冷軋IF鋼細密類縱向條紋形成機理及工藝控制

供稿|盧秉仲，張杰，張冰，周宏偉

內容導讀

為了解決冷軋IF鋼細密類縱向條紋缺陷，對缺陷樣品的截面進行金相分析，發現帶鋼表面的再結晶組織不夠充分或未完全再結晶。經過技術研究及攻關對細密類縱向條紋(棱線)缺陷的產生機理進行了分析，結果表明形成的Ti、Nb二相粒子阻礙了帶鋼表面的再結晶過程。根據此類缺陷的產生機理，結合實際對全流程工藝制定了控制措施，確定了合金添加量、熱軋加熱、軋制溫度、冷軋工藝、連退溫度、清潔性等關鍵控制點，并制定了切實有效的改善措施。

冷軋汽車外板縱向條紋(棱線)缺陷，是IF鋼普遍存在的一種缺陷，其產生原因較為復雜，解決措施也根據不同鋼企各自特點涉及全流程設備、工藝等多方面因素，因此是長期困擾國內汽車面板生產的技術難題[1-4]。而且，鋼廠對于該缺陷的檢查手段也相對單一，很容易造成誤判、漏判使得不良產品流出，給企業經濟效益和社會效益帶來了極大的困擾。

本鋼某冷軋廠結合機組設備和全流程工藝特點，對IF鋼產品產生的縱向條紋缺陷進行了分析和研究，明確了細密類縱向條紋缺陷的產生機理，并對產生缺陷的影響因素進行了相應的工藝優化以消除縱向條紋缺陷的產生。此外，增加了縱向條紋缺陷在線檢驗手段，避免了質檢過程中的錯漏判現象，不僅防止了縱向條紋不良品向下游客戶的流出，而且提高了企業的經濟效益及社會效益。

細密類縱向條紋特征

細密類縱向條紋缺陷一般沿鋼板縱向分布，呈通卷出現且分布于整個板寬方向，條紋明暗相間，分界明顯，明處條紋比正?；迤?。以帶鋼沖壓后打磨，輕微隱約可見條紋寬度小于2 mm，間距小于5 mm的細密紋路(圖1)。將無缺陷和有缺陷鋼板同時放置在大氣環境下一段時間后，有缺陷鋼板極易銹蝕。該類缺陷的最大特點是沖壓前在帶鋼表面不易被發現，沖壓后油石打磨沖壓件表面出現色差，從而導致后續涂裝效果不良，影響使用。

圖1 細密類條紋宏觀形貌

細密類縱向條紋產生機制

汽車外板用超深沖IF鋼表面容易產生縱向條紋缺陷，產生的機理也錯綜復雜，對此學術界一直沒有統一的觀點[5-16]。在縱向條紋缺陷部位進行取樣，對帶鋼表面和截面的金相分析發現，在帶鋼表面附近形成的組織再結晶不充分或未完全再結晶(圖2)，晶粒沿軋向拉長5～15 μm，因而沖壓時表面與內部變形不一致，導致沖壓后出現輕微不連續細密條紋。

圖2 缺陷位置截面金相組織

由于IF鋼中含有的第二相粒子Ti和Nb在一定程度上對基體金屬的再結晶溫度有明顯的影響。當第二相粒子的尺寸達到一定程度，并且粒子間的距離較寬(＞1 μm)時，會在其表面產生再結晶核心能；當第二相粒子的尺寸過小且較密集時，其形核會受到抑制，再結晶過程會受到阻礙。一般而言，IF鋼中加入少量Ti、Nb，在相變過程中產生的第二相粒子使得IF鋼再結晶阻力加大，析出物數量越多、越細密，阻力越大，從而致使IF鋼的再結晶溫度升高。如果溫度低于再結晶溫度的情況下進行熱軋原料軋制過程，會出現未再結晶區域及混晶的問題進而影響冷軋后的最終產品，即細密類縱向條紋。

細密類縱向條紋控制策略

根據細密類縱向條紋產生的機理，需要從影響再結晶因素的角度以及IF鋼的鋼種特性來制定相應的工藝措施。

煉鋼工序的工藝控制對策

IF鋼中加入的鈦、鈮和碳及硫結合生成一系列的析出物，在隨后的澆鑄過程和熱軋過程中逐步析出、演化和聚集長大。為了改善IF鋼的成形性能，鐵素體基體應該不含有間隙原子，并且析出的沉淀應該是更粗大的，而合金添加劑可以實現這個目標。所以合理的控制合金添加量，尤其是控制好Nb、Ti合金的含量，對消除細密類縱向條紋起著重要的作用。

IF鋼中的Ti可以細化晶粒提高強度，但同時隨著Ti含量的提高，鈦化物的析出數量也會增多并且細密從而帶來副作用。研究表明，IF鋼中添加鋁可以減少析出并且粗化析出物。再結晶織構分析表明，當鋁的含量升高時，〔111〕ND織構(γ-織構)增加，〔110〕RD織構(α-織構)減少。鋁含量較高的鋼，再結晶過程完成較快，并且退火后的晶粒尺寸比鋁含量低的鋼晶粒尺寸大。

綜上所述，結合現場的實際情況，合理的工藝措施：控制有害元素P、S和N含量；降低Nb和Ti的含量(Ti降0.01%、Nb降0.002%)；Als提高0.01%。

熱軋工序的工藝控制對策

為了在后續退火過程中獲得很強的有利織構，IF鋼熱軋過程工藝參數的制定圍繞著獲得均勻、細小的熱軋鐵素體晶粒和軋后稀疏、粗大的析出物這兩個目標進行。

熱軋期間IF鋼的終軋方式有兩種，即奧氏體區軋制和鐵素體區的軋制。奧氏體區的軋制無論是粗軋還是精軋，溫度都在Ar3以上；而鐵素體區軋制時，粗軋溫度在Ar3以上但精軋溫度在Ar3以下。根據IF鋼化學成分特征，其相變點在900 ℃以上，在相變點以上完成精軋軋制過程，一方面可保證軋制的穩定性，另一方面也可防止混晶情況的發生。如果降低終軋的溫度，形成的熱軋帶鋼織構是混晶和無序的，這兩種結構都不利于最終冷軋薄板織構的。因此提高終軋溫度有利于消除細密類條紋，尤其是加Ti的IF鋼，其終軋溫度通常都是越高越有利于消除此類條紋。

此外卷曲溫度的調整也會對析出物的形態、大小、分布有著直接的影響。越高的卷曲溫度越有利于析出和晶粒粗化，同時也會有利于無間隙原子鋼產品力學性能的提高。

因此，結合連軋工序的工藝特點，合理的工藝措施：提高出爐溫度約30～50 ℃；提高終軋溫度約10～30 ℃；提高卷取溫度約10～20 ℃；同時改變熱軋卷冷卻方式為通風及適當調整調壓下率。

冷軋工序的工藝控制對策

對于冷軋工序而言，連續退火爐工藝段各項工藝參數，特別是加熱段、保溫段參數對變形金屬再結晶過程會產生不同程度的影響。如果加熱的速度過于緩慢會給變形金屬創造足夠的時間來在加熱過程中進行回復，降低點陣畸變的程度，同時減少儲藏能量，從而減小再結晶的驅動力，導致再結晶溫度上升。但是加熱速度過快時，在各溫度下駐留的時間過短，造成形核與長大來不及進行使得再結晶的溫度升高。

當把變形程度和退火保溫時間作為不變的因子來看時，再結晶的速度會伴隨退火溫度的升高而加快，產生一定體積分數的再結晶所需要的時間也越短，再結晶后形成的晶粒也越粗大，以至于在一定范圍內延長保溫時間會降低再結晶溫度，如圖3。

圖3 退火時間與再結晶溫度的關系示意圖

因此，冷軋工序的調整只需保證帶鋼表面完全再結晶即可。

(1) 合理控制加熱段、保溫段溫度；優化工藝段速度(工藝段速度提高20%)，滿足再結晶所需的加熱速度。

(2) 提高退火溫度，在保證退火爐不斷帶的前提下，退火溫度提高約5～10 ℃，提高平整延伸率0.1%。

(3) 優化清洗段漂洗水溫度等關鍵工藝參數，確保帶鋼在連退清洗段的表面清潔性，使帶鋼表面再結晶無外界阻力。

通過工藝調整，確保帶鋼表面完全再結晶，從而避免或消除此類縱向條紋缺陷的產生(圖4)。

圖4 改善工藝后的沖壓件表面

防不良品流出

一般而言，鋼廠通用的檢驗方法是在帶鋼原板上油石打磨表面進行肉眼識別，但這種方法只能檢查出輥印、硌印、劃傷等常規缺陷，而細密類縱向條紋在帶鋼原板上打磨很難發現，直到下游汽車廠沖壓打磨后才會發現。因此對細密類條紋的檢驗可以合理運用模擬沖壓機來配合，具體步驟為：

(1) 取無劃傷樣板。成品鋼卷在重卷機組生產時，每個成品卷的帶頭、帶尾均取1張上下表面無劃傷的600 mm×板寬的樣板，以此來保證母卷的帶頭、帶中、帶尾部分都能檢查到。

(2) 制備微沖試樣。用剪板機按圖5要求切成兩張600 mm×600 mm的微沖試樣，并在微沖試樣上注明材料號、軋制方向、傳動側或操作側的位置、同時注明上表面或下表面。

(3) 清理試樣表面，保證表面的清潔性。用干凈棉布把微沖試樣擦拭干凈，要求無油污、無灰塵，并對鋼板表面進行肉眼觀察，有無條狀紋路。

圖5 微沖試樣示意圖

(4) 微沖實驗。采用HYSYS-200 Ton MINI PRESS試驗機對清理好的微沖試樣進行變形量為3%～4%的模擬沖壓。

(5) 打磨判定。用專用質檢油石對微沖樣變形區域進行打磨，打磨方向為垂直于已標注的軋制方向，打磨時要注意用力均勻。觀察打磨后的微沖試樣變形區域表面形貌，對出現細密類縱向條紋的樣板做內部降級處理，在判定記錄單上做好卷信息、條紋輕重程度等記錄項目，條紋降級卷禁止流出。對無條紋的試樣做好卷信息和判定情況記錄，可正常放行。

結束語

(1) 冷軋IF鋼細密類縱向條紋缺陷是國內外鋼鐵行業的技術難題，通過實驗和技術攻關，明確了該類缺陷的形貌、分布、產生機理、控制措施以及豐富了質檢判定的手段。

(2) 根據此類缺陷的產生機理，Ti、Nb二相粒子的析出行為與產品表面微觀組織有關。為減少或消除表面未再結晶或結晶不完全對沖壓件條紋的影響，對Ti(Nb)合金添加量、熱軋終軋溫度、連續退火溫度及加熱速度的調整優化是較為有效的措施。