機(jī)架間冷卻水對UF340表面組織均勻性的影響研究

李奕 關(guān)建東 尉冬 金磊 王明哲 付光

作者簡介：李奕（1992—），女，博士學(xué)位，研究方向?yàn)椴牧峡茖W(xué)與工程。

基金項(xiàng)目：中信鈮鋼發(fā)展獎勵基金資助項(xiàng)目（M1922-2023，2023FWNB-30120）。

參考文獻(xiàn)引用格式：

李奕， 關(guān)建東， 尉冬， 等. 機(jī)架間冷卻水對UF340表面組織均勻性的影響研究[J]. 汽車工藝與材料， 2024（6）： 31-35.

LI Y， GUAN J D， WEI D， et al. Effects of Cooling Water between Rolling Mills on Surface Microstructure Uniformity of UF340[J]. Automobile Technology & Material， 2024（6）： 31-35.

摘要：利用熱軋試驗(yàn)及全流程跟蹤研究了機(jī)架間冷卻水開閉對UF340表面組織均勻性的影響。結(jié)果表明：機(jī)架間冷卻水對熱軋卷沿板寬方向的組織均勻性有一定影響，且部分會遺傳至成品組織；機(jī)架間冷卻水全開時，成品距邊部1/4處表面晶粒存在少量未再結(jié)晶組織，而后部機(jī)架間冷卻水冷卻關(guān)閉后，由于熱軋時再結(jié)晶較充分，成品組織沿板寬方向一致性較好，成品表面為細(xì)小的完全再結(jié)晶組織，有利于材料表面鮮映性的提升；UF340的細(xì)小均勻的組織特性使其涂漆變形后的波紋度僅為0.169 μm，表面鮮映性（DOI）值達(dá)到92，滿足主機(jī)廠免中涂表面質(zhì)量要求。

關(guān)鍵詞：UF鋼 機(jī)架間冷卻水 微觀組織 表面質(zhì)量

中圖分類號：TG142.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240104

Effects of Cooling Water between Rolling Mills on Surface Microstructure Uniformity of UF340

Li Yi1， Guan Jiandong1， Wei Dong2， Jin Lei2， Wang Mingzhe1， Fu Guang1

（1. Beijing Shougang Co.， Ltd.， Tangshan 064404; 2. Research Institute of Technology of Shougang Group Co.， Ltd.， Beijing 100043）

Abstract： The effect of cooling water between rolling mills on the surface microstructure uniformity of UF340 was investigated using hot rolling experiments and full-process tracking. The results show that the cooling water between rolling mills has certain effect on the organization uniformity of the hot rolled coil along the transverse direction， and will be partially inherited to the final UF340 strip organization. When the cooling water between rolling mills is fully open， a small amount of non-recrystallized grain is retained on the surface of the final UF340 strip located at about 1/4 from the edge. When the latter part of water between rolling mills is closed， due to the full recrystallization during hot rolling， the final product has a better consistency of the organization along the transverse direction， presenting a fine and fully recrystallized tissue on the surface， which is beneficial to improving surface Distinctness of Image （DOI） of the material. The extraordinary uniformity of the microstructure makes the waviness of the UF340 after painting and deforming is as low as 0.169 μm， and DOI value reaches 92， which fully meets the requirements of the surface quality for the intercoat-free coating process.

Key words： UF340， Cooling water， Microstructure， Surface quality

1 前言

乘用車外觀造型設(shè)計越來越注重美觀及流線型化，外覆蓋件（發(fā)動機(jī)罩、翼子板、行李箱蓋）的沖壓難度越來越大，加之環(huán)保、碳排放等政策要求，外板選材趨向更高強(qiáng)度級別，主機(jī)廠對車身外覆蓋件用鋼的強(qiáng)度、局部成形性、性能穩(wěn)定性、免中涂特性及涂裝鮮映性等要求越來越高。新型免中涂涂裝工藝優(yōu)化了涂料體系，降低了能源消耗、碳排放和污染物排放[1]，有利于汽車產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展。但由于免中涂涂裝工藝漆膜厚度減薄20%以上，滿足汽車鮮映性（Distinctness Of Image，DOI）要求的難度大。DOI是指漆膜表面反射影像的清晰度，是整車感觀效果的定量評價指標(biāo)[2]，高的DOI值是汽車廠商外觀質(zhì)量的永恒追求。DOI值與汽車板材沖壓后的表面波紋度直接相關(guān)，德國鋼鐵行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SEF 1941-2012中定義了波紋度算數(shù)平均值Wsa，是目前用于評價板材表面質(zhì)量的常用指標(biāo)之一。

除外觀要求外，主機(jī)廠對外板的質(zhì)量要求也越來越高。在汽車外板沖壓生產(chǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)“條紋”類缺陷，該類缺陷在打磨零件后通常沿板料軋向以條紋形式出現(xiàn)，條紋間距大小不一。出現(xiàn)條紋類缺陷的材料不滿足免中涂工藝要求，為解決該問題，寶武[3]、吉林大學(xué)[4]、鞍鋼[5]、本鋼[6]等單位對條紋缺陷的成因進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為無間隙原子（Interstitial Free，IF）鋼表層存在的不充分或未完全再結(jié)晶的晶粒在沖壓時會使材料表面與內(nèi)部變形不均勻，從而導(dǎo)致沖壓件表面出現(xiàn)不連續(xù)的條紋缺陷。金鑫焱等[7]詳細(xì)研究了汽車板表面晶粒特征與表面沖壓條紋等產(chǎn)品缺陷的影響機(jī)理，同時發(fā)現(xiàn)熱軋工藝對成品的組織性能有較大影響。因此，從材料組織性能控制方面消除未再結(jié)晶晶粒，提升材料組織均勻性，可從源頭上消除此類“條紋”缺陷，提高成材率，降低損耗，有利于提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

在熱軋表面組織均勻性影響因素研究方面：王暢等[8]研究了軋制潤滑對混晶組織對連退板的組織遺傳性的影響；田秀鋼等[9]通過調(diào)整加熱溫度、中間坯厚度、終軋溫度及軋制潤滑等手段有效改善了熱軋IF鋼表面的混晶狀況。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)對熱軋機(jī)架間冷卻水對現(xiàn)有細(xì)晶高強(qiáng)汽車外板用鋼（Uni-FISH，UF鋼）的組織及表面質(zhì)量的影響機(jī)理鮮有研究。通過控制機(jī)架間冷卻水流量及水壓等，可控制熱軋帶鋼冷卻過程[10]，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品組織控制。同時，機(jī)架間冷卻水還會對帶鋼長度和寬度方向上的溫度均勻性產(chǎn)生較大影響，從而影響軋制的穩(wěn)定性。通過優(yōu)化機(jī)架間冷卻水的控制方案，可調(diào)整UF340的熱卷組織均勻性，最終提升成品的表面質(zhì)量，結(jié)合其他組織調(diào)控及工藝控制等手段，達(dá)到免中涂表面質(zhì)量要求。

本文對比研究熱軋機(jī)架間冷卻水的開閉對UF340熱軋及成品帶鋼表面組織的影響規(guī)律，隨后選取組織均勻性較好的成品進(jìn)行涂漆掛片試驗(yàn)，并對其表面波紋度和鮮映性進(jìn)行檢測。

2 試驗(yàn)方法

本文研究對象為UF鋼系列中340 MPa級產(chǎn)品UF340，其化學(xué)成分如表1所示。為探究機(jī)架間冷卻水對UF340表面質(zhì)量的影響，設(shè)計了機(jī)架間冷卻水全開與僅開F1、F2機(jī)架間冷卻水的對比試驗(yàn)。熱軋樣品與成品樣品均取自實(shí)際生產(chǎn)下線產(chǎn)品。

微觀組織表征試樣取自鋼卷帶尾50 m處、寬度方向中間位置及距傳動側(cè)板寬1/4位置，樣品長度為25 mm、寬度為20 mm，觀察面為帶鋼軋制過程的上表面。電子背散射衍射（Electron Back Scatter Diffraction，EBSD）表征采用首鋼股份Apreo 2S場發(fā)射掃描電子顯微鏡，掃描步長均設(shè)置為0.5 μm，數(shù)據(jù)處理采用Aztec Crystal軟件，認(rèn)為取向差角大于等于15°為大角晶界并據(jù)此進(jìn)行晶粒統(tǒng)計。波紋度檢測依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SEP 1941-2012《冷軋金屬扁平軋材浪形特征值Wsa（1-5）的測量標(biāo)準(zhǔn)》 進(jìn)行。掛片試驗(yàn)在某主機(jī)廠進(jìn)行，樣品為依據(jù)該主機(jī)廠相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)獲得的應(yīng)變量為5%（馬克杯）的波紋度測試零件。

3 結(jié)果與討論

3.1 熱卷樣品組織分析

機(jī)架間冷卻水全開及僅開啟F1、F2機(jī)架間冷卻水的熱軋板寬中部樣品的表面組織形貌如圖1所示。由圖1可知，UF340熱軋表面組織形貌與普通Ti-IF鋼不同，晶粒形狀并非傳統(tǒng)等軸晶粒狀態(tài)，且晶粒尺寸更小，這主要是由于Nb抑制了奧氏體的再結(jié)晶和形核[11]。對比2個樣品發(fā)現(xiàn)，機(jī)架間冷卻水全開時晶粒大小不均勻，樣品表面存在一定數(shù)量沿軋向延長的晶粒，平均晶粒尺寸為9.07 μm。而關(guān)閉后部機(jī)架間冷卻水后，晶粒均勻性有所提升，平均晶粒尺寸為10.21 μm。后部機(jī)架間冷卻水的開閉對熱卷中部表面組織的形貌影響不大。

在2種工況下所得的樣品均呈現(xiàn)出含Nb-IF鋼的典型熱軋組織，如圖2所示，但整體織構(gòu)較弱，晶粒取向不集中。取向峰值主要出現(xiàn)在α-纖維織構(gòu)取向線上。其中，后部機(jī)架間冷卻水關(guān)閉后，樣品織構(gòu)略有增強(qiáng)，峰值強(qiáng)度由機(jī)架間冷卻水全開的4.12升高至6.56，但對樣品表面整體取向分布的狀態(tài)影響不大。

圖3為2種工況下熱卷距邊部1/4位置的表面組織對比。機(jī)架間冷卻水全開的熱卷表面1/4位置與中心位置組織形貌明顯不一致，1/4位置細(xì)碎晶粒增多，且晶粒內(nèi)部出現(xiàn)明顯的取向差異，<110>和<111>方向與板面法向平行的晶粒體積分?jǐn)?shù)增大，該樣品平均晶粒尺寸僅為6.81 μm。

僅開F1、F2機(jī)架間冷卻水的熱卷距邊部1/4位置的樣品組織與圖1b給出的熱卷中心組織形貌基本一致，圖3b所示樣品平均晶粒尺寸為9.63 μm，與心部晶粒大小基本相同，說明其寬度方向組織均勻性更好。由此可見，打開全部機(jī)架間冷卻水后，邊部溫降更加明顯，導(dǎo)致帶鋼寬度方向溫度分布不均勻，中心溫度高，邊部溫度低，邊部再結(jié)晶及晶粒生長驅(qū)動力不足，此晶粒生長程度存在差異，表現(xiàn)為沿板寬方向的不均勻組織。熱卷的不均勻組織可能會遺傳至冷硬及成品組織，影響UF340的成品性能均勻性。

3.2 成品樣品組織分析

機(jī)架間冷卻水對成品中部表面組織的影響如圖4所示，熱軋機(jī)架間冷卻水對成品表層中心位置組織和織構(gòu)的影響非常微弱，機(jī)架間冷卻水開關(guān)前后平均晶粒尺寸分別為9.70 μm和9.03 μm，晶?；緸榈容S狀。熱軋表層組織中的拉長未再結(jié)晶晶?；鞠?，退火過程中UF340完成了充分再結(jié)晶。

2種UF340成品中心位置表層織構(gòu)比例對比結(jié)果如表2所示，與IPF分布圖結(jié)果一致，后部機(jī)架間冷卻水開閉對成品中部織構(gòu)整體影響較小。樣品中典型的冷軋織構(gòu)（{112}<110>）[12]比例低于1%，再結(jié)晶織構(gòu)比例超過70%。機(jī)架間冷卻水全開樣品表層中心位置的γ-纖維織構(gòu)比例比僅開F1、F2機(jī)架間冷卻水的樣品低2.6%，說明在冷軋及退火后，機(jī)架間冷卻水對成品的影響大幅減弱。

由3.1節(jié)研究結(jié)果可知，機(jī)架間冷卻水的開閉對熱軋卷表層組織沿寬度方向的均勻性影響顯著，而汽車鋼板軋制全流程中，組織均勻性會由熱軋遺傳至成品[13]，因此，在2種工況下成品距邊部1/4位置取樣對其表面進(jìn)行EBSD表征，結(jié)果如圖5所示。機(jī)架間冷卻水對成品1/4位置的組織略有影響，但影響程度明顯小于熱軋組織。機(jī)架間冷卻水全開時，成品1/4位置表層仍有少量未再結(jié)晶組織，細(xì)小晶粒數(shù)量較多。此類晶粒在板材沖壓過程中與周圍晶粒變形能力不同，形成局部變形不均勻現(xiàn)象，因此易產(chǎn)生圖1所示沖壓條紋，且此時材料內(nèi)γ-纖維織構(gòu)比例為68.0%，與中心位置相比，再結(jié)晶程度略有不足。僅開F1、F2機(jī)架間冷卻水的樣品γ-纖維織構(gòu)比例為72.1%，平均晶粒尺寸為9.32 μm，與中心位置組織基本一致。由此可見，關(guān)閉后部機(jī)架間冷卻水后，UF340成品沿寬度方向組織均勻性非常好。成品組織均勻性的提升對于消除沖壓條紋、降低板材表面波紋度、提升產(chǎn)品表面鮮映性十分有利。

3.3 UF鋼成品表面組織對成形件表面鮮映性的影響

由3.2節(jié)研究結(jié)果可知，后部機(jī)架間冷卻水關(guān)閉后，UF340表層晶粒實(shí)現(xiàn)完全再結(jié)晶，且沿板寬方向組織均勻性好。此類組織有利于規(guī)避傳統(tǒng)IF鋼沖壓過程中常見的因表層未再結(jié)晶組織或不均勻組織導(dǎo)致的沖壓表面缺陷。由EBSD分析結(jié)果可知，UF340表現(xiàn)出極高比例的深沖織構(gòu)，具有良好的沖壓成形性能。

張露星等[14]研究了傳統(tǒng)IF鋼在成形后對波紋度增量的影響因素，研究指出，成形后鋼板的波紋度是原板波紋度及成形引起波紋度增量疊加的結(jié)果，而鋼板成形后波紋度增量與其表層晶粒形態(tài)相關(guān)，晶粒尺寸越大，變形波紋度增量越大，且表層的未回復(fù)再結(jié)晶晶粒會引起表面波紋度增量異常增大，該結(jié)論得到了其他研究的支持[15-16]。UF340晶粒尺寸比常規(guī)IF鋼更小。胡燕慧等[16]研究了IF鋼（DC04）沖壓后表面輪廓的變化對涂裝表面質(zhì)量的影響，研究認(rèn)為，為得到良好涂裝表面質(zhì)量，需保證板材沖壓后表面波紋度小于0.4 μm。由于僅開F1、F2機(jī)架間冷卻水的條件下成品組織均勻性較好，因此，選用該工況樣品進(jìn)行成形表面質(zhì)量檢測。圖6為UF340在某主機(jī)廠進(jìn)行的掛片試驗(yàn)的結(jié)果，由圖6可知，沖壓變形5%后的UF340表面質(zhì)量依然較高，零件表面光澤度高，對光線反射十分清晰。經(jīng)主機(jī)廠檢測，UF340涂漆后波紋度僅為0.169 μm，DOI值達(dá)到92，滿足免中涂表面質(zhì)量要求。

4 結(jié)論

a. 機(jī)架間冷卻水全開后，由于邊部溫度降低導(dǎo)致再結(jié)晶驅(qū)動力不足，UF340熱軋卷距邊部1/4位置與中部的表面組織存在明顯差異，僅開F1、F2機(jī)架間冷卻水的熱卷在寬度方向組織均勻性較好；

b. 熱軋表面的不均勻性會輕微遺傳至成品，僅開F1、F2機(jī)架間冷卻水的成品寬度方向組織高度一致，成品平均晶粒尺寸約為9 μm，{111}織構(gòu)比例超過70%，能夠有效避免沖壓條紋的產(chǎn)生，提升沖壓件表面鮮映性；

c. 僅開F1、F2機(jī)架間冷卻水的條件下，UF340沖壓變形量為5%時，涂漆后波紋度僅為0.169 μm，DOI值為92，滿足主機(jī)廠免中涂表面質(zhì)量要求。

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