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车辆用低碳深冲冷轧板表面缺陷成因探析与控制
李新城 陈 炜 陈 光 花银群 张 明 罗光红
摘
要：车辆用连铸生产的低碳深冲冷轧板卷一度出现大量表面缺陷，其宏观特征为凹坑、残留的金属疤壳或两者共存。缺陷区有时出现板卷穿孔、线痕或两者兼有。利用特殊金相制样与分析技术辅以电子探针微区分析等手段，探讨了发生率较高且又难以消除的复合夹杂型(CNI’s)、Al2O3型以及表面裂纹型缺陷的本质及形成原因。据此提出有效的缺陷控制措施，结果表明:采用这些措施改进的连铸工艺后，板卷表面质量合格率达100%。
关键词：低碳深冲钢； 冷轧板； 表面缺陷； 控制； 夹杂
引
言
随着汽车工业的发展，作为现代钢铁工业一种主要产品——冷轧钢薄板的作用就更为突出。但是由于冷轧板的冶金生产过程长、规格薄，因此容易出现诸如夹杂、氧化铁皮压入、疤/坑等表面质量问题，这严重影响了板材外观及其使用性能。冷轧板卷产生表面缺陷一直是许多钢厂感到棘手的质量问题，被认为是常见的而又是难以消除的顽症。国际上研究冷轧板卷表面缺陷也经历了相当曲折的道路。因为有些缺陷无论是冶金过程或演化过程都由多种因素综合造成，其外貌特征都极为相似，加上汽车部件钢种不同，生产工艺各异，受到捕捉缺陷源的困扰，以及现场工艺记录与实验室分析结果相矛盾时要想重复原工艺再现缺陷又极其困难。因此，靠事后分析往往发现一种机制而又掩盖了另一种机制，甚至得出各种不同的解释。尤其是冷轧板卷上出现的疤/坑缺陷来自何处，在微观上有何差异，以及其本质是什么?至今未见系统的研究报道。
本研究利用特殊金相制样分析技术结合电子探针微区分析等手段，系统地研究了车辆用连铸生产的低碳铝镇静钢系列冷轧板卷表面缺陷的本质及形成原因，其典型钢种为:08AI、SPCD、SPCE、ST12、ST13、ST14、ST15。对车辆用冷轧成品中常见的表面缺陷进行了特征分析，并根据分析结果改进连铸工艺，从而使成品冷轧板卷的合格率得到大幅度提高。
1 表面缺陷的外貌
表面缺陷出现在板卷轧制面的局部区域，有时一个板卷有1～2处肉眼可见的缺陷，严重时可多达5～6处。缺陷区有密集的疤(金属疤壳)和凹坑，呈疙瘩状外貌，已失去原有的金属光泽。凹坑相对较浅，显然是疤壳脱落的结果。未脱落的单个疤壳的尺寸在零点几毫米至几毫米不等，且疤壳和凹坑之间有界面。缺陷区一般由几个或若干个疤壳或凹坑组成，且沿轧制方向呈带状分布。缺陷带宽度从几毫米到20mm不等，带长在10～90mm之间。根据收集到的大量缺陷样品的外观形态可分为疤壳部分脱落形成的单独疤/坑、伴有穿孔的疤/坑、伴有线痕或穿孔的疤/坑、机械损伤型疤/坑和氧化铁皮压入型疤/坑共5种。对缺陷发生率最高且又是难以消除的前3种缺陷经详细解剖分析后发现，按缺陷的本质可分为复合夹杂型(CNI’s)、Al2O3夹杂型和表面裂纹型3种。
下面着重介绍车辆用冷轧板上主要存在的3种表面缺陷的分析与结果。
2 表面缺陷的分析与结果
2.1 复合夹杂型缺陷的微观特征
复合夹杂型缺陷区金属疤壳按组织分类有铁素体型和铁素体+珠光体型2种。
2.1.1 铁素体型疤壳
在铁素体型疤壳的单独表面缺陷区，尚未脱落的疤壳容易用镊子揭开或全部撕下来露出界面粗糙的凹坑。刚露出的与疤壳外形一样的独立凹坑界面呈黑色，界面微区的面扫描结果见A样(表1)。缺陷区切取纵断面疤壳试样，抛光后的疤壳形态见图1。
可见，尚未脱落的疤壳与基体间有界面，在疤壳内和界面上都有孔穴。在界面两侧及孔穴周围的金属中皆无内氧化现象。界面或孔穴含有与表1中A样相同的元素。
图1 抛光后的疤壳形态
图2 疤壳区浸蚀后的组织形态
试样用2%硝酸酒精溶液浸蚀后，同一部位的组织见图2，箭头所指部位为相邻的一块疤壳脱落后留下的坑。退火状态的冷轧板基体组织为晶粒细小而均匀的再结晶铁素体，而疤壳是未发生再结晶的形变铁素体(图2)。文献报道认为富Al的缺陷部位，Al有升高再结晶温度的作用。因此，在相同温度条件下退火后富Al的疤壳仍保留形变组织。
2.1.2 铁素体+珠光体型疤壳
另一板卷(ST12)缺陷区疤壳纵剖面形态见图3所示。疤壳与基体之间有界面，其微区含有与图1的界面相似的元素。但疤壳的组织与图2的不同，其亮区为未再结晶的形变铁素体，暗区为形变珠光体。可以看到，疤壳在箭头所指一端已经断裂脱落，而另一端还保留疤壳与基体部分分离后的孔穴形态。此形态说明在高张力冷轧过程中，疤壳与基体金属在轧向上延伸率不等。金属在水平方向的流动受到牵制，这种形态的孔穴能反映疤壳沿界面分离脱落的过程:含有珠光体的疤壳比起图2那种纯铁素体疤壳硬，与弹性模量低的基体相比，相对弹性刚度比大，冷轧时含有集中夹杂的疤壳(塑性脆化体)不能与软的基体金属同步延伸，弹性模量低的基体可能最先达到屈服状态，在薄弱界面的起始部位(即疤壳与基体在轧制面上的交界处)造成应力集中，形成缩颈分离，但不立即脱落。部分分离的一段疤壳犹如“悬臂梁”，在继续轧制时，“悬臂梁”下层没有足够的支撑而导致部分断裂脱落(箭头所指部位)。然而，散落在带卷表面的金属碎块在轧制压入时的相对运动，将引起平行轧向的板面划伤或磨痕或形成机械损伤型压痕。这种二次损伤便是冷轧板表面线痕缺陷或压痕的原因之一。另一方面，在继续轧制过程中，在轧向板材被拉伸，板厚方向被压缩，载荷从疤壳一端通过基体传递给另一端，从而产生剪应力，使之出现新的进入破坏状态的下层，这便是“相继”破裂，造成局部穿孔的原因。
图3 疤壳纵剖面的组织形态
图
4 斜磨样抛光后缺陷区的形态
2.2 Al2O3型缺陷的微观特征
缺陷的宏观特征为单独的疤/坑或拌有穿孔的疤/坑的ST15冷轧板，在缺陷区沿板厚方向倾斜制备的金相试样，抛光后缺陷区有图4所示的微观特征。扫描电镜高倍观察和EDAX微区成分分析结果(表1中B样)表明深色区是嵌着密集Al2O3的复合非金属夹杂(CNI’s)。沿疤壳界面围成圆环状的夹杂和圆环外堆积的夹杂主要是Al2O3(表1中C样)，文献把这种围成圆环状的Al2O3和环外密集的Al2O3描述成银河系的星团，认为是Al2O3夹杂围绕氩气泡聚集的结果；ChoudharySK等认为，在连铸过程中，钢水中不断析出的细小固态Al2O3不断地粘附在浸入式水口壁上形成瘤状物，当堆积到一定厚度就自然脱落进入结晶器，然后又重新粘附。在非稳态浇铸情况下，周期性脱落的堆积物被卷入凝固壳可能是铸坯皮下(一般深约5mm范围)周期性集中夹杂区的来源。当轧成薄规格板卷时，露于板面的或近表面的集中夹杂区部分碎裂脱落而形成疤/坑缺陷。未脱落的另一块完整疤壳沿板厚方向制样的微观组织见图5所示，仍然是未再结晶的铁素体(亮区)和形变珠光体(暗区)。但疤壳一端也有与基体部分分离而未折断的“悬臂梁”特征。可以想象，疤壳在纵剖面上的形态特征与图3的有些相似。
图5 未脱落的完整疤壳组织形态
图6 斜磨试样缺陷区的微观形态
为冷轧过程中轧制力使孔穴之间接触处的材料产生塑性流动，在部分缩小孔穴体积的同时，流动的金属具有就近充满自由空间(孔穴)的能力。孔穴没有氧化说明在整个热加工过程中缺陷都是封闭的，或在皮下一定深度处。材料几经轧制变薄的同时，皮下缺陷也随之逐渐露于板面大部分疤壳金属中出现高碳组织说明与卷入的保护渣有关，因为高碳物质没有别的途径集中夹杂一起进入到坯壳局部区域。
2.3 表面裂纹型缺陷的微观特征
从外观上看伴有线痕或穿孔的疤/坑是由贯穿板厚的孔洞、线痕和疤/坑共生的一种复杂机制的宏观缺陷。为进一步分析其本质，采用倾斜制样技术，在沿板厚方向抛光的金相试样上，观察未脱落的疤壳界面是内氧化的氧化颗粒和Al2O3夹杂(图8)，在疤壳内和基体金属中也有集中分布的Al2O3。疤壳内深色区为复合夹杂和其内嵌有Al2O3颗粒的混合区，疤壳外围区有大块的浅灰色夹杂。浅灰色夹杂经电子探针分析除Fe外未发现其他元素，用文献的方法鉴定为FeO。尽管氧化铁皮由FeO、Fe3O4和Fe2O3组成，但FeO在最内层，且在氧化铁皮层中大部分是FeO，从这一点也说明图8中的大块灰色夹杂是FeO。
图7 较大疤壳中的缝隙与异常组织
图8 疤壳区的夹杂特征
图8的一个较大疤壳，用2%硝酸酒精浸蚀后，可以清楚地看到疤壳区仍为异常组织，而界面已严重氧化(图9)的现象，说明热轧前连铸坯在均热炉内加热过程中原始缝隙就已氧化，或者浅层皮下缺陷被烧露所致。
在其他板卷的疤/坑缺陷区观察到图10所示的夹杂物。界面仍为氧化铁与Al2O3夹杂。缺陷区有图9中一样的块状氧化铁。如果原始裂缝较深，遗传的缺陷也相对深。这种局部破坏了基体连续性的缺陷不能参与基体金属塑性变形，有可能被拉开成局部裂口。FeO与氧化铁皮中其他相的熔点和金属的熔点相比是一个低熔点相，在加热炉中，FeO的熔化加速了氧化过程和进一步沿晶界的渗透，一方面形成大块的FeO，同时也使缺陷周围的金属发生氧化而不能轧合，这是恶化表面质量的重要因素。
图9 沿缺陷界面的氧化特征
图10 疤/坑缺陷区夹杂物形态
3 表面缺陷形成演化过程
在冷轧前的一批酸洗薄板卷(实际上是热轧板)上发现有零星的表面缺陷。在每个缺陷板卷上切取一段试样后，仍按批量生产条件进行冷轧，然后检查冷轧板卷发现了外貌为疤/坑的缺陷。解剖后其微观组织如图11所示，疤壳仍为异常组织，界面有多种元素，见表1中D样。
为了弄清酸洗薄板卷上缺陷的本质，对剪切下来的缺陷样品进行了详细研究。在酸洗薄板的缺陷区发现了图12所示的界面清晰的热轧“疤”，除了单独的疤壳外，还有较小的小疤群。沿图12所示的疤壳锯开，抛光后仍然显示出疤壳与基体金属间的界面，测其微区成分仍为复合夹杂，见表1中E样；但未发现非常集中的Al2O3。疤壳金属为珠光体+少量铁素体的混合组织。在其他酸洗薄板卷上疤壳区的金相检验发现界面有复合夹杂和集中的Al2O3。这一发现说明冷轧板卷上的疤/坑缺陷来源于热轧板上的表面缺陷。疤/坑缺陷中和界面含有Na、K和复合夹杂物可以认为与连铸卷渣有关。
图11 酸洗薄板上表面缺陷经冷轧后的微观组织
图12 酸洗薄板上的热轧疤形态
为了进一步弄清缺陷来源，考查了疤/坑缺陷相对集中的炉号连铸和热轧工艺记录。除了少数样品记录不完整外，大多数有缺陷的板卷在连铸工序都存在捅水口、或结晶器液位波动或敞浇或者几种情况兼有的记录，从简单的对应关系便可看出，除了机械损伤型和氧化铁皮压入型存在偶然缺陷外，连铸工序非稳态浇铸是产生疤/坑及伴生缺陷的主要原因。这种伴生型表面缺陷，实际形成和变形演化过程可分3个主要阶段，这3个阶段又是一个按顺序必然要连续发生的过程:首先是原始缺陷的形成；热轧后变形的缺陷残留在热轧板上；冷轧过程中缺陷不能与基体一样延伸，或压碎或部分脱落形成凹坑。
4 表面缺陷的控制措施
作者对改进前后的连铸连轧工艺的全程跟踪随机取样与特殊金相分析确定了表面缺陷的主要成因及相应的控制措施。
4.1 复合夹杂型缺陷的控制措施
复合夹杂型缺陷的特征是其夹杂物组成复杂，多为复合相，其形状亦不规则，在连铸坯中呈球形、多边形等原始形态。是典型的二次氧化产物，亦是影响深冲薄板表面质量和冲裂的根源。工艺记录表明，这类缺陷主要伴随着换钢包和浇注末期中间包液面不稳定而产生，此时形成的表面波导致卷渣。为此，从钢包到中间包采用改进后的加长水口，可保护钢流不受二次氧化，同时减轻钢流的表面波而防止卷渣。换钢包时要确保恒定拉速，以确保中间包浇注稳定，而无卷渣现象。
4.2 Al2O3型缺陷的控制措施
此类缺陷由结晶器液面波动造成的弯月面卷渣及保护渣粘度过大，不能有效吸附Al2O3形成。结晶器液面波动是弯月面卷渣的根源，精确控制液面波动，使其幅度小于415mm。对低碳深冲钢系列采用优化后的保护渣配比、液渣层厚度。
4.3 表面裂纹型缺陷的控制措施
此类缺陷在热轧前的连铸坯上就具有原始缝隙。这是因为板坯连铸机的冶金长度很长，直到矫直区都处于液芯状态，由于铸坯坯壳很薄，在内部高温钢水的静压力下，若铸坯外无最佳的支撑装置，坯壳就容易向外胀，产生鼓肚变形，继而产生铸坯内部裂纹并发展为冷轧板上的表面裂纹型缺陷。为保证从源头上消除表面裂纹型缺陷，就必须消除铸坯的鼓肚变形。作者通过连铸工艺试验确定了连铸机二次冷却区夹棍的最佳辊间距，从而基本消除了鼓肚变形及其表面裂纹型缺陷。
5 结论
(1)本研究利用特殊金相制样分析技术结合电子探针微区分析等手段，系统地研究了车辆用系列低碳深冲冷轧板卷表面缺陷的本质及形成原因。
(2)分析了缺陷的形成演化过程及与之密切相关的连铸工艺问题。制定出有效的缺陷控制措施：防止二次氧化；减轻中间包液面与结晶器液面波动从而减少其造成的卷渣；采用优化配比的保护渣、液渣层厚度和最佳辊间距。
(3)对连铸工艺进行上述改进和优化后，表面缺陷得到了有效控制。现已形成稳定的连铸生产新工艺，所生产的618×104t各类车辆用低碳深冲冷轧板卷表面质量合格率达100%，经济效益显著，具有重要的理论意义和工程应用价值。
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