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

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車用冷軋超深沖鋼板的品種和質(zhì)量也提出越來越高的要求，如優(yōu)異的成形性能、焊接性能、表面質(zhì)量以及耐腐蝕性等，其中表面質(zhì)量尤為重要。然而生產(chǎn)過程中，冷軋超深沖鋼板的表面非常規(guī)缺陷種類很多，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。其中冷軋板表面的帶狀缺陷就是困擾冷軋汽車板表面質(zhì)量的難題之一[1-3]。

本鋼生產(chǎn)冷軋超深沖鋼板時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)一類帶狀缺陷，該類帶狀表面缺陷呈不規(guī)則的長條狀疤坑，形貌多樣，成品板厚小于1 mm的薄規(guī)格冷軋深沖鋼板甚至產(chǎn)生 孔洞，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的表面質(zhì)量。然而由于冷軋超深沖鋼板表面缺陷的產(chǎn)生貫穿于冶煉、連鑄、熱軋、冷軋、退火、平整和精整的整個(gè)生產(chǎn)工藝過程，諸多因素均會(huì)造成冷軋板出現(xiàn)這種缺陷。因此本文通過宏觀分析，借助掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)，觀察帶狀缺陷處的微觀結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行定性分析，從而查找此類帶狀缺陷產(chǎn)生的原因，進(jìn)而探討消除該類缺陷的主要措施 。

試驗(yàn)材料及方法

本文試驗(yàn)材料選自本鋼超深沖帶鋼生產(chǎn)中出現(xiàn)帶狀缺陷的冷軋板SPCUD，厚度為1.0 mm。生產(chǎn)工藝過程為鐵水預(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→檢驗(yàn)入庫。

首先在現(xiàn)場觀測冷軋板上帶狀缺陷部位的宏觀形貌，記錄缺 陷的形貌、大小以及出現(xiàn)的位置等。然后從該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)分別觀察帶狀缺陷部位的上、下表面的微觀形貌并采用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(diǎn)掃描及面掃描的方法對微觀區(qū)域進(jìn)行成分分析。而后制備缺陷的截面樣品，并觀察截面樣品的形貌并進(jìn)行缺陷部位的成分分析。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

缺陷的宏觀分析

冷軋板表面帶狀缺陷試樣上、下表面的宏觀形貌如圖1所示，可見該缺陷沿軋制方向分布，呈長條狀疤坑，兩頭尖，長約50 mm，寬約3.5 mm。清洗后，缺陷部位呈亮白色，基體為深灰色，上下表面缺陷處粗糙、凹凸不平，均出現(xiàn)與軋制方向成約45度角的擦痕。此類形貌缺陷，通卷不連續(xù)且無規(guī)律出現(xiàn)，缺陷出現(xiàn)頻次較低。

缺陷的SEM表面及截面分析

◆ 缺陷的上表面SEM分析

將帶狀缺陷樣品用超聲波儀器清洗后吹干，將其在掃描電鏡下放大進(jìn)行觀察。首先觀察該缺陷樣品的上表面形貌，如圖2所示。圖2(a)為該位置在掃描電鏡放大到30倍下的二次電子像形貌，可見正常部位平坦光滑，而缺陷部位則有明顯的分層。進(jìn)一步放大后觀察分層處的局部形貌，圖2(b)為樣品在掃描電鏡放大到500倍下分層處的二次電子像形貌，紅色方框內(nèi)可見深灰色的基體上分布著大大小小的凹坑，凹坑里有許多黑色顆粒物。

圖1 帶狀缺陷樣品的宏觀形貌。(a)樣品上表面形貌；(b)樣品下表面形貌

圖2 缺陷試樣上表面缺陷SEM形貌。(a)整體形貌；(b)局部形貌

在這些黑色點(diǎn)狀顆粒物中選取其中一個(gè)較大的顆粒物，觀察其具體的形貌。如圖3(a)所示為2000倍下該顆粒物的二次電子像形貌，可見圖2(b)中凹坑里的黑色顆粒棱角分明、完好地被包裹在基體中，尺寸小于10 μm。采用X射線能譜儀對該顆粒物進(jìn)行點(diǎn)掃描，其成分能譜圖如圖3(b)所示，可以看出此顆粒物的成分含有O、Al和Fe等元素。圖4為該顆粒物的面分布圖，可以看到顆粒物中O、Al元素以及基體中Fe元素的分布情況，圖4中尖晶石狀的顆粒主要成分是O和Al元素，鋼板基體的主要成分為Fe元素。推斷該顆粒物為Al2O3氧化物。

◆ 缺陷的下表面SEM分析

繼續(xù)觀察帶狀缺陷樣品的下表面形貌，圖5(a)為該缺陷樣品在掃描電鏡下放大到800倍的形貌，可見缺陷處有許多顆粒物。進(jìn)一步放大到2000倍，繼續(xù)觀察顆粒物的形貌，如圖5(b)所示，其形貌與圖3(a)的形貌十分相似。

分別選取圖5中1#~6#顆粒物，采用能譜儀對其進(jìn)行點(diǎn)掃描分析，顆粒物的點(diǎn)掃描的定量分析結(jié)果見表1?？梢钥闯?#~6#的這些顆粒物的成分含有O、Al、Cr和Fe等元素，除6#外其他顆粒物中O和Al元素的重量百分比含量占總含量的79%以上，因此可以推斷顆粒狀聚集物為Al2O3氧化物。

圖3 顆粒物的SEM二次電子像形貌以及定性分析的能譜圖

圖4 顆粒物的成分能譜面分布圖

圖5 帶狀缺陷試樣下表面SEM形貌

◆ 缺陷的SEM截面分析

進(jìn)一步分析樣品截面的形貌及成分，如圖6所示，(a)為缺陷樣品在掃描電鏡放大到1500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，缺陷處包裹著約10 μm大小的黑色顆粒物，(b)為該顆粒物的成分能譜圖，可見含有O、Cr、Al、Ti和Fe等元素。采用X射線能譜儀分別對圖6(a)中的黑色顆粒物做點(diǎn)掃描，其化學(xué)元素及重量百分比見表2?？梢娺@些顆粒物的成分含有O、Al、Ti和Fe等元素，其中1#和2#區(qū)域的O和Al元素的重量百分比含量占總含量的98%以上，可能由于3#區(qū)域的黑色顆粒物比較小，X射線能譜分析的輻射范圍覆蓋了基體的部位，所以Fe元素重量百分比較1#和2#區(qū)域的高。由此推斷該缺陷樣品的截面形貌圖6(a)中的1#和2#區(qū)域的顆粒物亦為Al2O3氧化物。

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

圖6 帶狀缺陷試樣截面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?jǐn)?shù)) %

討論

從試樣表面帶狀缺陷的宏觀照片圖1可以看出該缺陷沿軋制方向分布，上下表面均呈現(xiàn)長條狀疤坑，兩頭尖，缺陷處粗糙、凹凸不平。通過掃描電子顯微鏡逐級放大后分別觀察其上表面、下表面以及截面的帶狀缺陷處形貌，并用X射線能譜儀對顆粒物進(jìn)行定性及定量分析。結(jié)果表明，缺陷部位由許多顆粒物組成，這些顆粒含有化學(xué)元素O和Al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，推斷該類帶狀缺陷處的顆粒物為以Al2O3為主的夾雜物。而這些Al2O3夾雜物的尺寸均小于10 μm，其很大可能是來源于連鑄坯中的浸入式水口的粘附物。在連鑄過程中，鋼水中不斷析出的細(xì)小固態(tài)Al2O3不斷地粘附在浸入式水口壁上形成瘤狀物，當(dāng)堆積到一定厚度就自然脫落浸入結(jié)晶器，然后又重新粘附。在非穩(wěn)態(tài)澆鑄情況下，周期性脫落的堆積物被卷入凝固坯殼，在后續(xù)的生產(chǎn)過程中暴露于鋼板表面。在隨后的熱軋、冷軋過程中較大的Al2O3夾雜被碾碎，不均勻地分布在鐵基體上，部分細(xì)小的Al2O3顆粒未被碾碎，鑲嵌于其中，如圖5所示，最終冷軋后暴露在冷軋板表面上，形成了冷軋板表面帶狀缺陷。一般來說，最終產(chǎn)品厚度越薄，夾雜物帶來的表面缺陷越嚴(yán)重，而成品板材厚度小于1 mm的極容易產(chǎn)生孔洞缺陷[4-6]。

減少夾雜物，提高潔凈度，是獲得高品質(zhì)冷軋超深沖鋼板表面的關(guān)鍵。在煉鋼工藝過程中，為防止夾雜物的卷入，浸入式水口的浸入深度、保護(hù)渣的黏度、氬氣流速等重要因素要控制好，但更重要的是減少結(jié)晶器液面的波動(dòng)。改善相關(guān)的煉鋼工藝措施可以消除或減弱冷軋板表面帶狀缺陷的發(fā)生。

結(jié)論

(1) 冷軋超深沖鋼板表面帶狀缺陷處含有夾雜物顆粒，推斷化學(xué)成分為Al2O3氧化物。

(2) 此類帶狀缺陷是由夾雜物引起的，來源于連鑄過程中浸入式水口內(nèi)壁的粘附物。在軋制過程中較大的Al2O3夾雜被碾碎，不均勻地分布在鐵基體上，部分細(xì)小的Al2O3顆粒未被碾碎，鑲嵌于基體中。

(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，其次要控制好浸入式水口的浸入深度、保護(hù)渣的黏度、氬氣流速等重要因素，減少結(jié)晶器液面的波動(dòng)選等相關(guān)煉鋼工藝。

[1] 彭其春, 趙金濤, 田俊, 等. 冷軋深沖鋼中夾雜物分析. 煉鋼, 2011,27(02): 25

[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, (04): 12

[3] 李光瀛, 馬鳴圖. 我國汽車板生產(chǎn)現(xiàn)狀及展望. 軋鋼, 2014, 31(04):22

[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] 宋進(jìn)英, 趙遠(yuǎn), 陳連生, 等. 冷軋板線狀缺陷分析及成因研究. 鋼鐵釩鈦. 2013, 34(03): 107