含鈦鐵素體不銹鋼冷軋酸洗板色差缺陷分析及控制對策

(1.西安航空職業技術學院 科研處，陜西 西安 710089； 2.酒泉鋼鐵(集團)有限責任公司 不銹鋼研究所，甘肅 嘉峪關 735100)

鐵素體不銹鋼是指鉻質量分數在11%～30%，含有微量或不含鎳，在高溫和室溫下組織均為體心立方晶體結構一類不銹鋼[1]。409 L鐵素體不銹鋼作為一種典型的低碳氮節鎳的鐵素體不銹鋼，鋼中Cr元素的質量分數約為12%，具有成本低、耐蝕性能優異的特點，在汽車、家電等領域有廣泛應用[2]。通常在409 L鐵素體不銹鋼生產過程中，為了盡量避免在晶界處形成Cr的碳氮化物而出現貧Cr現象，在降低鋼中C、N含量的同時，需加入Ti元素以固定鋼中溶解的C和N元素[3]。但是由于鈦元素的加入，409 L鐵素體不銹鋼板經冷軋酸洗后，板材表面經常會出現點狀色差缺陷，嚴重影響了板材的表觀質量。

本文針對409 L鐵素體不銹鋼冷軋酸洗板表面出現的點狀色差缺陷，采用光學顯微鏡對缺陷形貌進行觀察，并結合實驗室模擬試驗，根據該鋼種在退火加熱時發生的化學過程進行理論分析，確定點狀色差缺陷的發生機理，查找該缺陷的產生原因，為實際生產提供一定的理論依據及合理的控制措施。

1 缺陷形貌及組織分析

某不銹鋼廠生產的409 L鐵素體不銹鋼冷軋板，其化學成分如表1所示，經退火酸洗后，鋼板表面經常會出現直徑在0.5～2 mm的點狀色差缺陷，如圖1所示。該色差缺陷在直射光觀察下為明顯不同于正常銀灰色板面的深灰色；在側光反射下觀察時，缺陷位置卻呈現具有高反射度的亮白色；在光學顯微鏡(×50)下觀察，發現該缺陷表現出圓形輪廓，缺陷位置的粗糙度相比較周圍的正常表面明顯降低，缺陷區域較正常基體表面有一定程度的下陷。

409 L鐵素體不銹鋼點狀色差缺陷的顯微組織如圖2所示。從圖2中可以明顯地發現，相對于無缺陷位置，點狀色差缺陷處的晶粒尺寸減小，且這些細小的晶粒團聚成圓形輪廓。

表1 409 L鐵素體不銹鋼的化學組成 %

圖1 409 L鐵素體不銹鋼點狀色差缺陷的形貌

圖2 409 L鐵素體不銹鋼點狀色差缺陷的金相組織(×200)

2 缺陷的實驗室模擬

由于409 L鐵素體不銹鋼生產過程中，帶鋼表面頻繁發生了點狀色差缺陷，而在304、430、316 L、410 L等常規不銹鋼板材上未明顯地發現該缺陷。分析其原因，409 L鐵素體不銹鋼在元素種類與上述鋼種的最大區別就是較高鈦元素含量，所以鈦元素有可能是造成點狀色差缺陷的基本原因之一。

從圖1中還可以看出，點狀色差缺陷具有拖尾狀現象，揭示了該缺陷是由于帶鋼表面有流動性較好的液態物質造成。分析其原因，在帶鋼較快的運行速度下，由于液滴在慣性的作用下，發生了其在帶鋼運行方向上的相對運動，最終形成了具有拖尾的點狀色差缺陷。帶鋼在入退火爐后，有可能存在于帶鋼表面的液態物質只有軋制油和水兩種物質，而水由于沸點非常低，在爐門處的帶鋼表面上冷凝后，一進入爐膛內便會迅速揮發，根本來不及與帶鋼發生相對運動，所以帶鋼上的液滴只能是軋制油滴，因此可以推斷409 L鐵素體不銹鋼的點狀色差缺陷必然與帶鋼表面的軋制油殘留有關。

通過上述分析可知，409 L鐵素體不銹鋼帶鋼表面點狀色差缺陷的出現是由于409鐵素體不銹鋼板帶表面殘留的軋制油滴和材料中的鈦元素發生反應而造成。為了進一步證實點狀色差缺陷的發生是軋制油與鈦元素發生化學反應造成的，本文在實驗室模擬409 L鐵素體不銹鋼板材的退火酸洗生產過程，通過試驗手段制造出點狀色差缺陷。在模擬實驗中實施兩種方案，方案一是首先對帶軋制油的409 L軋硬態板材進行脫脂處理，然后進行退火后酸洗，觀察板材表面狀態；方案二是直接對帶軋制油的409 L軋硬態板材進行退火酸洗，觀察板材表面狀態。具體實驗流程如圖3所示。

圖3 模擬實驗的實驗流程

在模擬實驗可發現，經退火后，脫脂和未脫脂的409 L鐵素體不銹鋼板材在外觀上已呈現出明顯的差異性，結果如圖4所示。未脫脂的板材在退火后氧化皮極不均勻，局部區域甚至出現了疏松的紅褐色氧化皮，如圖4(a)所示；而在在脫脂后的409 L鐵素體不銹鋼板材在退火后呈現均勻光亮的氧化皮，如圖4(b)所示。

對圖4中未脫脂和脫脂的409 L鐵素體不銹鋼板材進行酸洗處理后，結果發現脫脂退火板材酸洗后其表面除了水漬外，未出現明顯的表面色差現象，如圖5(a)所示；而未脫脂板材果然出現了極其類似于亮點缺陷的圓點狀色差，具體如圖5(b)所示。

圖4 未脫脂和脫脂409 L鐵素體不銹鋼板材退火后的表面

圖5 經退火后未脫脂與脫脂的409 L鐵素體不銹鋼板材酸洗表面

應用光學顯微鏡對未脫脂409 L鐵素體不銹鋼板材在實驗室退火酸洗后呈現出的圓點缺陷進行觀察，結果如圖6所示。從圖6中觀察到實驗室模擬出的圓點缺陷與409 L鐵素體不銹鋼板材生產過程中表面點狀色差缺陷具有很高的相似度，以此可以基本驗證409 L鐵素體不銹鋼板材表面點狀色差缺陷是由于軋制油殘留造成的氧化皮不均勻而導致。

圖6 未脫脂409 L鐵素體不銹鋼板材表面色差缺陷的顯微形貌(×100)

3 缺陷的產生機理及消除措施

通過模擬實驗分析結果可知，409 L鐵素體不銹鋼退火酸洗板材表面點狀色差缺陷和軋制油存在關系。為了確定點狀色差缺陷的發生機理，對板材表面殘留的軋制油在退火加熱中發生化學過程進行理論分析。

由于軋制油液滴在409 L鐵素體不銹鋼板材退火過程中未被揮發除去，板材下表面的油滴在重力的作用下能夠較多的滴落，從而離開板材表面；而板材上表面的油滴則會受到板材本體的支持而無法滴落，且與板材一起進入退火爐加熱。在960 ℃(1 233 K)加熱過程中，軋制油滴中的烷烴碳會迅速與409 L不銹鋼中的鈦元素發生如下反應：

[Ti]+[C]→TiC

ΔrGθm(1233K)=-170.64 kJ/mol

(1)

從式(1)中可以看到，軋制油液滴覆蓋下的板材表面生成一層碳化鈦，并且使該碳化鈦富集區域在宏觀上呈現出與軋制油液滴類似的圓點形狀。

而409 L鐵素體不銹鋼在退火加熱時中也會發生正常的氧化反應，生成的氧化皮是具有鉻系不銹鋼特點的鐵鉻混合型氧化皮，碳化鈦富集的圓點區域則會首先在960 ℃(1 233 K)下發生如下氧化反應：

TiC+2O2→TiO2+CO2

ΔrGθm(1 233 K)=-941.08 kJ/mol

(2)

從式(2)中可以看到，該反應的ΔrGθm相對較小，所以碳化鈦富集區域將優先發生式(2)，此反應生成的TiO2將會為板材基體形成非常好的保護，使得該區域Cr和Fe的氧化反應嚴重受阻，造成該圓點區域形成比其他正常區域薄得多的氧化皮。在后續的酸洗處理中，圓點處的薄氧化皮首先被酸洗反應去除，而圓點周圍正常區域的氧化皮則需要更多的時間才能完全洗凈。由于酸洗時間的差異，會造成圓點區域的基體被酸洗反應過度侵蝕，最終造成該區域的基體表面較為光滑，且呈現下凹狀，宏觀上便呈現出點狀色差缺陷。

綜上所述，409 L鐵素體不銹鋼退火酸洗板表面點狀色差缺陷的產生原因是板材表面殘余的軋制油和板材中鈦元素發生化學反應使表面生成富集碳化鈦。為了有效地消除該缺陷的產生，可以采取一下措施：可在板材退火酸洗前，需要對軋硬態板材進行充分的脫脂處理；在板材退火過程中，可增加退火爐排廢煙道的閘板開度和排廢風機的功率，使板材表面的軋制油在輻射預熱段產生類似于減壓蒸餾的效果，從而更好地促進軋制油的揮發；在保證退火后力學性能的前提下，通過采取厚規格板材提速，薄規格板材降速的方式來遏制板材表面軋制油滴和鈦元素的反應，以此來抑制點狀色差缺陷的發生。

4 結 論

(1)409 L鐵素體不銹鋼經退火酸洗后，鋼板表面經常會出現點狀色差缺陷，該缺陷表現出圓形輪廓，缺陷位置的粗糙度相比較周圍的正常表面明顯降低，缺陷區域較正常基體表面有一定程度的下陷。

(2)通過模擬實驗可知，409 L鐵素體不銹鋼的點狀色差缺陷與該鋼種較高鈦元素含量和帶鋼軋制油的殘留有關。

(3)在409 L鐵素體不銹鋼退火加熱時，對殘留軋制油與鈦元素的化學反應分析可知，軋制油液滴覆蓋下的帶鋼表面會生成富集的碳化鈦，使之在宏觀上呈現出與軋制油液滴類似的圓點形狀。

(4)為了消除409 L鐵素體不銹鋼表面的點狀色差缺陷，對該鋼種軋硬態進行充分的脫脂處理；在退火過程中，應采取加強排風措施促進軋制油的揮發；也可采取厚規格帶鋼提速、薄規格帶鋼降速的方式來抑制缺陷的產生。