低碳鋼冷軋薄板邊裂缺陷原因分析

胡筱旋，黃磊，王曉峰

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

冷軋鋼板是國內金屬加工制造業需求量較大的原材料之一，廣泛應用于建筑、汽車和家電等領域。與熱軋板相比，冷軋板具有較強的屈服極限，較高的抗拉強度以及良好的深沖性能。由于冷軋板生產具有流程長，軋制速度快、張力大、帶鋼薄等特點［1］，極易使成品鋼帶產生邊損邊裂缺陷，造成產品報廢率上升。冷軋板的邊裂缺陷是指在冷軋鋼帶邊緣沿長度方向的單側或兩側出現破裂，呈裂口狀的缺陷［2］。這種缺陷嚴重影響最終冷軋產品的成材率。不同的生產工況表明，冷軋板出現邊裂缺陷的原因有多種，包括由于原料寬度尺寸不足導致的酸洗圓盤剪切邊不良或間隙量調整不到位，導位裝置變形或平行度偏離；熱軋冷軋工藝技術方面存在鋼板寬展方向顯微組織控制不當等。因此冷軋薄板的生產成為鋼鐵行業集中關注的重點問題。本文針對某廠生產的低碳鋼冷軋板某批次出現的嚴重邊裂缺陷，采用金相檢驗分析等手段從原料質量到熱軋板、冷軋板橫縱向顯微組織結構變化進行對比分析，探究其邊裂缺陷的形成原因，為消除邊裂缺陷，提高冷軋板表面質量提供依據。

1 冷軋板邊裂缺陷理化檢驗

1.1 宏觀形貌

具有邊裂缺陷的冷軋薄板具體軋制生產工藝流程如下：

（1）熱軋工藝：連鑄坯原料加熱—粗軋—精軋—卷取—熱軋板原料（厚度為5 mm）。

（2）冷軋工藝：熱軋板酸洗—冷軋—堿洗—退火—涂層—冷軋板成品（厚度為1.4 mm）。

發生邊裂缺陷的冷軋板宏觀缺陷形貌見圖1。在冷軋板縱向板邊端部明顯可見缺肉和齒狀缺陷，裂口形態不一，但均向內或傾斜向內延伸，開口大，尖端窄小，沿著整個板寬長度分布，裂紋最大深度約為3 mm。

圖1 宏觀缺陷形貌Fig.1 Macroscopic Appearance of Defect

1.2 化學成分檢測

從冷軋板邊部缺陷位置處取樣進行化學成分分析，結果見表1。經檢測其成分符合生產廠標要求，無異常值。

表1 缺陷冷軋板化學成分分析（質量分數）Table 1 Analysis on Chemical Compositions of Cold Rolled Sheet with Defects（Mass Fraction） %

1.3 金相觀察分析

1.3.1 冷軋板缺陷檢驗分析

在冷軋板缺陷位置截取金相試樣，經過磨制拋光后，置于蔡司200MAT光學顯微鏡下進行觀察。試樣橫向開口處可觀察到一短粗裂紋傾斜向內擴展，裂紋周圍無異常夾雜。用4%硝酸酒精腐蝕后觀察，發現鋼板基體顯微組織為鐵素體和沿晶分布的碳化物，冷軋鋼板基體顯微組織形貌見圖2。

圖2 基體顯微組織形貌Fig.2 Microstructure in Matrix

裂紋位置顯微組織為鐵素體+碳化物，并呈現出較明顯的組織流變現象，鐵素體晶粒隨流變變形而拉長，裂紋沿著聚集分布的晶界及碳化物擴展。鋼板邊部無脫碳現象，橫向開口處裂紋形貌如圖3所示。試樣縱向邊部有多條裂紋傾斜約45°向內部延伸，起裂處多為微裂紋，沿晶擴展且末端粗大，周圍無異常夾雜，裂紋周圍也未見明顯脫碳現象。腐蝕后可見顯微組織呈流變狀態，縱向邊部缺陷處裂紋形貌如圖4所示。缺陷處的裂紋形態表明，冷軋板存在變形不均現象。按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》標準評定試樣基體夾雜物，夾雜級別為D1.0級，符合鋼板基體純凈度的要求。

圖3 試樣橫向開口處裂紋形貌Fig.3 Appearance of Cracks at Transverse Opening of Sample

圖4 試樣縱向邊部缺陷處裂紋形貌Fig.4 Appearance of Cracks Where Defects Occurred at Longitudinal Edge of Sample

1.3.2 熱軋板板寬區域顯微組織觀察

為進一步探明冷軋板邊部混晶組織在整個軋制過程中的演變規律，取缺陷板所用的熱軋板原料，從邊部到中心取樣進行金相觀察（邊部為現場軋機操作側及傳動側），基體夾雜物均符合純凈度標準，熱軋板邊部的顯微組織為鐵素體、三次滲碳體及少量碳化物，顯微組織中三次滲碳體大部分分布在鐵素體晶界。觀察發現，鋼板邊部晶粒存在明顯大小不均現象，局部晶粒粗大，最大晶粒度級別為8.5級，最小為7.0級，板邊混晶區域寬度約為15～25 mm；中心部位晶粒大小趨于均勻，晶粒度為7.5級。熱軋板寬度范圍顯微組織分布情況見表2，各部位晶粒度形貌見圖5。

表2 熱軋板寬度范圍顯微組織分布情況Table 2 Distribution of Microstructures in Width Range of Hot Rolled Sheet

圖5 晶粒度形貌Fig.5 Appearance of Grain Size

1.3.3 掃描電鏡觀察

從冷軋板邊裂缺陷處取斷口試樣，經清洗后置于SUPR400掃描電鏡下，觀察缺陷的斷口形貌，掃描微觀形貌及微區成分測定結果見圖6，從撕裂的開口最大位置到裂紋尖端附近未見異常夾雜物，整個斷口呈韌窩狀形態特征，屬韌性斷裂。

1.4 熱軋板力學性能檢驗

取熱軋原料板進行力學性能測定，在板寬方向即操作側、中心及傳動側位置分別截取縱向（軋制方向）拉伸試樣，對熱軋板全板寬方向測定試樣力學性能，試驗結果見表3。

表3 熱軋板力學性能結果Table 3 Mechanical Properties of Hot Rolled Steel Sheets

由結果可知，熱軋板全寬度范圍的力學性能較為平穩，沒有明顯差異，熱軋板傳動側較操作側有所降低，但均在技術要求范圍之內。

2 分析與討論

冷軋板邊裂缺陷的產生原因較復雜，它與鋼的化學成分、連鑄坯質量、冷軋基板狀態、熱軋工藝中板坯的加熱制度以及控軋控冷制度等都有較大的相關性［3］，往往是幾種因素綜合作用所致。通過對以上檢驗結果分析可知，受檢批次的缺陷冷軋板基體成分符合生產廠標要求，邊裂缺陷處無異常夾雜和脫碳現象，說明這種邊裂缺陷與鋼質無關。由冷軋板邊裂缺陷位置晶粒大小不均，存在較明顯組織流變現象，鐵素體晶粒隨流變變形而拉長，以及裂紋沿著聚集分布的晶界及碳化物擴展這一系列特征分析，此邊裂缺陷與鋼板邊部顯微組織中的晶粒變化不均有關，而這種晶粒不均勻與熱軋板卷原料有關［4］。顯微組織觀察可見，熱軋板中心部位晶粒大小趨于均勻，晶粒度為7.5級，但邊部顯微組織存在明顯的鐵素體晶?；炀КF象，混晶區域寬度約為15～25 mm，局部晶粒粗大，晶粒度為8.5/7.0級。從熱軋板全寬度范圍的力學性能可知，傳動側較工作側有所降低。

就軋制過程中顯微組織發生相變而言，熱軋板板寬范圍的顯微組織形態由熱軋的軋制工藝決定。當熱軋的終軋溫度位于奧氏體區或兩相區時，相變使熱軋板的顯微組織變為細小的完全再結晶等軸晶粒；當終軋溫度低于（Ar1-100）℃時，其顯微組織就是由伸長變形的鐵素體和再結晶鐵素體組成的混合組織，終軋溫度越低，熱軋再結晶越困難，再結晶率越低，再結晶晶粒越細小［3］。因此，可以認為，熱軋板在軋制過程中，中間位置均勻的顯微組織晶粒是發生了完全再結晶的結果。由于終軋溫度從鋼板邊部到心部逐漸升高，然后趨于均勻，因此鋼板發生再結晶的鐵素體從邊部向心部逐漸增加，而且再結晶晶粒也逐漸增大，在發生完全再結晶的心部鐵素體晶粒大小趨于均勻［5］，而接近板邊部位散熱速度快，使距邊部一定范圍內（25 mm）的終軋溫度低（Ar1-100）℃，熱軋板邊部組織就呈現出未發生再結晶的纖維狀鐵素體和部分再結晶的等軸鐵素體混合組織。在隨后的多道次冷軋過程中，邊部這種具有嚴重混晶狀態的組織則產生較大的不均勻變形，原始的粗晶粒最先產生屈服，晶粒之間位錯滑移，而細晶粒屈服強度較高，位錯滑移機制后于粗大晶粒啟動。這樣粗晶粒中的位錯滑移到混晶界面時運動受到阻礙，造成晶間應力集中［2］，使冷軋板邊部不能均勻協調一致變形，當粗晶粒應力集中位置所受到的拉應力超過其抗拉強度時便產生微裂紋，隨著不均勻變形的繼續，微裂紋會沿著具有較多碳化物或三次滲碳體的晶界擴展，導致冷軋板邊部撕裂，形成宏觀的邊裂缺陷。

3 結語

受檢的低碳鋼冷軋薄板發生邊裂缺陷的主要原因是由于鋼板邊部存在較嚴重的混晶現象，致使鋼板在初始冷軋階段，邊部粗細晶粒不能發生均勻變形，形成局部應力集中而萌生微裂紋，隨著變形的加劇，裂紋沿著具有較多的碳化物或三次滲碳體的晶界擴展，最終形成冷軋板的宏觀邊裂缺陷。冷軋板邊部的混晶組織是由熱軋板遺傳所致。