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        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

        2020-03-03 04:39:50
        工業(yè)加熱 2020年1期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼

        (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、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圍的正常表面明顯降低,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)周圍正常區(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圍的正常表面明顯降低,缺陷區(qū)域較正?;w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。

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