汽車用冷軋IF鋼表面翹皮缺陷成因研究分析及措施

李高良 姜麗梅 周 鋼

（河北鋼鐵集團邯鋼公司）

0 前言

隨著我國汽車行業技術的快速發展，汽車用鋼的需求量越來越大，客戶對鋼材表面質量和性能的要求也日益嚴格，尤其是對車身外板、翼子板、車門等要求沖壓成型極其嚴格的零件，這就要求對原料冷軋板的表面質量進行嚴格控制。

冷軋IF鋼表面翹皮缺陷是冷軋卷在退火之后進行沖壓成形過程中零件表面產生的一種常見的缺陷，通常表現為沿軋制方向呈條狀分布，長短不一，缺陷一端翹起脫離基體，另一端與鋼板基體緊密相連[1]。翹皮缺陷的頻繁發生，不僅影響產品的外觀，而且對性能影響很大，甚至會導致材料失效，嚴重影響產品質量。為了解決冷軋帶鋼表面的翹皮問題，筆者采用金相顯微掃描電鏡和能譜儀等相關手段對翹皮原因進行了研究分析，研究了缺陷的形成機理，并采取針對性的工藝措施，使該類缺陷問題得到良好解決。

1 翹皮缺陷特征及分析

1.1 翹皮缺陷形貌及特征

冷軋IF鋼鋼卷在沖壓成形過程中往往會出現表面翹皮缺陷，缺陷呈長條狀，沿軋向分布，直徑大約2 mm，長度約50～300 mm，嚴重處存在分層翹起現象，有手感，缺陷形貌如圖1所示。

圖1 沖壓零件“翹皮”缺陷宏觀形貌（放大）

1.2 翹皮缺陷掃描電鏡、能譜分析

對圖2缺陷處進行切割加工制樣，將翹皮部位掀起，經超聲波清洗后，用掃描電鏡觀察發現，在缺陷下方約25 μm處存在大量嵌入基體的顆粒物，該顆粒物呈條狀分布，形狀規則。對其進行放大后，觀察顆粒物尺寸約20 μm，顆粒與顆粒之間存在較小的間隙。對顆粒物進行能譜分析發現主要含有Fe-O-Si-Al-Ca-Mg等復合雜物。

圖2 翹皮缺陷微觀形貌

圖3 翹皮缺陷能譜分析

以上分析表明，該翹皮缺陷是由呈條狀分布的細小顆粒物引起的。該缺陷沿軋向延展較長，延展率約100倍左右，這說明缺陷是由煉鋼夾雜所致的，且夾雜物尺寸較大，結合能譜分析可以推斷夾雜物來源可能為水口結瘤物，水口結瘤物脫落進入結晶器，并隨鑄坯進入熱軋、冷軋工序。由于該類氧化物夾雜為塑性較差的夾雜，在軋制過程中破壞了鋼板基體的連續性以及晶粒之間的結合力，降低了鋼板的抗疲勞性能，產生裂紋源[2]，經相互合并擴展，連接成裂紋，最終造成一端翹起，形成翹皮缺陷。

2 翹皮缺陷成因研究分析

結合煉鋼生產工藝及關鍵控制因素分析，得出鑄坯內夾雜物造成冷軋板表面翹皮缺陷的主要原因：鋼水純凈度差，鋼水中的夾雜物隨連鑄澆注帶入鑄坯。

2.1 鋼水純凈度對缺陷的影響

鋼水純凈度是影響產品質量的一個限制性因素，由于汽車用冷軋IF鋼其本身工藝特點，鋼包渣不進行造“白渣”操作，所以鋼水中夾雜物的控制難度較大。當轉爐終點氧含量較高時，對應鋼水中的氧含量較高，由于IF為鋁鎮靜鋼，鋼水中的氧會與鋼水中的鋁發生反應生成Al2O3夾雜；另外，IF鋼渣的氧化性比較強，渣中FeO含量一般為13%～17%之間，由于IF鋼冶煉不造“白渣”，因此鋼渣中較高的FeO含量會造成鋼水中Al含量不穩定，導致鋼中夾雜物尤其是Al2O3類夾雜物明顯增多，造成鋼水中的夾雜物不斷碰撞、集聚、長大，并在連鑄澆注過程中富集在浸入式水口表面，結瘤脫落，隨鋼液帶入鑄坯，經后續軋制造成表面翹皮缺陷。

2.2 塞棒吹氬對缺陷的影響

目前，塞棒吹氬技術已廣泛應用于實際大生產中，塞棒吹氬可有效防止水口堵塞，改善結晶器流場，避免鋼水二次氧化，延長水口使用壽命等[3]。但是生產實際表明，塞棒吹氬量直接影響鑄坯質量的穩定性。

塞棒吹氬量過小，水口內壁富集的Al2O3夾雜易造成水口堵塞，塞棒上漲，夾雜掉塊；塞棒吹氬量過大，結晶器內的鋼液易暴露于空氣中發生二次氧化，同時引發液面翻騰，出現卷渣[4]。

2.3 浸入式水口插入深度對缺陷的影響

當拉速一定時，浸入式水口插入深度越大，結晶器液面波動越小，越有利于防止結晶器液面卷渣，但是會造成結晶器內流場整體下移，增加了結晶器內鋼水中夾雜物的上浮時間，不利于鋼水中的夾雜物上浮的去除[5]；浸入式水口插入深度越小，越有利于結晶器內細小夾雜物的充分上浮，但是出水口的流股向上回流流動的動力增加，極易造成結晶器內流場紊亂，引起結晶器表面鋼水裸露，發生二次氧化，甚至卷渣。因此，選擇合適的浸入式水口插入深度是至關重要的。

3 改進措施

3.1 優化鋼包頂渣改質

盡管在轉爐出鋼時采用下渣檢測設備進行了滑板擋渣操作，但是仍然不可避免的有一部分轉爐終點渣隨鋼水進入鋼包，這部分轉爐渣稱之為鋼包頂渣[6]。

通過跟蹤生產和取樣分析發現鋼渣中的FeO含量為13%～17%，鋼渣中的FeO含量高，渣中的氧含量就會偏高，使渣中氧傳向鋼水中，造成鋼水中Al含量不穩定，導致鋼中夾雜物，尤其是Al2O3類夾雜物明顯增多，影響鋼水純凈度，導致連鑄澆注過程中水口堵塞，引起塞棒上漲掉塊等工藝異常情況。因此，在冶煉IF鋼時，需要對頂渣改質工藝進行優化，以降低渣中的FeO含量。

頂渣改質工藝主要為在轉爐出鋼過程中加入一定量的石灰和改質劑，從而達到頂渣改質的效果。但是在實際生產過程中經常會出現頂渣結團不化的現象，為保證頂渣具有較好的吸附夾雜的能力，頂渣應具有一定的流動性，從CaO-Al2O3系相圖可以看出，當CaO/Al2O3比控制在1.0～1.2之間時，頂渣處于低熔點區，具有較好的流動性。

為穩定鋼包頂渣流動性和頂渣氧化性的控制，在轉爐出鋼采用下渣檢測和滑板擋渣的條件下，對不同頂渣改質劑鋁渣和石灰的加入量進行了多次實驗，并對RH出站取渣樣進行分析，具體結果見表1。

表1 頂渣化學成分分析

從表1可以看出，改質劑加入400 kg、鋁渣配吃500 kg石灰時，渣中的CaO/Al2O3在1.0～1.2之間，同時RH出站TFe含量均在9%以內，改質效果良好。

頂渣改質前后效果對比如圖4、圖5所示。頂渣改質優化后連鑄澆注順利，結晶器液面控制良好。

圖4 頂渣改質前結團嚴重

圖5 頂渣改質后熔化較好

3.2 塞棒吹氬量的改進優化

針對IF鋼系列鋼種，由于鋼水中的碳含量低，氧含量偏高，極易與鋼水中的Al發生反應產生Al2O3夾雜。采用塞棒吹氬，一方面鋼水中上浮的氬氣可使保護渣變得疏松，有利于結晶器的潤滑；另一方面塞棒吹入鋼水中的氬氣泡可加速鋼液中夾雜物的上浮。但是，塞棒吹氬量過大或過小均會影響連鑄澆注順行。因此，對塞棒吹氬量進行了優化調整。現場跟蹤試驗發現，當結晶器液面出現“魚吐泡”似的均勻氬氣泡時為最佳狀態，此時塞棒吹氬量為3.5～6 L/min；同時，為減少浸入式水口下吐出孔某一側堵塞造成水口偏流現象，在第3爐開澆時塞棒吹氬量在前兩爐的基礎上增加1 L/min，以減少夾雜物附著幾率。通過以上措施的實施，IF鋼結晶器液面波動基本控制在≤±5 mm，未出現鋼水裸露及卷渣現象。結晶器最佳狀態塞棒吹氬效果如圖6所示。

圖6 結晶器最佳狀態塞棒吹氬效果

3.3 浸入式水口插入深度的改進優化

對不同斷面的浸入式水口插入深度進行試驗，選取現場100組數據，試驗斷面分別為900 mm×230 mm，1 200 mm×230 mm、1 500 mm×230 mm、1 800 mm×230 mm、2 150 mm×230 mm，各試驗20組，觀察在不同拉速、不同渣厚條件下，結晶器液面情況。找出不同斷面與之匹配的最佳水口浸入深度、拉速和渣厚，保證結晶器液面較活躍，無裸露、卷渣現象為最佳狀態。

100組實驗數據的研究表明，斷面為900 mm、1 200 mm、1 500 mm、1 800 mm、2 150 mm對應的最佳浸入水口深度分別為105 mm、100 mm、95 mm、95 mm、90 mm，具體對應參數見表2。

4 效果驗證

采取以上措施后，汽車用冷軋帶鋼表面翹皮缺陷得以良好控制，沖壓零件表面實物檢測如圖7所示。

5 結論

（1）通過優化鋼包頂渣改質，將渣中的CaO/Al2O3控制在1.0～1.2之間，RH出站TFe含量控制在9%以內。在提高渣的流動性的同時降低了渣中的氧化性，大大減少了鋼水中夾雜物的產生幾率。

表2 各斷面最優浸入水口深度及工藝參數

圖7 沖壓零件表面實物檢測

（2）對塞棒吹氬技術進行改進，結合現場生產實際發明了一種結晶器液面“魚吐泡”似的最佳吹氬效果，使結晶器卷渣發生率得到了有效控制。

（3）根據不同斷面制定不同的水口浸入深度，在避免結晶器卷渣的同時保證了夾雜物充分上浮。

（4）采取優化改進后，客戶對汽車用冷軋帶鋼沖壓零件表面使用情況反應良好，沖壓零件表面翹皮缺陷比例由原來的0.56%降低至0.23%。