低碳鋼冷軋薄板邊裂缺陷原因分析

胡筱旋，黃磊，王曉峰

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

冷軋鋼板是國(guó)內(nèi)金屬加工制造業(yè)需求量較大的原材料之一，廣泛應(yīng)用于建筑、汽車和家電等領(lǐng)域。與熱軋板相比，冷軋板具有較強(qiáng)的屈服極限，較高的抗拉強(qiáng)度以及良好的深沖性能。由于冷軋板生產(chǎn)具有流程長(zhǎng)，軋制速度快、張力大、帶鋼薄等特點(diǎn)［1］，極易使成品鋼帶產(chǎn)生邊損邊裂缺陷，造成產(chǎn)品報(bào)廢率上升。冷軋板的邊裂缺陷是指在冷軋鋼帶邊緣沿長(zhǎng)度方向的單側(cè)或兩側(cè)出現(xiàn)破裂，呈裂口狀的缺陷［2］。這種缺陷嚴(yán)重影響最終冷軋產(chǎn)品的成材率。不同的生產(chǎn)工況表明，冷軋板出現(xiàn)邊裂缺陷的原因有多種，包括由于原料寬度尺寸不足導(dǎo)致的酸洗圓盤剪切邊不良或間隙量調(diào)整不到位，導(dǎo)位裝置變形或平行度偏離；熱軋冷軋工藝技術(shù)方面存在鋼板寬展方向顯微組織控制不當(dāng)?shù)?。因此冷軋薄板的生產(chǎn)成為鋼鐵行業(yè)集中關(guān)注的重點(diǎn)問題。本文針對(duì)某廠生產(chǎn)的低碳鋼冷軋板某批次出現(xiàn)的嚴(yán)重邊裂缺陷，采用金相檢驗(yàn)分析等手段從原料質(zhì)量到熱軋板、冷軋板橫縱向顯微組織結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行對(duì)比分析，探究其邊裂缺陷的形成原因，為消除邊裂缺陷，提高冷軋板表面質(zhì)量提供依據(jù)。

1 冷軋板邊裂缺陷理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀形貌

具有邊裂缺陷的冷軋薄板具體軋制生產(chǎn)工藝流程如下：

（1）熱軋工藝：連鑄坯原料加熱—粗軋—精軋—卷取—熱軋板原料（厚度為5 mm）。

（2）冷軋工藝：熱軋板酸洗—冷軋—堿洗—退火—涂層—冷軋板成品（厚度為1.4 mm）。

發(fā)生邊裂缺陷的冷軋板宏觀缺陷形貌見圖1。在冷軋板縱向板邊端部明顯可見缺肉和齒狀缺陷，裂口形態(tài)不一，但均向內(nèi)或傾斜向內(nèi)延伸，開口大，尖端窄小，沿著整個(gè)板寬長(zhǎng)度分布，裂紋最大深度約為3 mm。

圖1 宏觀缺陷形貌Fig.1 Macroscopic Appearance of Defect

1.2 化學(xué)成分檢測(cè)

從冷軋板邊部缺陷位置處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。經(jīng)檢測(cè)其成分符合生產(chǎn)廠標(biāo)要求，無異常值。

表1 缺陷冷軋板化學(xué)成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Analysis on Chemical Compositions of Cold Rolled Sheet with Defects（Mass Fraction） %

1.3 金相觀察分析

1.3.1 冷軋板缺陷檢驗(yàn)分析

在冷軋板缺陷位置截取金相試樣，經(jīng)過磨制拋光后，置于蔡司200MAT光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察。試樣橫向開口處可觀察到一短粗裂紋傾斜向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋周圍無異常夾雜。用4%硝酸酒精腐蝕后觀察，發(fā)現(xiàn)鋼板基體顯微組織為鐵素體和沿晶分布的碳化物，冷軋鋼板基體顯微組織形貌見圖2。

圖2 基體顯微組織形貌Fig.2 Microstructure in Matrix

裂紋位置顯微組織為鐵素體+碳化物，并呈現(xiàn)出較明顯的組織流變現(xiàn)象，鐵素體晶粒隨流變變形而拉長(zhǎng)，裂紋沿著聚集分布的晶界及碳化物擴(kuò)展。鋼板邊部無脫碳現(xiàn)象，橫向開口處裂紋形貌如圖3所示。試樣縱向邊部有多條裂紋傾斜約45°向內(nèi)部延伸，起裂處多為微裂紋，沿晶擴(kuò)展且末端粗大，周圍無異常夾雜，裂紋周圍也未見明顯脫碳現(xiàn)象。腐蝕后可見顯微組織呈流變狀態(tài)，縱向邊部缺陷處裂紋形貌如圖4所示。缺陷處的裂紋形態(tài)表明，冷軋板存在變形不均現(xiàn)象。按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定試樣基體夾雜物，夾雜級(jí)別為D1.0級(jí)，符合鋼板基體純凈度的要求。

圖3 試樣橫向開口處裂紋形貌Fig.3 Appearance of Cracks at Transverse Opening of Sample

圖4 試樣縱向邊部缺陷處裂紋形貌Fig.4 Appearance of Cracks Where Defects Occurred at Longitudinal Edge of Sample

1.3.2 熱軋板板寬區(qū)域顯微組織觀察

為進(jìn)一步探明冷軋板邊部混晶組織在整個(gè)軋制過程中的演變規(guī)律，取缺陷板所用的熱軋板原料，從邊部到中心取樣進(jìn)行金相觀察（邊部為現(xiàn)場(chǎng)軋機(jī)操作側(cè)及傳動(dòng)側(cè)），基體夾雜物均符合純凈度標(biāo)準(zhǔn)，熱軋板邊部的顯微組織為鐵素體、三次滲碳體及少量碳化物，顯微組織中三次滲碳體大部分分布在鐵素體晶界。觀察發(fā)現(xiàn)，鋼板邊部晶粒存在明顯大小不均現(xiàn)象，局部晶粒粗大，最大晶粒度級(jí)別為8.5級(jí)，最小為7.0級(jí)，板邊混晶區(qū)域?qū)挾燃s為15～25 mm；中心部位晶粒大小趨于均勻，晶粒度為7.5級(jí)。熱軋板寬度范圍顯微組織分布情況見表2，各部位晶粒度形貌見圖5。

表2 熱軋板寬度范圍顯微組織分布情況Table 2 Distribution of Microstructures in Width Range of Hot Rolled Sheet

圖5 晶粒度形貌Fig.5 Appearance of Grain Size

1.3.3 掃描電鏡觀察

從冷軋板邊裂缺陷處取斷口試樣，經(jīng)清洗后置于SUPR400掃描電鏡下，觀察缺陷的斷口形貌，掃描微觀形貌及微區(qū)成分測(cè)定結(jié)果見圖6，從撕裂的開口最大位置到裂紋尖端附近未見異常夾雜物，整個(gè)斷口呈韌窩狀形態(tài)特征，屬韌性斷裂。

1.4 熱軋板力學(xué)性能檢驗(yàn)

取熱軋?jiān)习暹M(jìn)行力學(xué)性能測(cè)定，在板寬方向即操作側(cè)、中心及傳動(dòng)側(cè)位置分別截取縱向（軋制方向）拉伸試樣，對(duì)熱軋板全板寬方向測(cè)定試樣力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 熱軋板力學(xué)性能結(jié)果Table 3 Mechanical Properties of Hot Rolled Steel Sheets

由結(jié)果可知，熱軋板全寬度范圍的力學(xué)性能較為平穩(wěn)，沒有明顯差異，熱軋板傳動(dòng)側(cè)較操作側(cè)有所降低，但均在技術(shù)要求范圍之內(nèi)。

2 分析與討論

冷軋板邊裂缺陷的產(chǎn)生原因較復(fù)雜，它與鋼的化學(xué)成分、連鑄坯質(zhì)量、冷軋基板狀態(tài)、熱軋工藝中板坯的加熱制度以及控軋控冷制度等都有較大的相關(guān)性［3］，往往是幾種因素綜合作用所致。通過對(duì)以上檢驗(yàn)結(jié)果分析可知，受檢批次的缺陷冷軋板基體成分符合生產(chǎn)廠標(biāo)要求，邊裂缺陷處無異常夾雜和脫碳現(xiàn)象，說明這種邊裂缺陷與鋼質(zhì)無關(guān)。由冷軋板邊裂缺陷位置晶粒大小不均，存在較明顯組織流變現(xiàn)象，鐵素體晶粒隨流變變形而拉長(zhǎng)，以及裂紋沿著聚集分布的晶界及碳化物擴(kuò)展這一系列特征分析，此邊裂缺陷與鋼板邊部顯微組織中的晶粒變化不均有關(guān)，而這種晶粒不均勻與熱軋板卷原料有關(guān)［4］。顯微組織觀察可見，熱軋板中心部位晶粒大小趨于均勻，晶粒度為7.5級(jí)，但邊部顯微組織存在明顯的鐵素體晶?；炀КF(xiàn)象，混晶區(qū)域?qū)挾燃s為15～25 mm，局部晶粒粗大，晶粒度為8.5/7.0級(jí)。從熱軋板全寬度范圍的力學(xué)性能可知，傳動(dòng)側(cè)較工作側(cè)有所降低。

就軋制過程中顯微組織發(fā)生相變而言，熱軋板板寬范圍的顯微組織形態(tài)由熱軋的軋制工藝決定。當(dāng)熱軋的終軋溫度位于奧氏體區(qū)或兩相區(qū)時(shí)，相變使熱軋板的顯微組織變?yōu)榧?xì)小的完全再結(jié)晶等軸晶粒；當(dāng)終軋溫度低于（Ar1-100）℃時(shí)，其顯微組織就是由伸長(zhǎng)變形的鐵素體和再結(jié)晶鐵素體組成的混合組織，終軋溫度越低，熱軋?jiān)俳Y(jié)晶越困難，再結(jié)晶率越低，再結(jié)晶晶粒越細(xì)?。?］。因此，可以認(rèn)為，熱軋板在軋制過程中，中間位置均勻的顯微組織晶粒是發(fā)生了完全再結(jié)晶的結(jié)果。由于終軋溫度從鋼板邊部到心部逐漸升高，然后趨于均勻，因此鋼板發(fā)生再結(jié)晶的鐵素體從邊部向心部逐漸增加，而且再結(jié)晶晶粒也逐漸增大，在發(fā)生完全再結(jié)晶的心部鐵素體晶粒大小趨于均勻［5］，而接近板邊部位散熱速度快，使距邊部一定范圍內(nèi)（25 mm）的終軋溫度低（Ar1-100）℃，熱軋板邊部組織就呈現(xiàn)出未發(fā)生再結(jié)晶的纖維狀鐵素體和部分再結(jié)晶的等軸鐵素體混合組織。在隨后的多道次冷軋過程中，邊部這種具有嚴(yán)重混晶狀態(tài)的組織則產(chǎn)生較大的不均勻變形，原始的粗晶粒最先產(chǎn)生屈服，晶粒之間位錯(cuò)滑移，而細(xì)晶粒屈服強(qiáng)度較高，位錯(cuò)滑移機(jī)制后于粗大晶粒啟動(dòng)。這樣粗晶粒中的位錯(cuò)滑移到混晶界面時(shí)運(yùn)動(dòng)受到阻礙，造成晶間應(yīng)力集中［2］，使冷軋板邊部不能均勻協(xié)調(diào)一致變形，當(dāng)粗晶粒應(yīng)力集中位置所受到的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)便產(chǎn)生微裂紋，隨著不均勻變形的繼續(xù)，微裂紋會(huì)沿著具有較多碳化物或三次滲碳體的晶界擴(kuò)展，導(dǎo)致冷軋板邊部撕裂，形成宏觀的邊裂缺陷。

3 結(jié)語

受檢的低碳鋼冷軋薄板發(fā)生邊裂缺陷的主要原因是由于鋼板邊部存在較嚴(yán)重的混晶現(xiàn)象，致使鋼板在初始冷軋階段，邊部粗細(xì)晶粒不能發(fā)生均勻變形，形成局部應(yīng)力集中而萌生微裂紋，隨著變形的加劇，裂紋沿著具有較多的碳化物或三次滲碳體的晶界擴(kuò)展，最終形成冷軋板的宏觀邊裂缺陷。冷軋板邊部的混晶組織是由熱軋板遺傳所致。