深沖IF 鋼三次氧化鐵皮的分析與控制

供稿|梁亞，胡華東，孫明雙

內(nèi)容導(dǎo)讀

針對(duì)深沖IF 鋼出現(xiàn)表面三次氧化鐵皮的情況，采用鎢燈絲掃描電子顯微鏡（SEM）和三維形貌儀等分析設(shè)備，對(duì)深沖IF 鋼表面三次氧化鐵皮微觀形貌、三維形貌及元素組成進(jìn)行了分析，研究了深沖IF 鋼三次氧化鐵皮形成機(jī)理和原因。結(jié)合熱軋現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)績(jī)，提出定期更換精軋輥、熱軋降低精軋過(guò)程軋制溫度、開(kāi)啟機(jī)架間冷卻水等措施，達(dá)到對(duì)深沖IF 鋼三次氧化鐵皮的控制。

深沖IF 鋼作為鋼鐵企業(yè)的主要冷軋產(chǎn)品之一，主要是利用板材的塑性變形，經(jīng)過(guò)一次或多次沖壓加工以形成所需穩(wěn)定的最終形狀，因此被廣泛應(yīng)用于汽車制造、家電生產(chǎn)及管件成型等行業(yè)[1]。隨著鋼鐵市場(chǎng)同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，幾乎所有的鋼鐵制造商都將研發(fā)和生產(chǎn)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到高端家電鋼和汽車用鋼領(lǐng)域以求擺脫困局。但是深沖IF 鋼產(chǎn)品在市場(chǎng)上是一個(gè)相對(duì)成熟的產(chǎn)品，市場(chǎng)份額已經(jīng)被寶鋼、首鋼、馬鋼等大型鋼鐵企業(yè)占據(jù)，而且隨著客戶需求的提高，僅僅是滿足國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)是不能滿足客戶的需要的，客戶對(duì)深沖IF 鋼產(chǎn)品從性能到表面質(zhì)量等都提出了更為嚴(yán)格的要求[2]。深沖IF 鋼具有良好的深沖性能，能夠沖壓成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件。深沖IF 鋼的表面質(zhì)量好壞會(huì)嚴(yán)重影響零部件沖壓后的表面質(zhì)量，因此在對(duì)深沖IF 鋼性能控制的同時(shí)要進(jìn)行表面質(zhì)量控制。氧化鐵皮是深沖IF 鋼常見(jiàn)的一種表面缺陷，該種缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致深沖IF 鋼產(chǎn)品降級(jí)改判，進(jìn)而對(duì)鋼鐵制造生產(chǎn)和訂單交付帶來(lái)很大的影響，其中三次氧化鐵皮無(wú)法通過(guò)調(diào)整熱軋加熱工藝、除鱗水壓力以及酸洗參數(shù)等常規(guī)手段去除，本文對(duì)深沖IF 鋼三次氧化鐵皮進(jìn)行宏觀形貌、微觀形貌、三維形貌及元素組成分析和研究，并制定有針對(duì)性的改善措施，實(shí)現(xiàn)減少深沖IF 鋼表面三次氧化鐵皮的產(chǎn)生。

實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)料取自山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司工業(yè)化生產(chǎn)的連退深沖IF 鋼板，鋼板規(guī)格為： 0.8 mm×1250 mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，不含Cr、Ni 等元素。工廠生產(chǎn)工藝流程如下：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→RH 真空精煉→連鑄→熱軋→酸連軋→連續(xù)退火→平整。

表1 深沖IF 鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

深沖IF 鋼三次氧化鐵皮宏觀形貌

一般三次氧化鐵皮較難發(fā)現(xiàn)和識(shí)別，故控制起來(lái)比較困難，且隨鋼種、工藝等不同其形貌、特征表現(xiàn)變化較大。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)的深沖IF 鋼表面殘留的三次氧化鐵皮存在位置進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其只存在冷軋卷的下表面，肉眼觀察每塊缺陷出現(xiàn)位置之間間隔較大，缺陷呈黑色，有“彗星尾”，長(zhǎng)度約1~5 mm。

針對(duì)上述情況調(diào)查缺陷卷對(duì)應(yīng)熱軋?jiān)暇肀砻媲闆r，無(wú)任何肉眼可見(jiàn)缺陷。

圖1 深沖IF 鋼三次氧化鐵皮宏觀形貌圖

深沖IF 鋼三次氧化鐵皮三維形貌分析

利用三維形貌儀對(duì)深沖IF 鋼三次氧化鐵皮位置進(jìn)行三維形貌觀察，具體見(jiàn)圖2。對(duì)缺陷處進(jìn)行超聲波震蕩清洗，去除殘留雜質(zhì)，利用三維形貌儀對(duì)三次氧化鐵皮附著位置進(jìn)行不同倍數(shù)下三維形貌觀察。從觀察結(jié)果可看出，對(duì)照設(shè)備標(biāo)尺，在最小倍數(shù)下觀察缺陷位置，缺陷寬度約為200 μm，呈“長(zhǎng)條”狀分布在鋼板表面，有一定深度，最深處約為22 μm 左右（圖2（b））；增加觀察倍數(shù)后可發(fā)現(xiàn)三次氧化鐵皮呈嵌入式嵌入基體表層，根據(jù)對(duì)應(yīng)標(biāo)尺也可看出缺陷較深處約為11.566 μm，較淺位置約1~2 μm，氧化鐵皮間斷、不致密，呈現(xiàn)分層狀態(tài)，深淺不一（圖3），結(jié)構(gòu)較為疏松。

圖2 深沖IF 鋼三次氧化鐵皮尾部三維形貌圖：（a）俯視圖；（b）側(cè)視圖

圖3 深沖IF 鋼三次氧化鐵皮分層處三維形貌圖：（a）俯視圖；（b）側(cè)視圖

深沖IF 鋼三次氧化鐵皮掃描電鏡分析

采用鎢燈絲掃描電子顯微鏡（SEM）及配套的能譜儀（EDS）對(duì)上述深沖IF 鋼表面觀察到的三次氧化鐵皮進(jìn)行微觀形貌觀察及元素組成分析，可以清晰看到三次氧化鐵皮表面不平整（圖4），存在一些深度較淺的凹坑及劃痕，劃痕方向與鋼板軋制方向相同，呈嵌入式嵌入基體。對(duì)缺陷位置放大后觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷處存在一些褶皺、表面凹凸不平，缺陷位置處明顯存在幾塊與基體黏連的“鐵皮”。通過(guò)對(duì)該處位置進(jìn)行元素組成分析可發(fā)現(xiàn)，該處在掃描電鏡的能譜圖中顯示含有Fe、O、Cr、Ni 等元素（圖5），F(xiàn)e 和O 為典型的氧化鐵皮特征。精軋輥換輥后表面氧化膜剝落情況如圖6 所示。

圖4 深沖IF 鋼三次氧化鐵皮掃描電鏡圖

圖5 深沖IF 鋼三次氧化鐵皮掃描電鏡微觀形貌圖及其能譜分析

圖6 更換下精軋輥的氧化膜剝落

熱軋精軋區(qū)軋輥采用高Cr、Ni 成分的輥?zhàn)?，工作層的成分如? 所示。上述實(shí)驗(yàn)中，對(duì)三次氧化鐵皮出現(xiàn)位置進(jìn)行元素組成分析，能譜結(jié)果可見(jiàn)較明顯的Cr、Ni 元素信號(hào)，而出現(xiàn)三次氧化鐵皮的基體深沖IF 鋼中并未含有Cr、Ni 等成分，可以確認(rèn)缺陷處的Cr、Ni 成分來(lái)自于精軋輥。

表2 精軋輥工作層化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

精軋F(tuán)1~F3 機(jī)架工作輥在高溫、高壓、大壓下量和驟冷驟熱條件下工作，其輥面氧化膜周期性承受巨大的交變應(yīng)力，達(dá)到一定疲勞極限后，輥面氧化膜中微裂紋在裂紋源處產(chǎn)生、擴(kuò)展。裂紋尺寸長(zhǎng)大到一定程度時(shí)，垂直于輥面的裂紋與平行于輥面的裂紋匯合，在工作輥和熱軋帶鋼間強(qiáng)大的剪應(yīng)力作用下，輥面氧化膜剝落[3]。主要原因是輥?zhàn)又械腘i 在鐵中的擴(kuò)散系數(shù)低，以薄膜的形式聚集在合金核心周圍，該薄膜降低氧化速率，但是在氧化物中形成Ni 合金網(wǎng)狀使軋制過(guò)程中氧化物的粘附力升高，從而導(dǎo)致軋入氧化鐵皮，隨Ni 含量增加而變得更為嚴(yán)重。本文提到的三次氧化鐵皮就屬于軋制過(guò)程中軋輥輥面氧化膜的剝落，在后續(xù)機(jī)架中被碾入帶鋼表面，形成帶“彗星尾”形貌的三次氧化鐵皮。

結(jié)束語(yǔ)

深沖IF 鋼的生產(chǎn)，從板坯加熱到粗軋、精軋、卷取及之后的冷卻，整個(gè)熱軋帶鋼生產(chǎn)過(guò)程一直伴隨著氧化，精軋過(guò)程中和精軋后、卷取前生成的為“三次氧化鐵皮”[4]。肉眼觀察深沖IF 鋼表面三次氧化鐵皮的呈黑色、有“彗星尾”，且該處位置的元素組成中含有Cr、Ni 等特征成分，也證實(shí)三次氧化鐵皮來(lái)自于精軋輥。根據(jù)資料顯示，首鋼某汽車板生產(chǎn)線在生產(chǎn)過(guò)程中，除鱗系統(tǒng)故障和輥道熱劃傷導(dǎo)致的氧化鐵皮缺陷比例低于5%，但由于精軋機(jī)架間帶鋼溫度偏高，精軋工作輥輥面不良，導(dǎo)致的三次氧化鐵皮缺陷比例高達(dá)95%。通過(guò)投用了機(jī)架間除鱗裝置、工藝水改造、控制軋輥輥面質(zhì)量和控制軋制過(guò)程溫度等措施有效解決三次氧化鐵皮[5]。結(jié)合研究結(jié)果和其他廠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，為控制深沖IF 鋼三次氧化鐵皮的產(chǎn)生，需要定期更換精軋輥、降低精軋過(guò)程軋制溫度[6]、開(kāi)啟機(jī)架間冷卻水等[7]。

經(jīng)過(guò)采取三次氧化鐵皮的相應(yīng)控制措施之后，深沖IF 鋼在2022 年下半年未再出現(xiàn)批量的三次氧化鐵皮，控制效果明顯。