冷軋TA1鈦卷線(xiàn)狀起皮缺陷分析

穆曉輝，陳令杰，李渤渤，常化強(qiáng)，陶會(huì)發(fā)

（洛陽(yáng)雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003）

冷軋TA1純鈦卷是以海綿鈦為原料，經(jīng)板坯制備、熱卷軋制、冷軋、脫脂、退火等工序生產(chǎn)的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于石油、化工、船舶領(lǐng)域等[1]。在冷軋TA1鈦卷生產(chǎn)過(guò)程中，線(xiàn)狀起皮缺陷極為常見(jiàn)，在不同厚度帶卷中均會(huì)出現(xiàn)，不僅影響產(chǎn)品安全壽命，而且長(zhǎng)期以來(lái)一直影響鈦卷表面質(zhì)量良品率及得料率，至今起皮缺陷形成機(jī)理及解決措施仍不清晰，急需解決。

與冷軋帶鋼起皮缺陷多由冶金缺陷引起不同[2]，鈦材軋制加工過(guò)程易粘結(jié)的特性，使得冷軋TA1鈦卷線(xiàn)狀起皮缺陷時(shí)常出現(xiàn)，該缺陷與板坯制備、熱卷軋制、冷卷軋制等工序過(guò)程均有關(guān)系，且缺陷難以追溯。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)合鈦卷生產(chǎn)過(guò)程中長(zhǎng)期以來(lái)積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)冷軋TA1鈦卷線(xiàn)狀起皮缺陷進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并給出了后續(xù)改善方向。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為0.5mm規(guī)格冷軋TA1鈦帶，其生產(chǎn)工藝流程為：板坯制備→熱卷軋制→退火→拋丸→酸洗→冷卷軋制→脫脂→真空退火→精整→包裝。

從鈦帶上截取嚴(yán)重程度不同的起皮試樣進(jìn)行分析。使用OLYMPUS GX71金相顯微鏡進(jìn)行缺陷截面區(qū)域顯微組織觀察；使用Hanemann維氏硬度計(jì)對(duì)缺陷及正常區(qū)域進(jìn)行顯微硬度測(cè)定，試驗(yàn)力為0.9807N(100g)；使用Quanta650FEG掃描電子顯微鏡對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行形貌觀察；使用Genesis Apex2X射線(xiàn)能譜儀對(duì)缺陷區(qū)域成分進(jìn)行能譜分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 線(xiàn)狀起皮

根據(jù)冷軋TA1鈦卷表面起皮缺陷外觀形態(tài)不同，將起皮缺陷分為：線(xiàn)狀起皮、點(diǎn)鏈狀起皮、寬條狀起皮，其中線(xiàn)狀起皮為主要缺陷類(lèi)型，對(duì)鈦卷表面質(zhì)量良品率及得料率影響較大。

線(xiàn)狀起皮形態(tài)表現(xiàn)為表面片層剝落；呈線(xiàn)狀沿軋制方向分布，長(zhǎng)度一般在15mm～50mm之間；深度較淺，根據(jù)修磨測(cè)試一般在0.01mm～0.03mm之間。此種起皮一般在熱卷中較少，多在冷軋后出現(xiàn)，占起皮缺陷的絕大部分。

2.2 金相及顯微硬度測(cè)試

線(xiàn)狀起皮截面金相照片如圖1所示，線(xiàn)狀起皮寬度較窄，約為0.2mm；經(jīng)測(cè)量其深度約為0.03mm；從形態(tài)上看，起皮區(qū)域?yàn)榛w本身部分剝落；起皮區(qū)域組織情況與基體區(qū)域一致，均為等軸分布的α相，且其晶粒大小與基體區(qū)域也無(wú)明顯區(qū)別。

圖1 線(xiàn)狀起皮截面金相（放大100倍）

對(duì)端面靠近起皮區(qū)域、端面遠(yuǎn)離起皮區(qū)域、基體、起皮位置對(duì)面端面打HV0.1顯微硬度，分別標(biāo)注為位置1、2、3、4，每個(gè)區(qū)域打5個(gè)點(diǎn)取均值，結(jié)果如表1所示。

表1 線(xiàn)狀起皮顯微硬度結(jié)果(wt%)

由表1結(jié)果可知，靠近起皮區(qū)域硬度比基體及其他區(qū)域高10～13HV，反應(yīng)出起皮區(qū)域附近有明顯硬化層，且此硬化層屬于基體。

2.3 掃描形貌與能譜測(cè)試

線(xiàn)狀起皮掃描形貌測(cè)試如圖2所示。

圖2 線(xiàn)狀起皮掃描形貌照片

如圖2所示，線(xiàn)狀起皮微觀形貌表現(xiàn)為表層基體局部片層剝落，深度較淺。通過(guò)其形態(tài)分析，認(rèn)為其應(yīng)為卷材自身表面局部變形能力差在軋制過(guò)程中破裂。對(duì)圖2 b)線(xiàn)狀起皮缺陷位置及旁邊基體位置進(jìn)行能譜分析，其結(jié)果如表2所示。

表2 線(xiàn)狀起皮能譜分析結(jié)果(wt%)

由表2可知，缺陷位置、基體位置均檢出N、O、Al、Si雜質(zhì)元素。且缺陷位置相比基體位置，在氧含量上有明顯升高，說(shuō)明缺陷區(qū)域是富氧區(qū)域。

3 分析與討論

3.1 原材料分析

由前面分析可知，線(xiàn)狀起皮為基體富氧層，下面從原材料方面分析氧的來(lái)源。本文涉及到的鈦卷采用國(guó)標(biāo)最高等級(jí)0A級(jí)海綿鈦進(jìn)行熔煉，然而，由于海綿鈦生產(chǎn)過(guò)程特殊性，一般不可避免地會(huì)出現(xiàn)部分缺陷海綿鈦，如：氧化發(fā)藍(lán)的海綿鈦、細(xì)鈦顆粒(3mm以下)等，如圖3所示。

圖3 缺陷海綿鈦示意圖

細(xì)鈦顆粒(3mm以下)經(jīng)測(cè)試其成分達(dá)到國(guó)標(biāo)2級(jí)，雜質(zhì)元素含量較高。氧化海綿鈦和細(xì)鈦顆粒等缺陷海綿鈦在熔煉過(guò)程中會(huì)造成局部成分超標(biāo)，形成表面富氧層，經(jīng)軋制后形成線(xiàn)狀起皮缺陷。需要注意的是，缺陷海綿鈦比率一般較低，其質(zhì)量占比一般在0.1%內(nèi)，但實(shí)際卷材線(xiàn)狀起皮比率大部分都在1%以上。因此，缺陷海綿鈦導(dǎo)致局部成分超標(biāo)應(yīng)是線(xiàn)狀起皮的其中一個(gè)原因。

通過(guò)以上分析，海綿鈦進(jìn)行分揀挑除缺陷海綿鈦、將細(xì)鈦顆粒篩除，是減少起皮的一個(gè)改善方向。

3.2 加工過(guò)程分析

由線(xiàn)狀起皮缺陷截面金相及掃描形貌可知，其為卷材表層缺陷剝落，其缺陷深度較淺；從顯微硬度分析結(jié)果可知，起皮區(qū)域?yàn)橛不瘜?；根?jù)能普分析結(jié)果硬化層為富氧區(qū)域。在卷材實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，線(xiàn)狀起皮缺陷出現(xiàn)比率較高，綜合分析卷材的生產(chǎn)過(guò)程，可得出線(xiàn)狀起皮應(yīng)為熱卷局部氧化皮殘留。

熱軋鈦卷的生產(chǎn)流程為：板坯加熱→粗軋→精軋→冷卻→拋丸酸洗→切邊。與熱軋鋼卷不同，鈦卷在熱軋過(guò)程中不會(huì)開(kāi)啟除磷措施，而且鈦與氧親和力較高容易形成致密的氧化皮；另外，鈦本身較耐腐蝕，更加增加了酸洗去除氧化皮的困難，特別是某些耐腐蝕鈦合金此種現(xiàn)象表現(xiàn)尤為明顯，如：TA8合金卷耐腐蝕性高于TA1鈦卷，在熱卷生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)相同生產(chǎn)條件下其氧化皮殘留明顯多于純鈦卷。

熱卷出現(xiàn)氧化皮殘留嚴(yán)重時(shí)會(huì)整面發(fā)黑，如圖4a)所示。有氧化皮殘留的熱卷軋制至半成品時(shí)，出現(xiàn)整面線(xiàn)狀起皮缺陷，入圖4b）所示，熱卷殘留的整面的氧化皮在軋制后變成了整面的線(xiàn)狀起皮缺陷。此時(shí)僅到半成品，變形量較小，因此起皮長(zhǎng)度較短；若軋制到成品則成為最常見(jiàn)的線(xiàn)狀起皮缺陷。通過(guò)以上觀察到的現(xiàn)象，可以進(jìn)一步驗(yàn)證線(xiàn)狀起皮是由熱卷氧化皮殘留導(dǎo)致的。

圖4 熱卷殘留氧化皮及線(xiàn)狀起皮圖樣

需要注意的是，出現(xiàn)整卷氧化皮殘留表面發(fā)黑的情況是較少的，大部分情況下卷材表面酸洗后從宏觀上看是較為光亮的，僅在局部會(huì)有較為輕微、不易發(fā)現(xiàn)的未酸洗干凈的情況，因此造成局部出現(xiàn)線(xiàn)狀起皮缺陷。而局部未酸洗干凈情況，則與板坯在加熱爐里受熱不均局部氧化皮偏厚、板坯表面局部有缺陷等有關(guān)。

通過(guò)以上分析，線(xiàn)狀起皮改善方向應(yīng)是加強(qiáng)熱卷表面氧化皮去除，具體有增大拋丸力度、增大酸洗液濃度等。

4 結(jié)語(yǔ)

線(xiàn)狀起皮成因主要包括海綿鈦中有缺陷海綿鈦導(dǎo)致局部成分超標(biāo)、熱卷氧化皮殘留，其改善方向?yàn)楹＞d鈦熔煉前通過(guò)分揀去除氧化海綿鈦、細(xì)鈦顆粒等缺陷海綿鈦、熱卷酸洗時(shí)增大拋丸力度增加酸洗液濃度增強(qiáng)對(duì)氧化皮的去除。