分享：帶鋼卷取擦傷缺陷在不同工序下的微觀特征

根據(jù)用途和規(guī)格的不同，目前冷軋商品材料可分為酸洗、普冷、軋硬卷、熱鍍鋅、熱鍍鋅鐵合金、熱鍍鋅鋁鎂等。在生產(chǎn)過程中，每一類產(chǎn)品中都會(huì)出現(xiàn)特殊的缺陷，如酸洗產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)鐵皮灰壓入、紅鐵皮等缺陷[1-2]，普冷產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)缺陷，熱鍍鋅產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)鋅灰和鋅渣缺陷[3-5]，但也有產(chǎn)品共同存在的缺陷，如表面擦劃傷。根據(jù)2022年湛江鋼鐵生產(chǎn)鋼材的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，表面擦劃傷缺陷數(shù)量是冷軋排名第1的，占所有缺陷總量的18%，擦劃傷缺陷中的面挫傷（卷取擦傷）主要發(fā)生在酸洗產(chǎn)品中，占比約為48.41%。 

卷取擦傷在熱卷產(chǎn)品、普冷產(chǎn)品和鋅鐵合金板中也有發(fā)生，熱卷和酸洗產(chǎn)品中的卷取擦傷缺陷可根據(jù)宏觀形貌辨別，但鋅鐵合金板和普冷產(chǎn)品中的該缺陷較難區(qū)分，往往需要借助微觀分析的手段來實(shí)現(xiàn)工序分離。此外，由于卷取、開卷和運(yùn)輸過程中也會(huì)產(chǎn)生該缺陷，僅憑借表面形貌來判定的誤差較大。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)熱卷表面、酸洗板表面、鋅鐵合金表面出現(xiàn)的卷取擦傷缺陷進(jìn)行分析，闡明了該缺陷在不同工序間的表現(xiàn)形式，實(shí)現(xiàn)了工序分離，研究結(jié)果有利于為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

3類卷取擦傷缺陷的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：熱卷上的卷取擦傷缺陷沿帶鋼表面橫向分布，邊部居多，該類缺陷由多條點(diǎn)狀劃傷組成，每個(gè)點(diǎn)劃傷沿軋制方向被拉長(zhǎng)，中間形成凹坑，兩邊存在金屬堆積，在點(diǎn)劃傷的尾部存在較多的金屬堆積；酸洗板上的卷取擦傷缺陷沿帶鋼寬度方向分布，由多個(gè)點(diǎn)劃傷組成，每個(gè)點(diǎn)劃傷程度較熱卷上的輕，但密集程度更重；鋅鐵合金板上的卷取擦傷缺陷沿橫向分布，沿縱向存在多條點(diǎn)劃傷，點(diǎn)劃傷頭部發(fā)暗，尾部發(fā)亮。 

圖  1  3類卷取擦傷缺陷的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

3類缺陷樣板的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，其中熱卷及酸洗板的材料為低碳軟鋼，鋅鐵合金板的材料為超低碳鋼。 

1.3   微觀分析

1.3.1   熱卷上的卷取擦傷缺陷

熱卷上卷取擦傷缺陷的掃描電鏡(SEM)形貌如圖2所示。由圖2可知：缺陷表面由多個(gè)點(diǎn)劃傷組成，每個(gè)點(diǎn)劃傷處呈發(fā)白特征，正常位置為灰色，點(diǎn)劃傷上有明顯的金屬堆積，上方氧化鐵皮被破壞，而邊緣的氧化鐵皮呈塊狀，呈典型的熱卷氧化鐵皮形貌；觀察缺陷處橫截面，發(fā)現(xiàn)缺陷處呈凹坑狀，尾部有塊狀的金屬堆積，凹坑內(nèi)部無氧化鐵，塊狀金屬堆積與基體界面處存在較嚴(yán)重的氧化鐵皮，塊狀金屬上方僅部分位置存在少量的氧化鐵皮，這與表面看到的微觀形貌吻合。 

圖  2  熱卷上卷取擦傷缺陷的SEM形貌

缺陷處的顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知：基體組織為鐵素體+少量的珠光體，基本呈等軸狀，從基體表層到心部存在3種組織結(jié)構(gòu)，表層為細(xì)小的晶粒，觀察面細(xì)晶深度約為20 µm，下方為輕微變形的晶粒，變形晶粒深度約為50 µm ，最下方為等軸狀晶粒。 

圖  3  缺陷處顯微組織形貌

對(duì)缺陷處進(jìn)行能譜分析，分析位置如圖2（b）所示，分析結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：缺陷處主要成分為Fe元素，僅含有少量的O元素。 

圖  4  缺陷處能譜分析結(jié)果

1.3.2   酸洗板上的卷取擦傷缺陷

酸洗板上卷取擦傷缺陷處和正常處的微觀形貌如圖5所示。由圖5可知：缺陷處表面基本無氧化鐵皮殘留，點(diǎn)劃傷尾部呈溝壑狀，點(diǎn)劃傷內(nèi)部可見明顯的酸洗形貌，表面有輕微凸起，由此可以判斷該缺陷為酸洗前的擦傷；觀察缺陷處橫截面，發(fā)現(xiàn)缺陷深度約為15 µm，僅發(fā)現(xiàn)一個(gè)凹坑，未發(fā)現(xiàn)氧化鐵，由于帶鋼經(jīng)過酸洗處理，表面的氧化鐵皮或金屬堆積脫落，形成凹坑形貌，表層晶粒存在輕微的變形，缺陷處晶粒存在明顯的拉長(zhǎng)，靠近表層有一層細(xì)小晶粒，而正常處的表層未見細(xì)小晶粒，由此可以判斷該缺陷也為熱卷的卷取擦傷，而非酸洗開卷形成。 

圖  5  酸洗板上卷取擦傷缺陷處和正常處的微觀形貌

1.3.3   鋅鐵合金板上的卷取擦傷缺陷

鋅鐵合金板上卷取擦傷缺陷處和正常處的SEM形貌如圖6所示。由圖6可知：點(diǎn)劃傷處平整程度更嚴(yán)重，存在大面積的平整印，這導(dǎo)致材料對(duì)光線的反射能力增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)形成表面發(fā)亮的形貌；缺陷處與正常處的相結(jié)構(gòu)均為粒狀δ相+棒狀ζ相，缺陷處棒狀ζ相的尺寸較小，相結(jié)構(gòu)未能很好地長(zhǎng)大。 

圖  6  鋅鐵合金板上卷取擦傷缺陷處和正常處的SEM形貌

使用17%（體積分?jǐn)?shù)）的鹽酸水溶液溶解掉鋅層，暴露出基板，基板的SEM形貌及三維輪廓分析結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：點(diǎn)劃傷處頭部存在明顯的凹坑，尾部存在塊狀的金屬堆積，金屬堆積處對(duì)應(yīng)鍍層表面平整印較多的位置；凹坑的最大深度達(dá)到37 µm；點(diǎn)劃傷處的晶粒呈細(xì)小等軸狀，晶粒尺寸約為5~20 µm，而正常處的晶粒尺寸呈粗大等軸狀，晶粒尺寸為20~40 µm；缺陷處存在倒八字形的塊狀結(jié)疤，表層與基板脫離，內(nèi)部與基板還有一定的連接，結(jié)疤與基板的界面處存在鋅層，根據(jù)表面形貌和晶粒特征可以判斷該缺陷為熱卷的卷取擦傷。 

圖  7  基板的SEM形貌及三維輪廓分析結(jié)果

2.   綜合分析

由上述的分析可知，熱卷上卷取擦傷缺陷的表現(xiàn)形式為橫向分布的多個(gè)點(diǎn)劃傷，表面氧化鐵皮被破壞，部分位置存在金屬堆積，缺陷處組織存在微量的回復(fù)與再結(jié)晶形貌，該組織在熱態(tài)下才能形成，熱卷的卷取溫度高于600 ℃，且卷取后有一定的升溫，使得點(diǎn)劃傷處有發(fā)生再結(jié)晶的條件，組織從剛劃傷時(shí)的變形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵俳Y(jié)晶態(tài)，由此可以判斷該缺陷為熱卷卷取時(shí)形成的擦傷，而產(chǎn)生缺陷的材料卷取溫度為660 ℃，過高的卷取溫度可能不利于熱卷卷緊，導(dǎo)致帶鋼松動(dòng)，發(fā)生擦傷。 

酸洗板上發(fā)現(xiàn)的卷取擦傷缺陷與熱卷表面的卷取擦傷缺陷形貌基本一致，但酸洗板上未發(fā)現(xiàn)明顯的氧化鐵皮殘留，因?yàn)閹т摻?jīng)過酸洗，大部分氧化鐵皮均已被洗掉，而金屬堆積處界面存在氧化鐵，酸液溶解氧化鐵后導(dǎo)致堆積的金屬與基板脫離，根據(jù)表面形貌，結(jié)合晶粒特征，可以判斷該缺陷的形成原因與熱卷卷取擦傷缺陷一致。 

鋅鐵合金板上的卷取擦傷缺陷表現(xiàn)形式與熱卷、酸洗板上的相似，均呈橫向、點(diǎn)狀分布，利用該形貌特征可以很容易辨別出該缺陷，但經(jīng)過不同的工序，缺陷的微觀形貌有些許變化，鋅鐵合金板經(jīng)過軋制、退火、鍍鋅和合金化處理，表層的晶?；貜?fù)更充分，基本看不到變形的晶粒；鍍層表面較平，因?yàn)閹т摻?jīng)過平整，而點(diǎn)劃傷處厚度局部偏厚，導(dǎo)致平整時(shí)壓入量更大，平整痕跡更明顯；由于鍍層偏厚，鍍層表面的合金化程度不同，導(dǎo)致點(diǎn)劃傷處的合金化較正常處輕，相顆粒尺寸更小。 

卷取擦傷缺陷產(chǎn)生的階段較多，熱卷的卷取、酸洗的卷取、軋硬卷的卷取等工序都會(huì)產(chǎn)生卷取擦傷缺陷，每一個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的缺陷特征都會(huì)有差異，但若要準(zhǔn)確地進(jìn)行工序分離，判斷缺陷具體產(chǎn)生的位置，需要用微觀分析的方式來判斷，借助掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡等工具，由缺陷表面金屬堆積的特征及氧化鐵殘留的痕跡，結(jié)合顯微組織的分析，來確定缺陷具體產(chǎn)生的位置。筆者分析的卷取擦傷缺陷均為熱卷卷取過程產(chǎn)生，在熱卷、酸洗板、鋅鐵合金板上均發(fā)現(xiàn)細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，由此來作為特征依據(jù)，結(jié)合表面形貌，最終判斷出缺陷的產(chǎn)生機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)工序分離和生產(chǎn)指導(dǎo)。 

帶鋼表面的卷取擦傷缺陷是由鋼卷的塔形、運(yùn)輸方式、卷取溫度等因素的共同作用所致。當(dāng)鋼卷存在明顯的塔形，尤其是鋼卷內(nèi)外圈端部突起高度超過30 mm時(shí)，易發(fā)生卷取擦傷，存在明顯塔形時(shí)，操作人員干預(yù)自動(dòng)卸卷過程，實(shí)施卷筒對(duì)內(nèi)圈的倒松作業(yè)，導(dǎo)致材料形成擦傷缺陷；熱軋卷的頭尾部松卷、卷筒打滑、助卷輥壓尾位置偏差、捆帶脫落等因素易造成材料產(chǎn)生卷取擦傷缺陷；熱軋的卷取溫度越高，卷取擦傷的程度越嚴(yán)重，頭部缺陷長(zhǎng)度越長(zhǎng)。 

3.   結(jié)語

通過對(duì)熱卷、酸洗板、鋅鐵合金板上的卷取擦傷缺陷進(jìn)行分析，確定了該缺陷在熱軋和冷軋全工序過程中的表現(xiàn)，3種缺陷的宏觀形貌相近，但微觀形貌不同，可以根據(jù)晶粒特征來判定缺陷的來源，當(dāng)晶粒存在再結(jié)晶時(shí)，缺陷為熱態(tài)下產(chǎn)生，當(dāng)晶粒變形時(shí)，缺陷為冷態(tài)下產(chǎn)生。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)