雙相鋼鑄坯微裂紋在冷軋的表現(xiàn)及控制

白玉朋, 牟海鵬,張 帥,趙曉虎,金 玉

(1.唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 質(zhì)量管理部,河北 唐山 063000)

冷軋雙相鋼,尤其是高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度雙相鋼,不僅具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能,而且用途極其廣泛[1]。雙相鋼在汽車(chē)上使用,不僅能大幅度減少車(chē)體重量,還能節(jié)能降耗,降低制造成本,受到很多汽車(chē)制造廠商的青睞。唐鋼雙相鋼有DP450、DP590、DP780和DP980,DP1180目前是小批量生產(chǎn)階段,數(shù)字代表產(chǎn)品在軋退火后的屈服強(qiáng)度。雙相鋼由于含較高Si、Mn的成分特點(diǎn)加重了這類(lèi)鋼的脆性,在生產(chǎn)過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋缺陷[2-3]。在唐鋼大批量生產(chǎn)雙相鋼的過(guò)程中,觀察冷軋鋼帶表面質(zhì)量狀態(tài),發(fā)現(xiàn)DP780和DP980因裂紋缺陷產(chǎn)生的不合格品較多,因此對(duì)這兩個(gè)鋼種展開(kāi)消除或控制裂紋缺陷的探究。

1 雙相鋼裂紋缺陷描述

1.1 DP780裂紋缺陷在冷軋退火產(chǎn)品的表現(xiàn)

在唐鋼高強(qiáng)汽車(chē)板連退產(chǎn)線生產(chǎn)某批次DP780產(chǎn)品的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)有多個(gè)鋼卷因表面存在不規(guī)則的線狀缺陷導(dǎo)致降級(jí)判定,利用SIAS表面檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)到鋼帶表面缺陷云圖及缺陷形貌特征如圖1所示,圖內(nèi)方框標(biāo)注位置均為同類(lèi)型的缺陷。SIAS表面檢測(cè)設(shè)備云圖可以顯示一整卷鋼表面缺陷的分布規(guī)律,缺陷按照嚴(yán)重程度利用不同顏色的標(biāo)簽表現(xiàn)在鋼帶表面上,畫(huà)框的位置為本文研究的裂紋缺陷,其它位置為非同類(lèi)型的缺陷。從圖中可以看出缺陷集中在鋼帶的上表面,且密度非常大。

圖1 DP780裂紋缺陷SIAS表檢分布圖

將典型缺陷圖像取出如圖2所示。從圖像中可以看出,缺陷宏觀形貌為沿著軋制方向線狀缺陷。單一的線狀缺陷有明顯起點(diǎn)和終點(diǎn),形狀不規(guī)則,表檢顯示的顏色為黑色。線狀缺陷上伴隨多個(gè)黑色的點(diǎn)狀缺陷,疑似為不同線狀缺陷的交叉點(diǎn)或者起點(diǎn),線狀缺陷長(zhǎng)度在150～400 mm左右,寬度為1～2 mm。點(diǎn)狀缺陷的尺寸約大米粒大小。缺陷整體類(lèi)似于分叉較多的樹(shù)枝。

圖2 DP780裂紋缺陷SIAS表檢圖像

利用唐鋼便利的全流程缺陷追溯條件,在酸洗后的SIAS表面檢測(cè)設(shè)備上,通過(guò)位置推倒可以找到連退表檢上對(duì)應(yīng)位置酸洗后的缺陷形貌如圖3所示,線狀缺陷有明顯起點(diǎn)和終點(diǎn),形狀不規(guī)則,表檢顯示的顏色為黑色。缺陷未經(jīng)過(guò)酸洗軋制時(shí)成不規(guī)則的樹(shù)杈狀線形缺陷,表檢形貌來(lái)看顏色為黑色,缺陷長(zhǎng)度30～80 mm不等,線狀缺陷寬度大約1～2 mm。

酸洗后的缺陷形貌接近于熱軋卷上的缺陷形貌。受鋼種特性的影響,熱軋后鋼卷表面有較為明顯的氧化鐵皮薄膜,無(wú)法從熱軋的表檢上找到缺陷的圖像。將缺陷按照質(zhì)量守恒定律推算鑄坯表面上的尺寸,長(zhǎng)度大約1～3 mm,由于缺陷在鑄坯上過(guò)小,在鑄坯的表面上也未發(fā)現(xiàn)此類(lèi)缺陷。

1.2 DP980裂紋缺陷在冷軋退火產(chǎn)品的表現(xiàn)

在唐鋼高強(qiáng)汽車(chē)板連退產(chǎn)線生產(chǎn)某批次DP780產(chǎn)品的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)DP780同類(lèi)型缺陷如圖4所示。圖4的左半部分為SIAS表檢設(shè)備檢測(cè)到鋼帶表面缺陷的云圖,從云圖來(lái)看,DP980缺陷較DP780更加集中,在鋼帶中間位置,不靠近邊部。于DP780不同的是DP980上下表面均有同類(lèi)型的缺陷。表檢顯示的缺陷典型形貌在圖4右半部分,單一缺陷形貌有明顯起點(diǎn)和終點(diǎn),形狀不規(guī)則,表檢顯示的顏色為黑色。線狀缺陷上伴隨多個(gè)黑色的點(diǎn)狀缺陷,疑似為不同線狀缺陷的交叉點(diǎn)或者起點(diǎn),線狀缺陷長(zhǎng)度在150～400 mm左右,寬度為1～2 mm。點(diǎn)狀缺陷的尺寸約大米粒大小。

圖4 DP980裂紋缺陷連退SIAS表檢圖像

利用唐鋼便利的全流程缺陷追溯條件,查找上游工序的表面質(zhì)量情況,在酸洗表檢的對(duì)應(yīng)位置可發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的缺陷,如圖5所示所示。DP980在酸洗表檢顯示為黑白交接的線狀缺陷,線狀缺陷長(zhǎng)度在50～200 mm之間,寬度為1～2 mm。推算到鑄坯上缺陷尺寸,缺陷長(zhǎng)度為1～3 mm。DP980的熱軋表面狀況類(lèi)似于DP780,有一層薄薄的氧化鐵皮覆蓋,無(wú)法看到類(lèi)似的線狀缺陷。推算到鑄坯由于缺陷尺寸過(guò)小,唐鋼現(xiàn)有的檢測(cè)手段,也無(wú)法檢測(cè)到微小的缺陷。

圖5 DP980裂紋缺陷酸洗后SIAS表檢圖像

1.3 兩種裂紋缺陷實(shí)物描述

對(duì)兩個(gè)鋼種裂紋缺陷取樣品進(jìn)行觀察,如圖6所示。從圖中對(duì)比可以看出,兩個(gè)鋼種缺陷外觀形貌類(lèi)似。缺陷在退火后表征為在不規(guī)則的樹(shù)杈狀黑色線形缺陷上伴隨著黑色的點(diǎn)狀缺陷。線狀缺陷長(zhǎng)度在150～400 mm左右,寬度為1～2 mm,點(diǎn)狀缺陷的尺寸約大米粒大小。依據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),從缺陷外觀形貌來(lái)看,兩個(gè)鋼種的缺陷特征滿足裂紋缺陷的特征?？梢猿醪綌喽ㄟ@種缺陷為鑄坯的裂紋缺陷。受熱軋和連鑄工藝特點(diǎn)的影響,未在熱軋和連鑄表面發(fā)現(xiàn)類(lèi)似形貌的缺陷。

DP780表面裂紋實(shí)物圖像

DP980表面裂紋實(shí)物圖像圖6 兩個(gè)鋼種表面裂紋實(shí)物圖像比較

圖7 裂紋缺陷電鏡結(jié)果

2 裂紋缺陷微觀分析

2.1 缺陷電鏡結(jié)果

對(duì)取到的兩個(gè)鋼種的缺陷樣品進(jìn)行電鏡成分分析如圖8所示。由于兩個(gè)缺陷得出的電鏡成分結(jié)果基本相同,不再做重復(fù)展示。唐鋼DP780、DP980均為高Si高M(jìn)n成分體系,從電鏡結(jié)果可以看出,缺陷內(nèi)部無(wú)異物,電鏡掃描出的成分有少量的Si元素屬于正?，F(xiàn)象。由電鏡成分結(jié)果可以排除缺陷為煉鋼或澆筑過(guò)程中保護(hù)渣卷入或Al的氧化物卷入引起的缺陷。

圖8 缺陷樣品觀察位置示意

2.2 缺陷金相結(jié)果

冷軋表現(xiàn)的線狀缺陷除去煉鋼夾雜物,還剩下裂紋和劃傷兩類(lèi),觀察裂紋和劃傷需要通過(guò)掃描缺陷截面進(jìn)行觀察。為了進(jìn)一步確定缺陷是否為裂紋缺陷,對(duì)兩個(gè)鋼種的缺陷取截面,利用酸侵蝕截面觀察缺陷金相,樣品觀測(cè)位置如圖9所示。

DP780裂紋缺陷晶相 DP980裂紋缺陷晶相圖9 裂紋缺陷金相圖對(duì)比

使用顯微鏡對(duì)缺陷樣品放大200倍進(jìn)行觀察,得到如圖10的金相組織。兩個(gè)鋼種缺陷的金相組織基本相同。依據(jù)晶相圖像看,缺陷截面的端點(diǎn)放大后為黑色的線狀缺陷,線狀缺陷附近的晶粒較正常位置發(fā)白,且晶粒個(gè)頭較大,為明顯的脫碳組織,脫碳組織為鑄坯裂紋缺陷經(jīng)過(guò)軋制后的特有特點(diǎn)。線狀缺陷放大后可看到,缺陷在寬度方向上延伸到基體內(nèi)部,兩端距離表層約5～20 μm。由此可以更加準(zhǔn)確的判斷出缺陷為板坯裂紋缺陷。

圖10 冷齒缺陷示意圖

3 裂紋缺陷產(chǎn)生原因分析及驗(yàn)證

裂紋缺陷產(chǎn)生的原因有很多,關(guān)鍵的工藝控制點(diǎn)有鋼種成分、連鑄保護(hù)渣、水口浸入深度、結(jié)晶器冷卻水量、結(jié)晶器錐度、中間包穩(wěn)態(tài)等方面[4-7],結(jié)合唐鋼的生產(chǎn)實(shí)際,針對(duì)兩個(gè)鋼種的表面微裂紋缺陷進(jìn)行了煉鋼、連鑄整體的工藝調(diào)查。

3.1 DP780裂紋缺陷產(chǎn)生原因調(diào)查及驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)電鏡、金相結(jié)果分析缺陷部分存在一定程度的脫碳層,電鏡結(jié)果分析未發(fā)現(xiàn)保護(hù)渣以及典型夾雜物;因此斷定缺陷為板坯的裂紋缺陷。調(diào)查了多塊鑄坯,均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷,因此可斷定這種微裂紋缺陷在軋制過(guò)程中延展發(fā)達(dá),此微裂紋在板坯和熱卷上肉眼觀察不可見(jiàn),從鑄坯實(shí)物、熱軋表檢和實(shí)物均未發(fā)現(xiàn)類(lèi)似缺陷。

利用唐鋼便利的大數(shù)據(jù)信息化功能,對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行調(diào)查,包括保護(hù)渣、結(jié)晶器冷卻水進(jìn)水溫度、水口的浸入深度、鋼水成分等多個(gè)因素,裂紋嚴(yán)重的鑄坯與正常無(wú)缺陷鑄坯相比均未發(fā)現(xiàn)有明顯差異性。在利用熱像圖觀察鑄坯澆鑄溫度變化時(shí)發(fā)現(xiàn),熱像圖存在冷齒的澆鑄批次與缺陷產(chǎn)生規(guī)律具有很強(qiáng)的對(duì)應(yīng)性。熱像圖是監(jiān)測(cè)鑄坯在澆鑄過(guò)程中溫度變化的云圖,冷齒是表示在澆鑄坯的過(guò)程中溫度變化不均勻。從熱像圖上看,圖中畫(huà)框的位置為溫度差異明顯,中間位置溫度低,兩邊溫度高,且溫度分布呈梭子形,冷齒熱像圖如圖11所示。

圖11 爐次降判品比例柱狀圖

為明確熱像圖冷齒與成品微裂紋的對(duì)應(yīng)性。調(diào)查了同批次連鑄生產(chǎn)12爐約120根DP780的鑄坯,發(fā)現(xiàn)冷齒缺陷嚴(yán)重的鑄坯主要集中在第2、4爐,將整個(gè)批次12爐的DP780放入冷軋進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)跟蹤,對(duì)應(yīng)結(jié)果如圖12所示。冷齒缺陷嚴(yán)重的爐次不合格品比率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它爐次。由此可斷定控制冷齒對(duì)于控制DP780在冷軋退火產(chǎn)品表面表現(xiàn)出的樹(shù)杈狀裂紋缺陷有決定性作用。

圖12 不同N含量不合格品比例柱狀圖

通過(guò)以上分析在連鑄區(qū)域制定了相應(yīng)的措施,如調(diào)整冷卻水量、水口插入深度等措施,措施的出發(fā)點(diǎn)在于保證澆鑄過(guò)程中鑄坯溫度均勻。通過(guò)一些措施的實(shí)施,冷齒得到改善。后續(xù)跟蹤產(chǎn)品表面質(zhì)量時(shí)未再發(fā)現(xiàn)如此嚴(yán)重的裂紋缺陷,DP780整體表面質(zhì)量和產(chǎn)品合格率有很大的改善。

3.2 DP980裂紋缺陷產(chǎn)生原因調(diào)查及驗(yàn)證

對(duì)于DP980表面的缺陷,同樣通過(guò)對(duì)電鏡、金相結(jié)果分析缺陷部分存在一定程度的脫碳層,電鏡結(jié)果分析未發(fā)現(xiàn)保護(hù)渣以及典型夾雜物;因此斷定缺陷為板坯的裂紋缺陷。

由于DP980于DP780表面缺陷嚴(yán)重程度和分布規(guī)律類(lèi)似,首先調(diào)查了DP980在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中的熱像圖,但未發(fā)現(xiàn)熱像圖冷齒。之后調(diào)查了裂紋缺陷保護(hù)渣、結(jié)晶器冷卻水進(jìn)水溫度、SEN 的浸入深度、鋼水成分及溫度等多個(gè)影響裂紋缺陷的主要因素。發(fā)現(xiàn)成分存在一定的差異性。

對(duì)煉鋼過(guò)程全流程參數(shù)調(diào)查均滿足控制要求,存在缺陷的鋼卷所在爐次與無(wú)缺陷的鋼卷所在爐次整體工藝控制無(wú)明顯差異。對(duì)缺陷卷所在爐的鋼水成分調(diào)查發(fā)現(xiàn)N含量為54 ppm,高于該鋼種平均N含量33 ppm控制水平。通過(guò)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,累計(jì)共生產(chǎn)130爐該鋼種,對(duì)N含量按照4個(gè)組次進(jìn)行劃分,對(duì)比裂紋缺陷不合格品比例如圖13所示。由圖中可知,N含量大于40 ppm時(shí)裂紋缺陷產(chǎn)生的不合格品比例明顯升高。

N>50 ppm

為了驗(yàn)證結(jié)論,對(duì)DP980進(jìn)行試驗(yàn)生產(chǎn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得結(jié)論:N含量高的鋼卷裂紋缺陷較嚴(yán)重,從目前數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看,N含量超過(guò)40 ppm之后裂紋缺陷產(chǎn)生不合格品的風(fēng)險(xiǎn)很高。N含量超過(guò)50 ppm以后,表面的裂紋缺陷非常嚴(yán)重。

表1 不同N含量試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)應(yīng)的SIAS表檢設(shè)備截取的缺陷云圖實(shí)例如圖14所示。圖表中畫(huà)框區(qū)域?yàn)榱鸭y缺陷,其余位置的缺陷非裂紋缺陷。N含量大于大于等于40 ppm缺陷數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)N含量小于40 ppm的鋼卷。針對(duì)N含量偏高的問(wèn)題制定了一些措施。增加鋼包下水口區(qū)域密封效果,通過(guò)改造設(shè)備,增加套管碗口氬氣保護(hù),提高密封效果;增加鋼包下水口區(qū)域密封用具厚度等。經(jīng)過(guò)一些列的措施實(shí)施,DP980鋼種N含量得到明顯控制,也沒(méi)再發(fā)生因裂紋缺陷產(chǎn)生的批量不合格。

4 結(jié)論

雙相鋼鑄坯微裂紋缺陷由于太過(guò)細(xì)小在鑄坯、熱軋鋼卷表面均不可見(jiàn);但是經(jīng)過(guò)冷軋軋制,缺陷會(huì)放大延伸,最終在冷軋連退產(chǎn)品的表面形成不規(guī)則、帶有黑色且有起點(diǎn)的樹(shù)杈狀線形缺陷。

不同強(qiáng)度的雙相鋼裂紋缺陷產(chǎn)生的原因也不完全相同。對(duì)于冷軋整板面的樹(shù)杈狀裂紋缺陷控制,首先關(guān)注的重點(diǎn)是連鑄過(guò)程中溫度的均勻性,制定一些有效保證澆鑄溫度均勻的措施是控制裂紋缺陷產(chǎn)生的關(guān)鍵;其次對(duì)于產(chǎn)品非金屬成分比例要有密切關(guān)注,尤其是N元素的含量,雙相鋼對(duì)于高Si、Mn特殊成分體系的影響N元素對(duì)裂紋缺陷的影響極其敏感。

控制澆鑄溫度均勻性、控制N元素含量可以有效的減少鑄坯微裂紋,但不可能完全消除,若想完全消除裂紋缺陷還需對(duì)整個(gè)連鑄工序進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化。