong-zhi

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車用冷軋超深沖鋼板的品種和質量也提出越來越高的要求，如優(yōu)異的成形性能、焊接性能、表面質量以及耐腐蝕性等，其中表面質量尤為重要。然而生產(chǎn)過程中，冷軋超深沖鋼板的表面非常規(guī)缺陷種類很多，因此提高冷軋板的表面質量，減少表面缺陷的產(chǎn)生顯得尤為重要。其中冷軋板表面的帶狀缺陷就是困擾冷軋汽車板表面質量的難題之一[1-3]。

本鋼生產(chǎn)冷軋超深沖鋼板時，經(jīng)常出現(xiàn)一類帶狀缺陷，該類帶狀表面缺陷呈不規(guī)則的長條狀疤坑，形貌多樣，成品板厚小于1 mm的薄規(guī)格冷軋深沖鋼板甚至產(chǎn)生 孔洞，嚴重影響了產(chǎn)品的表面質量。然而由于冷軋超深沖鋼板表面缺陷的產(chǎn)生貫穿于冶煉、連鑄、熱軋、冷軋、退火、平整和精整的整個生產(chǎn)工藝過程，諸多因素均會造成冷軋板出現(xiàn)這種缺陷。因此本文通過宏觀分析，借助掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)，觀察帶狀缺陷處的微觀結構并對其進行定性分析，從而查找此類帶狀缺陷產(chǎn)生的原因，進而探討消除該類缺陷的主要措施 。

試驗材料及方法

本文試驗材料選自本鋼超深沖帶鋼生產(chǎn)中出現(xiàn)帶狀缺陷的冷軋板SPCUD，厚度為1.0 mm。生產(chǎn)工藝過程為鐵水預處理→轉爐冶煉→爐外精煉→連鑄→加熱→粗軋→精軋→控制冷卻→卷取→(冷軋)開卷→酸洗、冷連軋→連續(xù)退火→平整→精整→檢驗入庫。

首先在現(xiàn)場觀測冷軋板上帶狀缺陷部位的宏觀形貌，記錄缺 陷的形貌、大小以及出現(xiàn)的位置等。然后從該鋼板上切下需要研究分析的缺陷部位，制備成電鏡試樣。經(jīng)酒精超聲波清洗并吹干后，用熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)分別觀察帶狀缺陷部位的上、下表面的微觀形貌并采用X射線能譜儀(EDS)做微觀區(qū)域元素的定性和定量分 析以及使用點掃描及面掃描的方法對微觀區(qū)域進行成分分析。而后制備缺陷的截面樣品，并觀察截面樣品的形貌并進行缺陷部位的成分分析。

試驗結果與分析

缺陷的宏觀分析

冷軋板表面帶狀缺陷試樣上、下表面的宏觀形貌如圖1所示，可見該缺陷沿軋制方向分布，呈長條狀疤坑，兩頭尖，長約50 mm，寬約3.5 mm。清洗后，缺陷部位呈亮白色，基體為深灰色，上下表面缺陷處粗糙、凹凸不平，均出現(xiàn)與軋制方向成約45度角的擦痕。此類形貌缺陷，通卷不連續(xù)且無規(guī)律出現(xiàn)，缺陷出現(xiàn)頻次較低。

缺陷的SEM表面及截面分析

◆ 缺陷的上表面SEM分析

將帶狀缺陷樣品用超聲波儀器清洗后吹干，將其在掃描電鏡下放大進行觀察。首先觀察該缺陷樣品的上表面形貌，如圖2所示。圖2(a)為該位置在掃描電鏡放大到30倍下的二次電子像形貌，可見正常部位平坦光滑，而缺陷部位則有明顯的分層。進一步放大后觀察分層處的局部形貌，圖2(b)為樣品在掃描電鏡放大到500倍下分層處的二次電子像形貌，紅色方框內可見深灰色的基體上分布著大大小小的凹坑，凹坑里有許多黑色顆粒物。

圖1 帶狀缺陷樣品的宏觀形貌。(a)樣品上表面形貌；(b)樣品下表面形貌

圖2 缺陷試樣上表面缺陷SEM形貌。(a)整體形貌；(b)局部形貌

在這些黑色點狀顆粒物中選取其中一個較大的顆粒物，觀察其具體的形貌。如圖3(a)所示為2000倍下該顆粒物的二次電子像形貌，可見圖2(b)中凹坑里的黑色顆粒棱角分明、完好地被包裹在基體中，尺寸小于10 μm。采用X射線能譜儀對該顆粒物進行點掃描，其成分能譜圖如圖3(b)所示，可以看出此顆粒物的成分含有O、Al和Fe等元素。圖4為該顆粒物的面分布圖，可以看到顆粒物中O、Al元素以及基體中Fe元素的分布情況，圖4中尖晶石狀的顆粒主要成分是O和Al元素，鋼板基體的主要成分為Fe元素。推斷該顆粒物為Al2O3氧化物。

◆ 缺陷的下表面SEM分析

繼續(xù)觀察帶狀缺陷樣品的下表面形貌，圖5(a)為該缺陷樣品在掃描電鏡下放大到800倍的形貌，可見缺陷處有許多顆粒物。進一步放大到2000倍，繼續(xù)觀察顆粒物的形貌，如圖5(b)所示，其形貌與圖3(a)的形貌十分相似。

分別選取圖5中1#~6#顆粒物，采用能譜儀對其進行點掃描分析，顆粒物的點掃描的定量分析結果見表1。可以看出1#~6#的這些顆粒物的成分含有O、Al、Cr和Fe等元素，除6#外其他顆粒物中O和Al元素的重量百分比含量占總含量的79%以上，因此可以推斷顆粒狀聚集物為Al2O3氧化物。

圖3 顆粒物的SEM二次電子像形貌以及定性分析的能譜圖

圖4 顆粒物的成分能譜面分布圖

圖5 帶狀缺陷試樣下表面SEM形貌

◆ 缺陷的SEM截面分析

進一步分析樣品截面的形貌及成分，如圖6所示，(a)為缺陷樣品在掃描電鏡放大到1500倍下的背散射電子像形貌，非常立體的展現(xiàn)了冷軋板基板和缺陷部位為兩種不同的成分像，淺灰色為冷軋板基板，缺陷處包裹著約10 μm大小的黑色顆粒物，(b)為該顆粒物的成分能譜圖，可見含有O、Cr、Al、Ti和Fe等元素。采用X射線能譜儀分別對圖6(a)中的黑色顆粒物做點掃描，其化學元素及重量百分比見表2?？梢娺@些顆粒物的成分含有O、Al、Ti和Fe等元素，其中1#和2#區(qū)域的O和Al元素的重量百分比含量占總含量的98%以上，可能由于3#區(qū)域的黑色顆粒物比較小，X射線能譜分析的輻射范圍覆蓋了基體的部位，所以Fe元素重量百分比較1#和2#區(qū)域的高。由此推斷該缺陷樣品的截面形貌圖6(a)中的1#和2#區(qū)域的顆粒物亦為Al2O3氧化物。

表1 缺陷處微觀區(qū)域的主要化學成分(質量分數(shù)) %

圖6 帶狀缺陷試樣截面SEM形貌

表2 缺陷處微觀區(qū)域的主要化學成分(質量分數(shù)) %

討論

從試樣表面帶狀缺陷的宏觀照片圖1可以看出該缺陷沿軋制方向分布，上下表面均呈現(xiàn)長條狀疤坑，兩頭尖，缺陷處粗糙、凹凸不平。通過掃描電子顯微鏡逐級放大后分別觀察其上表面、下表面以及截面的帶狀缺陷處形貌，并用X射線能譜儀對顆粒物進行定性及定量分析。結果表明，缺陷部位由許多顆粒物組成，這些顆粒含有化學元素O和Al等，與基板的化學成分截然不同。從缺陷形貌尺寸特征以及能譜分析的定量檢測結果，推斷該類帶狀缺陷處的顆粒物為以Al2O3為主的夾雜物。而這些Al2O3夾雜物的尺寸均小于10 μm，其很大可能是來源于連鑄坯中的浸入式水口的粘附物。在連鑄過程中，鋼水中不斷析出的細小固態(tài)Al2O3不斷地粘附在浸入式水口壁上形成瘤狀物，當堆積到一定厚度就自然脫落浸入結晶器，然后又重新粘附。在非穩(wěn)態(tài)澆鑄情況下，周期性脫落的堆積物被卷入凝固坯殼，在后續(xù)的生產(chǎn)過程中暴露于鋼板表面。在隨后的熱軋、冷軋過程中較大的Al2O3夾雜被碾碎，不均勻地分布在鐵基體上，部分細小的Al2O3顆粒未被碾碎，鑲嵌于其中，如圖5所示，最終冷軋后暴露在冷軋板表面上，形成了冷軋板表面帶狀缺陷。一般來說，最終產(chǎn)品厚度越薄，夾雜物帶來的表面缺陷越嚴重，而成品板材厚度小于1 mm的極容易產(chǎn)生孔洞缺陷[4-6]。

減少夾雜物，提高潔凈度，是獲得高品質冷軋超深沖鋼板表面的關鍵。在煉鋼工藝過程中，為防止夾雜物的卷入，浸入式水口的浸入深度、保護渣的黏度、氬氣流速等重要因素要控制好，但更重要的是減少結晶器液面的波動。改善相關的煉鋼工藝措施可以消除或減弱冷軋板表面帶狀缺陷的發(fā)生。

結論

(1) 冷軋超深沖鋼板表面帶狀缺陷處含有夾雜物顆粒，推斷化學成分為Al2O3氧化物。

(2) 此類帶狀缺陷是由夾雜物引起的，來源于連鑄過程中浸入式水口內壁的粘附物。在軋制過程中較大的Al2O3夾雜被碾碎，不均勻地分布在鐵基體上，部分細小的Al2O3顆粒未被碾碎，鑲嵌于基體中。

(3) 要避免這類夾雜缺陷的產(chǎn)生，首先要保證鋼液的純凈度，其次要控制好浸入式水口的浸入深度、保護渣的黏度、氬氣流速等重要因素，減少結晶器液面的波動選等相關煉鋼工藝。

[1] 彭其春, 趙金濤, 田俊, 等. 冷軋深沖鋼中夾雜物分析. 煉鋼, 2011,27(02): 25

[2] 于世川, 李一棟, 梁振威, 等. 提高冷軋板表面質量的工藝研究. 金屬世界. 2009, (04): 12

[3] 李光瀛, 馬鳴圖. 我國汽車板生產(chǎn)現(xiàn)狀及展望. 軋鋼, 2014, 31(04):22

[4] 蔡開科. 連鑄坯質量控制. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2010

[5] 姜錫山. 鋼中非金屬夾雜物. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2011

[6] 宋進英, 趙遠, 陳連生, 等. 冷軋板線狀缺陷分析及成因研究. 鋼鐵釩鈦. 2013, 34(03): 107