郭云俠，張 迪，于 帥，王道遠(yuǎn)，黃貞益，李 翔

（1.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032；2.南京鋼鐵股份有限公司科技質(zhì)量部，江蘇南京211500）

帶鋼表面質(zhì)量是鋼廠產(chǎn)品質(zhì)量的保證，在鋼鐵的生產(chǎn)銷售中，冷軋帶鋼表面質(zhì)量不僅會(huì)影響企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)效益，還會(huì)影響企業(yè)的整體形象和聲譽(yù)。隨著21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，冷軋帶鋼在工業(yè)、軍工用品、航天業(yè)及電子行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)其表面質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。表面缺陷是影響冷軋帶鋼表面質(zhì)量的主要因素，其中起皮缺陷是最為常見(jiàn)的表面缺陷。研究表明[1-3]:起皮缺陷嚴(yán)重影響冷軋帶鋼產(chǎn)品的表面質(zhì)量，且對(duì)冷軋帶鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重的甚至造成安全問(wèn)題。莊偉[4]對(duì)精密合金Ni42煉鋼冷軋起皮缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，冷軋起皮缺陷主要是煉鋼過(guò)程產(chǎn)生的不規(guī)則形狀的鋁復(fù)合夾雜物和連鑄結(jié)晶器中卷入的保護(hù)渣引起的，通過(guò)對(duì)Al 及Si 的復(fù)合脫氧方式、渣洗、VD(vacuum degassing)真空精煉、連鑄結(jié)晶器流場(chǎng)等控制技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，冷軋起皮缺陷得到顯著改善。曾建華等[5]分析了低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼冷軋起皮缺陷成分差異、夾雜物類型、數(shù)量密度和尺寸分布情況，結(jié)果表明:夾雜數(shù)量密度較大和粒徑大于20 μm的鈉鹽類夾雜較多是引起低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼冷軋起皮的主要原因；為減小卷渣可能性，通過(guò)增加保護(hù)渣表面張力和黏度來(lái)優(yōu)化保護(hù)渣成分。金曉光等[6]對(duì)DQ1J鋼冷軋薄板表面“翹皮”缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，結(jié)果表明:鋼包頂渣中FeO含量較高，煉鋼工序中連鑄防堵吹氬量過(guò)大，澆鑄時(shí)結(jié)晶器中鋼水透過(guò)保護(hù)渣層有較多氣泡冒出；在RH(即鋼液真空循環(huán)脫氣法)精煉前對(duì)鋼包頂渣進(jìn)行改質(zhì)處理和調(diào)整、適當(dāng)控制連鑄中間包塞棒等可有效改善該缺陷。鑒于上述研究成果，為消除冷軋帶鋼表面缺陷，文中以某鋼廠生產(chǎn)的冷軋帶鋼表面出現(xiàn)的不同類型起皮缺陷為研究對(duì)象，分析冷軋帶鋼表面起皮缺陷的成因，探究控制起皮缺陷的主要措施，以期為冷軋帶鋼的生產(chǎn)提供有益借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用冷軋帶鋼為某鋼廠生產(chǎn)的Q345B鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為C 0.169 8，Si 0.196，Mn 1.414 6，Cr+Mo+Ni 0.082 8，Nb 0.012，Ti 0.002 8，V 0.002，Sn 0.0023，Sb 0.001 4，S＜0.02，P＜0.015。

采用線切割機(jī)在冷軋帶鋼表面缺陷處切取大小為10 mm×15 mm的試樣，試樣貫穿缺陷特征部位，以便觀察缺陷處的組織形貌。用JK-450B型超聲波清洗器清洗試樣，然后采用JSM-6510LV型掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)觀察清洗試樣表面，并結(jié)合能譜分析(energy disperse spectroscopy，EDS)及澳普光電UMT203I型光學(xué)顯微鏡(optical microscope，OM)確定缺陷位置處的組織形貌及化學(xué)成分。為進(jìn)一步確定夾雜物成分，從垂直于起皮缺陷的位置切取同樣大小的試樣，對(duì)試樣縱橫截面進(jìn)行鑲嵌、粗磨、細(xì)磨、拋光處理后，采用JSM-6510LV型掃描電鏡(SEM)觀察截面。

2 結(jié)果與分析

2.1 夾雜物聚集引起的起皮缺陷

圖1為冷軋帶鋼表面夾雜物造成的起皮缺陷形貌，圖1(b)為試樣起皮缺陷放大到500倍時(shí)的顯微形貌。由圖1(a)可看出，缺陷部位形貌呈條狀、點(diǎn)狀分布，且分布面積不均勻。由圖1(b)可看到:缺陷內(nèi)部存在較為明顯的夾雜物，尺寸較大；部分夾雜物已壓入基體，成簇集狀分布。

圖1 冷軋帶鋼表面起皮缺陷形貌Fig.1 Appearance of peeling defect on the surface of cold-rolled strip

從圖1所示的起皮缺陷中選取一較大的條帶狀?yuàn)A雜物，觀察其缺陷形貌，結(jié)果如圖2(a)，采用X射線能譜儀對(duì)其進(jìn)行面掃描分析，結(jié)果如圖2(b)。由圖2可看出:該夾雜物的尺寸較大，已壓入基體；夾雜物中含有O，Si，Al，Mn等夾雜類元素，這與文獻(xiàn)[4-7]的結(jié)論一致。

圖3為圖2所示帶狀?yuàn)A雜物不同成分能譜面分布。從圖3可看出，夾雜物含有O，Si，Al，Mn 4種元素，且4種元素均有不同程度的聚集。初步判斷條帶狀?yuàn)A雜物為O，Si，Al，Mn元素組成的硅酸鹽類夾雜。

圖4為垂直于起皮缺陷位置的夾雜物形貌。由圖4(a)可看到，缺陷截面處存在鏈狀?yuàn)A雜物。將試樣進(jìn)一步放大，結(jié)果如圖4(b)。由圖4(b)可看到，黑色連續(xù)的鏈狀?yuàn)A雜均勻分布在表面缺陷延伸方向。

圖2 夾雜物微觀形貌及定性能譜分析Fig.2 Micro morphology and qualitative energy spectrum analysis of inclusions

圖3 夾雜物成分能譜面分布Fig.3 Energy spectral distribution of inclusion components

圖4 起皮缺陷截面SEM形貌Fig.4 SEM appearance of peeling defect section

采用X射線能譜儀對(duì)夾雜物進(jìn)行點(diǎn)掃描分析，結(jié)果如表1。由表1可看出，夾雜物的成分為O，Si，Al，Mg，Ca 5 種元素。綜合分析帶鋼表面缺陷及截面處夾雜物成分結(jié)果可知，該夾雜物由O，Si，Al，Ca 4 種元素構(gòu)成，其為伴少量Mg，Mn 等元素組成的硅酸鹽和結(jié)晶器保護(hù)渣的復(fù)合夾雜[8]。將夾雜物成分與實(shí)際生產(chǎn)工序結(jié)合分析，確定該類夾雜主要來(lái)源于結(jié)晶器保護(hù)渣、耐火材料形成的夾渣及鋼中氧化物與夾渣的反應(yīng)產(chǎn)物。熱軋過(guò)程中溫度較高，起皮處與基體結(jié)合緊密，起皮缺陷不易被發(fā)現(xiàn)；冷軋時(shí)溫度相對(duì)較低，夾雜物表面的金屬薄層與鋼板基體結(jié)合力下降[8-10]，軋制受力后基體與夾雜物分離，形成不規(guī)則的點(diǎn)狀或條帶狀聚集。

表1 起皮缺陷處微觀區(qū)域主要化學(xué)成分，w/%Tab.1 Main chemical components in micro area of peeling defect,w/%

為預(yù)防夾雜物聚集引起的起皮缺陷，首先應(yīng)保證在生產(chǎn)過(guò)程中鋼水的純凈度，合理控制鋼水成分；其次采取有效措施使冶煉過(guò)程中夾雜物充分上浮，并在連鑄過(guò)程中進(jìn)行保護(hù)澆鑄，保證結(jié)晶器液面穩(wěn)定。

2.2 皮下氣泡引起的起皮缺陷

皮下氣泡引起的起皮缺陷形貌如圖5。從圖5(a)可看到，缺陷表面聚集了許多針孔狀氣泡，且氣泡分布不均勻，沿軋制方向有裂紋狀開(kāi)裂。從圖5(b)可看到，缺陷部位有連續(xù)的凸起狀氣泡，且部分氣泡已碎裂。

圖5 氣泡引起的起皮缺陷形貌Fig.5 Morphology of peeling defect caused by bubbles

皮下氣泡引起的起皮缺陷處SEM形貌和能譜分析如圖6。由圖6(a)可看出，缺陷兩側(cè)有光滑的過(guò)渡區(qū)域，說(shuō)明缺陷不是由氧化鐵皮壓入所致，而是軋制過(guò)程中基體內(nèi)氣泡從表面逸出所致。根據(jù)圖6(b)可知，缺陷處主要成分為氧化鐵，且伴有少量硅酸鹽夾雜。綜合分析認(rèn)為，皮下氣泡引起的起皮缺陷是由于鋼液在空氣中的滯留時(shí)間較長(zhǎng)、鋼液與耐火材料的相互作用而產(chǎn)生的。

圖6 氣泡引起的起皮缺陷處夾雜物SEM形貌及能譜分析Fig.6 SEM morphology and energy spectrum analysis of inclusions in peeling defect caused by bubbles

為消除皮下氣泡引起的起皮缺陷，應(yīng)盡量減少鐵水在空氣中的滯留時(shí)間，保證吹氬質(zhì)量；同時(shí)不要過(guò)分暴露鋼水，選用適宜的脫氧劑，避免因脫氧不良造成起皮缺陷；還需注意鋼水過(guò)熱度對(duì)氣孔的影響，使鋼水過(guò)熱度處在合理范圍[11-12]。

2.3 擦傷引起的起皮缺陷

擦傷引起的起皮缺陷形貌如圖7。由圖7(a)可知:缺陷部位形貌呈簇集狀連續(xù)分布，成對(duì)出現(xiàn)在帶鋼表面；缺陷主要集中在冷軋帶鋼的頭尾處，呈金屬亮色，每對(duì)擦傷方向相反。由圖7(b)可知，缺陷呈明顯的長(zhǎng)條狀連續(xù)分布，與基體黑白相間出現(xiàn)，少量的黑點(diǎn)不均勻分布在帶鋼表面。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工序可初步判斷，該缺陷為開(kāi)卷或卷取過(guò)程中相鄰兩層帶鋼間的相對(duì)滑動(dòng)引起。

圖8為擦傷引起起皮缺陷處的SEM形貌及能譜分析。由圖8可知，缺陷表面成分主要由C，F(xiàn)e，Mn 3種元素組成，根據(jù)文獻(xiàn)[13]，擦傷缺陷中一般不含O元素，這與圖8(b)顯示結(jié)果相吻合。圖9為擦傷表面成分能譜面分布。由圖9可看出，C，F(xiàn)e，Mn 3種元素分布較均勻，表面黑點(diǎn)應(yīng)是C，F(xiàn)e元素部分富集所致。

圖7 擦傷引起的起皮缺陷形貌Fig.7 Morphology of peeling defect caused by scratches

圖8 擦傷引起的起皮缺陷處夾雜物SEM形貌及能譜分析Fig.8 SEM morphology and energy spectrum analysis of inclusions in peeling defect caused by scratches

圖9 擦傷表面成分能譜面分布Fig.9 Energy spectrum surface distribution of scratch surface composition

為預(yù)防和減少由擦傷引起的冷軋帶鋼表面缺陷，首先應(yīng)控制板形精度和脫脂機(jī)組卷取工藝參數(shù)；其次，為避免在平整開(kāi)卷過(guò)程中產(chǎn)生層間錯(cuò)動(dòng)而出現(xiàn)擦傷缺陷，應(yīng)選用合理的脫脂機(jī)組和平整機(jī)組的張力設(shè)定值[14]；在保證卷筒與鋼卷內(nèi)徑不產(chǎn)生打滑的前提下，盡量使開(kāi)卷機(jī)卷筒漲徑力減小，以大大降低擦傷缺陷出現(xiàn)的概率。

3 結(jié) 論

1)由夾雜物引起的帶鋼表面起皮缺陷主要來(lái)源為結(jié)晶器保護(hù)渣、耐火材料形成的夾渣以及鋼中氧化物與夾渣的反應(yīng)產(chǎn)物。

2)在軋制過(guò)程中氣泡受到壓力作用延伸的同時(shí)，氣泡內(nèi)部氣體最終由基體表面逸出，導(dǎo)致帶鋼表面產(chǎn)生針孔狀或蜂窩狀起皮缺陷。

3)鋼卷在開(kāi)卷、卷取以及吊運(yùn)過(guò)程中所受的環(huán)向力或軸向力大于鋼卷層與層之間的摩擦力，從而產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，在相互接觸的點(diǎn)或面上產(chǎn)生具有一定深度的擦傷，從而造成擦傷缺陷。