冷軋板表面起皮缺陷成因分析與探討

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

用于制造汽車、家電的冷軋板，不但要求良好的成型性，還要求表面光潔無瑕、美觀且具有良好的涂漆性，因此提高冷軋板的表面質(zhì)量，減少表面缺陷的產(chǎn)生顯得尤為重要。然而冷軋板表面非常規(guī)缺陷種類很多，其中起皮缺陷是困擾冷軋汽車板表面質(zhì)量的難題之一[1-3]。

冷軋板產(chǎn)生表面起皮缺陷時，帶鋼表面呈不規(guī)則的帶狀隆起，與基體分離，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的表面質(zhì)量。然而由于冷軋板的生產(chǎn)工藝較長，在煉鋼、熱軋以及冷軋成材等一系列較長的工藝流程中，諸多因素均會造成冷軋板出現(xiàn)這種起皮缺陷。因此本文通過宏觀分析，借助掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS），觀察起皮缺陷處的微觀結(jié)構(gòu)并對其進行定性分析，從而查找起皮缺陷產(chǎn)生的原因，進而探討消除起皮缺陷的主要措施。

試驗材料及方法

本文試驗材料選自本鋼生產(chǎn)中出現(xiàn)起皮缺陷的冷軋板。生產(chǎn)過程為鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)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。

首 先在現(xiàn)場觀測冷軋板上起皮缺陷部位的宏觀形貌，然后從冷軋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）分別觀察起皮缺陷部位與正常部位的表面形貌，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。

試驗結(jié)果與分析

缺陷的宏觀分析

冷軋板表面起皮缺陷均是沿軋制方向分布，呈條狀，略寬，一般在10 mm以上，鼓起厚度尺寸小于0.1 mm。通卷不連續(xù)且無規(guī)律出現(xiàn)，缺陷出現(xiàn)頻次較低。缺陷部位有的表皮完全脫落，基體呈現(xiàn)深灰色，有的表皮部分脫落，有的起皮部位表皮一側(cè)與基體相連，而另一側(cè)與基體分離。該缺陷試樣用鑷子將表面起皮挑開后的宏觀形貌如圖1所示，紅色方框內(nèi)為冷軋板表面的起皮缺陷，表皮內(nèi)里為銀灰色，基體為深灰色。缺陷分層處標(biāo)記為1號位置，挑開的表皮兒內(nèi)側(cè)標(biāo)記為2號位置。分別對1號及2號區(qū)域做SEM電鏡分析。

圖1 起皮缺陷樣品的宏觀形貌

圖2 起皮缺陷1號區(qū)域SEM形貌

缺陷的SEM表面分析

將試樣用鑷子將表面起皮挑開，用超聲波清洗后吹干，將其在掃描電鏡下放大進行觀察。首先觀察缺陷宏觀形貌圖1中所標(biāo)1號位置的形貌，如圖2所示。（a）為該位置在掃描電鏡放大到30倍下的二次電子像形貌，可以看見翹皮缺陷下面凹凸不平，深灰色的基本上有分布著黑色的條帶狀物體。（b）為樣品在掃描電鏡放大到500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，基板上分布著大量顆粒狀黑色物體。分別在圖（b）中選取1#、2#和3#處顆粒物，采用X射線能譜儀進行點掃描，定量分析結(jié)果見表1。可以看出1#~3#的這些顆粒物的成分均含有O、Mg、Al、Si、S和Ca等元素，且O、Al、Si和Ca的重量百分比含量占總含量的98%以上，除了這四種元素外，還有S和Mg等元素，這些元素的含量均小于1%。可以推斷出此顆粒物為Al2O3·SiO2·MgO·CaS·CaO復(fù)合型氧化物。

在這些顆粒中選取其中一個較大的顆粒狀夾雜物，觀察其具體的形貌。進一步放大到2000倍下繼續(xù)觀察該顆粒物的形貌如圖3所示，（a）為此顆粒狀夾雜物的二次電子像形貌，可見該夾雜物形狀不規(guī)則似蠶豆?fàn)?，周圍還分布著一些尖晶石狀碎片。采用X射線能譜儀對顆粒狀夾雜物進行面掃描分析，其成分能譜圖如圖3（b）所示，可見，顆粒中含有O、Mg、Al、Si、S和Ca等元素。

圖4為顆粒狀復(fù)合夾雜物的面分布圖，可以看到Al2O3·SiO2·CaO復(fù)合夾雜物中O、Al、Si、Ca元素分布情況。圖中細碎的尖晶石狀的顆粒主要成分是O和Al元素，圖中部類似蠶豆樣的顆粒主要成分是O和Si元素，周圍分布著含Ca元素的碎片。

表1 缺陷處微觀區(qū)域的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

圖3 夾雜物顆粒的SEM二次電子像形貌以及定性分析的能譜圖

圖4 顆粒狀復(fù)合夾雜物成分能譜面分布圖

繼續(xù)觀察起皮缺陷表皮內(nèi)側(cè)即圖1中所標(biāo)2號位置的形貌，如圖5（a）所示，為起皮處缺陷位置在掃描電鏡下放大到70倍的形貌，可見起皮處有許多顆粒狀聚集物。進一步放大到600倍，繼續(xù)觀察顆粒狀聚集物的形貌，如圖5（b）所示，其形貌與圖3（a）的形貌十分相似。分別選取1#和2#顆粒物，采用X射線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(jié)果見表2?？梢钥闯?#~2#的這些顆粒物的成分均含有O、Al和Ca等元素，且O、Al和Ca的重量百分比含量占總含量的94%以上，除了這三種元素外，還有Na和Si等元素，因此可以推斷顆粒狀聚集物為Al2O3·SiO2·CaO·NaO復(fù)合型氧化物。

討論

從試樣表面起皮缺陷的宏觀照片圖1可以看出，起皮部位表皮一側(cè)與基體相連，而另一側(cè)與基體分離，缺陷分層處呈不規(guī)則的帶狀隆起。通過掃描電子顯微鏡逐級放大后分別觀察其起皮分層處1號位置及挑開的表皮兒內(nèi)側(cè)2號位置的形貌，并用X射線能譜儀對顆粒狀夾雜物定性及定量分析結(jié)果表明，缺陷部位由許多顆粒狀夾雜物組成，這些顆粒含有化學(xué)元素O、Mg、Al、Si、S、Na和Ca等，與基板的化學(xué)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(jié)果推斷該表面起皮缺陷處的夾雜物種類為Al2O3·SiO2·MgO·CaS·CaO和Al2O3·SiO2·CaO·NaO不可變形硬質(zhì)復(fù)合夾雜物。其來源為煉鋼原料中的部分元素如 Al、Si、Mg、Ca等氧化后生成的氧化物，如 Al2O3、SiO2、MgO、CaO；或被侵蝕的爐襯，如CaO、 MgO等形成爐渣進入鋼液以及澆注過程中保護渣卷入鋼水中形成的，屬于外來夾雜物。對這種夾雜物的產(chǎn)生有重要影響的因素主要是堿性渣 （CaO） 脫氧產(chǎn)物 （Al2O3、SiO2）之間相互作用而生成的低熔點物質(zhì)，以及熔融的含有少量Na等元素的耐火材料。由于渣中（Al2O3、SiO2）含量高，（CaO）相對比例下降， 因此鋼渣流動性差，出鋼時不能從排渣口排出，在澆注過程中混入鋼水，來不及上浮而凝固于鋼坯中[4-6]。另一方面，保護渣在澆鑄過程中卷入鑄坯皮下，在鋼坯皮下由保護渣形成了層狀夾雜導(dǎo)致冷軋原料板出現(xiàn)分層，從而在軋制過程中心部、表面的塑性變形不一致而形成。因此，在以后的軋制過程中，由于存在于冷軋板表面層的大顆粒夾雜物沿軋制方向分布破壞了金屬基體與表面的連續(xù)性、產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低了冷軋板的性能。

圖5 起皮缺陷2#區(qū)域SEM形貌

表2 缺陷處微觀區(qū)域的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

減少夾雜物，提高潔凈度，是獲得高品質(zhì)冷軋板表面的關(guān)鍵。在煉鋼工藝過程中，選擇適宜的保護渣，控制保護渣的黏度、氬氣流速等重要因素，穩(wěn)定連鑄拉速，防止鋼水凝固時結(jié)晶器內(nèi)液面波動大、造成鋼水卷渣，形成大顆粒外來夾雜物。通過改善相關(guān)的煉鋼工藝措施以消除或減弱冷軋板表面起皮缺陷的發(fā)生。

結(jié)論

（1）冷軋板表面起皮缺陷為夾雜物，推斷化學(xué)成分為Al2O3·SiO2·MgO·CaS·CaO和Al2O3· SiO2· CaO·NaO復(fù)合氧化物。

（2）該類缺陷是由復(fù)合型夾雜物引起的，可能來源于煉鋼過程中卷入的保護渣。在鋼坯皮下由保護渣形成層狀夾雜導(dǎo)致冷軋原料板出現(xiàn)分層，從而在軋制過程中心部、表面的塑性變形不一致。

（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，其次選擇適宜的保護渣，氬氣流速，穩(wěn)定連鑄拉速，減少結(jié)晶器液面波動等相關(guān)煉鋼工藝。

[1] 彭其春, 田俊, 張學(xué)輝, 等. 冷軋板夾雜類表面缺陷研究的進展. 煉鋼, 2009, 25(1): 73

[2] 于世川, 李一棟, 梁振威, 等. 提高冷軋板表面質(zhì)量的工藝研究. 金屬世界, 2009, (4): 12

[3] 儲雙杰, 劉寶軍. 我國高等級汽車板生產(chǎn)現(xiàn)狀與展望. 軋鋼, 2005,22(1): 36

[4] 蔡開科. 連鑄坯質(zhì)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] 李峰, 葉學(xué)衛(wèi), 姜正連, 等. 冷軋帶鋼表面缺陷識別與控制. 冶金設(shè)備, 2010, (1): 65