含鈦鐵素體不銹鋼冷軋酸洗板色差缺陷分析及控制對(duì)策

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 科研處，陜西 西安 710089； 2.酒泉鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司 不銹鋼研究所，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

鐵素體不銹鋼是指鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)在11%～30%，含有微量或不含鎳，在高溫和室溫下組織均為體心立方晶體結(jié)構(gòu)一類(lèi)不銹鋼[1]。409 L鐵素體不銹鋼作為一種典型的低碳氮節(jié)鎳的鐵素體不銹鋼，鋼中Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為12%，具有成本低、耐蝕性能優(yōu)異的特點(diǎn)，在汽車(chē)、家電等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[2]。通常在409 L鐵素體不銹鋼生產(chǎn)過(guò)程中，為了盡量避免在晶界處形成Cr的碳氮化物而出現(xiàn)貧Cr現(xiàn)象，在降低鋼中C、N含量的同時(shí)，需加入Ti元素以固定鋼中溶解的C和N元素[3]。但是由于鈦元素的加入，409 L鐵素體不銹鋼板經(jīng)冷軋酸洗后，板材表面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)狀色差缺陷，嚴(yán)重影響了板材的表觀質(zhì)量。

本文針對(duì)409 L鐵素體不銹鋼冷軋酸洗板表面出現(xiàn)的點(diǎn)狀色差缺陷，采用光學(xué)顯微鏡對(duì)缺陷形貌進(jìn)行觀察，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，根據(jù)該鋼種在退火加熱時(shí)發(fā)生的化學(xué)過(guò)程進(jìn)行理論分析，確定點(diǎn)狀色差缺陷的發(fā)生機(jī)理，查找該缺陷的產(chǎn)生原因，為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)及合理的控制措施。

1 缺陷形貌及組織分析

某不銹鋼廠(chǎng)生產(chǎn)的409 L鐵素體不銹鋼冷軋板，其化學(xué)成分如表1所示，經(jīng)退火酸洗后，鋼板表面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)直徑在0.5～2 mm的點(diǎn)狀色差缺陷，如圖1所示。該色差缺陷在直射光觀察下為明顯不同于正常銀灰色板面的深灰色；在側(cè)光反射下觀察時(shí)，缺陷位置卻呈現(xiàn)具有高反射度的亮白色；在光學(xué)顯微鏡(×50)下觀察，發(fā)現(xiàn)該缺陷表現(xiàn)出圓形輪廓，缺陷位置的粗糙度相比較周?chē)恼１砻婷黠@降低，缺陷區(qū)域較正?；w表面有一定程度的下陷。

409 L鐵素體不銹鋼點(diǎn)狀色差缺陷的顯微組織如圖2所示。從圖2中可以明顯地發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于無(wú)缺陷位置，點(diǎn)狀色差缺陷處的晶粒尺寸減小，且這些細(xì)小的晶粒團(tuán)聚成圓形輪廓。

表1 409 L鐵素體不銹鋼的化學(xué)組成 %

圖1 409 L鐵素體不銹鋼點(diǎn)狀色差缺陷的形貌

圖2 409 L鐵素體不銹鋼點(diǎn)狀色差缺陷的金相組織(×200)

2 缺陷的實(shí)驗(yàn)室模擬

由于409 L鐵素體不銹鋼生產(chǎn)過(guò)程中，帶鋼表面頻繁發(fā)生了點(diǎn)狀色差缺陷，而在304、430、316 L、410 L等常規(guī)不銹鋼板材上未明顯地發(fā)現(xiàn)該缺陷。分析其原因，409 L鐵素體不銹鋼在元素種類(lèi)與上述鋼種的最大區(qū)別就是較高鈦元素含量，所以鈦元素有可能是造成點(diǎn)狀色差缺陷的基本原因之一。

從圖1中還可以看出，點(diǎn)狀色差缺陷具有拖尾狀現(xiàn)象，揭示了該缺陷是由于帶鋼表面有流動(dòng)性較好的液態(tài)物質(zhì)造成。分析其原因，在帶鋼較快的運(yùn)行速度下，由于液滴在慣性的作用下，發(fā)生了其在帶鋼運(yùn)行方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最終形成了具有拖尾的點(diǎn)狀色差缺陷。帶鋼在入退火爐后，有可能存在于帶鋼表面的液態(tài)物質(zhì)只有軋制油和水兩種物質(zhì)，而水由于沸點(diǎn)非常低，在爐門(mén)處的帶鋼表面上冷凝后，一進(jìn)入爐膛內(nèi)便會(huì)迅速揮發(fā)，根本來(lái)不及與帶鋼發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以帶鋼上的液滴只能是軋制油滴，因此可以推斷409 L鐵素體不銹鋼的點(diǎn)狀色差缺陷必然與帶鋼表面的軋制油殘留有關(guān)。

通過(guò)上述分析可知，409 L鐵素體不銹鋼帶鋼表面點(diǎn)狀色差缺陷的出現(xiàn)是由于409鐵素體不銹鋼板帶表面殘留的軋制油滴和材料中的鈦元素發(fā)生反應(yīng)而造成。為了進(jìn)一步證實(shí)點(diǎn)狀色差缺陷的發(fā)生是軋制油與鈦元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成的，本文在實(shí)驗(yàn)室模擬409 L鐵素體不銹鋼板材的退火酸洗生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)試驗(yàn)手段制造出點(diǎn)狀色差缺陷。在模擬實(shí)驗(yàn)中實(shí)施兩種方案，方案一是首先對(duì)帶軋制油的409 L軋硬態(tài)板材進(jìn)行脫脂處理，然后進(jìn)行退火后酸洗，觀察板材表面狀態(tài)；方案二是直接對(duì)帶軋制油的409 L軋硬態(tài)板材進(jìn)行退火酸洗，觀察板材表面狀態(tài)。具體實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)流程

在模擬實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)退火后，脫脂和未脫脂的409 L鐵素體不銹鋼板材在外觀上已呈現(xiàn)出明顯的差異性，結(jié)果如圖4所示。未脫脂的板材在退火后氧化皮極不均勻，局部區(qū)域甚至出現(xiàn)了疏松的紅褐色氧化皮，如圖4(a)所示；而在在脫脂后的409 L鐵素體不銹鋼板材在退火后呈現(xiàn)均勻光亮的氧化皮，如圖4(b)所示。

對(duì)圖4中未脫脂和脫脂的409 L鐵素體不銹鋼板材進(jìn)行酸洗處理后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)脫脂退火板材酸洗后其表面除了水漬外，未出現(xiàn)明顯的表面色差現(xiàn)象，如圖5(a)所示；而未脫脂板材果然出現(xiàn)了極其類(lèi)似于亮點(diǎn)缺陷的圓點(diǎn)狀色差，具體如圖5(b)所示。

圖4 未脫脂和脫脂409 L鐵素體不銹鋼板材退火后的表面

圖5 經(jīng)退火后未脫脂與脫脂的409 L鐵素體不銹鋼板材酸洗表面

應(yīng)用光學(xué)顯微鏡對(duì)未脫脂409 L鐵素體不銹鋼板材在實(shí)驗(yàn)室退火酸洗后呈現(xiàn)出的圓點(diǎn)缺陷進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6所示。從圖6中觀察到實(shí)驗(yàn)室模擬出的圓點(diǎn)缺陷與409 L鐵素體不銹鋼板材生產(chǎn)過(guò)程中表面點(diǎn)狀色差缺陷具有很高的相似度，以此可以基本驗(yàn)證409 L鐵素體不銹鋼板材表面點(diǎn)狀色差缺陷是由于軋制油殘留造成的氧化皮不均勻而導(dǎo)致。

圖6 未脫脂409 L鐵素體不銹鋼板材表面色差缺陷的顯微形貌(×100)

3 缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及消除措施

通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知，409 L鐵素體不銹鋼退火酸洗板材表面點(diǎn)狀色差缺陷和軋制油存在關(guān)系。為了確定點(diǎn)狀色差缺陷的發(fā)生機(jī)理，對(duì)板材表面殘留的軋制油在退火加熱中發(fā)生化學(xué)過(guò)程進(jìn)行理論分析。

由于軋制油液滴在409 L鐵素體不銹鋼板材退火過(guò)程中未被揮發(fā)除去，板材下表面的油滴在重力的作用下能夠較多的滴落，從而離開(kāi)板材表面；而板材上表面的油滴則會(huì)受到板材本體的支持而無(wú)法滴落，且與板材一起進(jìn)入退火爐加熱。在960 ℃(1 233 K)加熱過(guò)程中，軋制油滴中的烷烴碳會(huì)迅速與409 L不銹鋼中的鈦元素發(fā)生如下反應(yīng)：

[Ti]+[C]→TiC

ΔrGθm(1233K)=-170.64 kJ/mol

(1)

從式(1)中可以看到，軋制油液滴覆蓋下的板材表面生成一層碳化鈦，并且使該碳化鈦富集區(qū)域在宏觀上呈現(xiàn)出與軋制油液滴類(lèi)似的圓點(diǎn)形狀。

而409 L鐵素體不銹鋼在退火加熱時(shí)中也會(huì)發(fā)生正常的氧化反應(yīng)，生成的氧化皮是具有鉻系不銹鋼特點(diǎn)的鐵鉻混合型氧化皮，碳化鈦富集的圓點(diǎn)區(qū)域則會(huì)首先在960 ℃(1 233 K)下發(fā)生如下氧化反應(yīng)：

TiC+2O2→TiO2+CO2

ΔrGθm(1 233 K)=-941.08 kJ/mol

(2)

從式(2)中可以看到，該反應(yīng)的ΔrGθm相對(duì)較小，所以碳化鈦富集區(qū)域?qū)?yōu)先發(fā)生式(2)，此反應(yīng)生成的TiO2將會(huì)為板材基體形成非常好的保護(hù)，使得該區(qū)域Cr和Fe的氧化反應(yīng)嚴(yán)重受阻，造成該圓點(diǎn)區(qū)域形成比其他正常區(qū)域薄得多的氧化皮。在后續(xù)的酸洗處理中，圓點(diǎn)處的薄氧化皮首先被酸洗反應(yīng)去除，而圓點(diǎn)周?chē)^(qū)域的氧化皮則需要更多的時(shí)間才能完全洗凈。由于酸洗時(shí)間的差異，會(huì)造成圓點(diǎn)區(qū)域的基體被酸洗反應(yīng)過(guò)度侵蝕，最終造成該區(qū)域的基體表面較為光滑，且呈現(xiàn)下凹狀，宏觀上便呈現(xiàn)出點(diǎn)狀色差缺陷。

綜上所述，409 L鐵素體不銹鋼退火酸洗板表面點(diǎn)狀色差缺陷的產(chǎn)生原因是板材表面殘余的軋制油和板材中鈦元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使表面生成富集碳化鈦。為了有效地消除該缺陷的產(chǎn)生，可以采取一下措施：可在板材退火酸洗前，需要對(duì)軋硬態(tài)板材進(jìn)行充分的脫脂處理；在板材退火過(guò)程中，可增加退火爐排廢煙道的閘板開(kāi)度和排廢風(fēng)機(jī)的功率，使板材表面的軋制油在輻射預(yù)熱段產(chǎn)生類(lèi)似于減壓蒸餾的效果，從而更好地促進(jìn)軋制油的揮發(fā)；在保證退火后力學(xué)性能的前提下，通過(guò)采取厚規(guī)格板材提速，薄規(guī)格板材降速的方式來(lái)遏制板材表面軋制油滴和鈦元素的反應(yīng)，以此來(lái)抑制點(diǎn)狀色差缺陷的發(fā)生。

4 結(jié) 論

(1)409 L鐵素體不銹鋼經(jīng)退火酸洗后，鋼板表面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)狀色差缺陷，該缺陷表現(xiàn)出圓形輪廓，缺陷位置的粗糙度相比較周?chē)恼１砻婷黠@降低，缺陷區(qū)域較正常基體表面有一定程度的下陷。

(2)通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)可知，409 L鐵素體不銹鋼的點(diǎn)狀色差缺陷與該鋼種較高鈦元素含量和帶鋼軋制油的殘留有關(guān)。

(3)在409 L鐵素體不銹鋼退火加熱時(shí)，對(duì)殘留軋制油與鈦元素的化學(xué)反應(yīng)分析可知，軋制油液滴覆蓋下的帶鋼表面會(huì)生成富集的碳化鈦，使之在宏觀上呈現(xiàn)出與軋制油液滴類(lèi)似的圓點(diǎn)形狀。

(4)為了消除409 L鐵素體不銹鋼表面的點(diǎn)狀色差缺陷，對(duì)該鋼種軋硬態(tài)進(jìn)行充分的脫脂處理；在退火過(guò)程中，應(yīng)采取加強(qiáng)排風(fēng)措施促進(jìn)軋制油的揮發(fā)；也可采取厚規(guī)格帶鋼提速、薄規(guī)格帶鋼降速的方式來(lái)抑制缺陷的產(chǎn)生。