擴孔鋼酸洗后表面色差形成原因

胡少梅, 董亞慧, 王清義, 郝永峰, 竇文亞

(1.河鋼集團邯鋼公司, 邯鄲 056000；2.中國船舶重工集團公司第七一八研究所, 邯鄲 056027)

熱軋酸洗板是一種表面質量介于熱軋板和冷軋板之間的產品，在“以熱代冷”的節能減排形式下，熱軋酸洗板以其較好的表面質量，越來越受到青睞。熱軋酸洗板表面氧化鐵皮已經去除，質量要高于熱軋板，而且部分熱軋酸洗板需要達到冷軋板的質量要求，但價格卻低于冷軋板，因此熱軋酸洗板有廣闊的市場前景。熱軋酸洗板的表面質量直接影響后續的深加工性能，故熱軋酸洗板表面質量的控制是酸洗產品質量控制的關鍵[1]。

酸洗高強HR440/580HE擴孔鋼廣泛應用于乘用車和轎車底盤結構件。在工業生產中發現該擴孔鋼經酸洗后表面容易出現條狀色差缺陷，此缺陷一方面影響成品的表觀質量，另一方面客戶會提出大量的質量異議。河鋼集團邯鋼公司生產的酸洗板的工藝流程為：熱連軋→平整→推拉式酸洗。該公司生產的汽車底盤結構用高強度擴孔鋼HR440/580HE酸洗后表面出現條帶狀色差缺陷，如圖1所示。經過表面靜電涂油后色差依然可見，嚴重影響表面質量。國內外相關研究表明，熱軋板的氧化鐵皮結構以及與鋼基體的結合狀態是決定酸洗效果的關鍵[2-6]，表面粗糙度不同是造成色差的主要原因[7]。筆者針對擴孔鋼HR440/580HE酸洗板表面出現的色差缺陷，分別從熱軋基板表面及橫截面氧化鐵皮形貌、酸洗板表面顯微形貌等角度分析了色差缺陷產生的原因，以期消除色差缺陷、提升HR440/580HE擴孔鋼酸洗板的表面質量。

圖1 酸洗板表面色差宏觀形貌Fig.1 Marco morphology of color difference on the surface of pickling plate

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

表1為HR440/580HE擴孔鋼的化學成分。可見其碳含量較低，采用低碳成分設計是為了保證良好焊接性能；硅元素為鐵素體形成元素，能強化鐵素體組織；錳元素為奧氏體穩定元素，同時還能實現固溶強化；鎳元素和鈦元素為微合金元素，通過第二相彌散析出作用提高鋼的強度。擴孔鋼又稱為鐵素體/貝氏體鋼(F/B鋼)，通過添加鐵素體固溶元素硅提高鐵素體強度，降低鐵素體/貝氏體兩相強度差，避免兩相界面出現微裂紋，提高后續深加工的成形性能。圖2為HR440/580HE擴孔鋼的顯微組織，主要為鐵素體+貝氏體+少量細小彌散碳化物。

表1 擴孔鋼HR440/580HE的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the reaming steel HR440/580HE (mass fraction) %

圖2 擴孔鋼HR440/580HE的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of the reaming steel HR440/580HE

1.2 熱軋基板表面氧化鐵皮微觀形貌及能譜分析

圖3為HR440/580HE擴孔鋼熱軋板表面形貌。觀察發現HR440/580HE擴孔鋼熱軋板表面存在明顯色差，淺色條紋區域比深色光亮條紋區域粗糙，由于微觀粗糙程度的不同造成反光差異，形成顏色深淺不一的條帶狀色差。

圖3 擴孔鋼HR440/580HE熱軋帶鋼表面宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of surface of hot rolled strip of the reaming steel HR440/580HE

對深色條紋區域進行掃描電鏡(SEM)觀察，發現存在不同程度的微裂紋，局部出現團簇狀疏松氧化鐵皮。圖4a)中區域1裂紋密集，圖4b)的能譜(EDS)結果換算成鐵與氧質量分數比為72.24/27.76，與Fe3O4中鐵與氧質量分數比72.4/27.6基本一致，可以推測團簇狀氧化鐵皮成分主要為Fe3O4。圖4c)中區域2裂紋稀疏，圖4c)的能譜結果換算鐵與氧質量分數比為61/39，嚴重偏離FeO中的鐵與氧質量分數比，分析該區域的氧化鐵皮主要以鐵的高價氧化物Fe2O3和Fe3O4形式存在，此種氧化鐵皮均勻存在于熱軋帶鋼表面。在熱軋帶鋼冷卻過程中，由于鋼基體與氧化鐵皮的收縮系數不同，氧化鐵皮與基體界面形成應力集中，使得氧化鐵皮出現微小裂紋。

圖4 熱軋帶鋼深色條紋區SEM形貌及EDS分析結果Fig.4 SEM morphology and EDS analysis results of dark stripe area of the hot rolled strip: a) SEM morphology at crack dense area; b) EDS analysis results at crack dense location 1; c) SEM morphology at crack sparse area; d) EDS analysis results at crack sparse location 2

圖5是淺色條紋區域的SEM形貌及EDS分析結果，其中圖5b)是圖5a)中區域1的EDS分析結果，與深色條紋區的EDS分析結果對比可知，淺色條紋區同樣存在均勻分布的高價鐵氧化物，并且局部團簇狀氧化鐵皮含量更多，該區域的存在會造成對可見光的漫反射，且團簇狀氧化鐵皮越多，漫反射越嚴重，同時造成表面粗糙度的不均勻，與肉眼觀察現象一致。圖5c)是圖5a)中區域4的EDS分析結果，可知該區域局部有硅元素的存在。筆者認為有以下原因：①局部氧化鐵皮脫落，造成鋼基體表面富集硅元素物質裸露；②高溫加熱過程中，氧化鐵皮與基體之間形成了鐵橄欖石，在后續軋制過程中，鐵橄欖石與氧化鐵皮混合附著在鋼板表面。

圖5 熱軋帶鋼淺色條紋區SEM形貌和EDS分析結果Fig.5 SEM morphology and EDS analysis results of light stripe area of the hot rolled strip: a) SEM morphology; b) EDS analysis results at location 1; c) EDS analysis results at location 4

1.3 熱軋基板橫截面氧化鐵皮結構分析

圖6為HR440/580HE熱軋帶鋼橫截面氧化鐵皮形貌。可以看出，氧化鐵皮致密程度存在差異，部分氧化鐵皮致密，部分氧化鐵皮較為疏松且存在裂紋，導致粗糙度差異。對熱軋基板橫截面氧化鐵皮進行線掃描分析，疏松氧化鐵皮部位不存在硅元素的富集，只是鐵的氧化物。而致密氧化鐵皮與基體交界處存在硅元素的富集，如圖6c)所示，致密氧化鐵皮形成的主要原因是硅含量較高，長時間高溫加熱過程中硅元素選擇性氧化，在FeO(方鐵石)與鋼基體界面處形成2FeO·SiO2(鐵橄欖石)[8]。因為鐵橄欖石熔點低(1 170 ℃)，形成熔融狀態后便會以楔形侵入氧化鐵皮與鋼基體中。此種氧化鐵皮與鋼基體界面形成特殊復雜結構的鱗層。該種復雜結構氧化鐵皮相對普通氧化鐵皮更難在除鱗工藝中完全去除。對微區表面氧化鐵皮凸起部位進行能譜分析，可見存在鐵橄欖石和氧化鐵的混合結構。此類結構的氧化鐵皮同樣難以通過除鱗工藝完全去除。

圖6 熱軋帶鋼橫截面SEM形貌Fig.6 SEM morphology of cross section of the hot rolled strip: a) cross section; b) loose scale; c) dense scale

1.4 酸洗板表面色差形貌及能譜分析

圖7為酸洗板表面色差顯微形貌，其中區域A為酸洗板深色區域，區域B為酸洗板淺色區域。酸洗板表面呈現明顯色差，淺色區域和深色區域呈條帶狀分布，顯微鏡下兩區域存在明顯界限，能譜分析未發現欠酸洗氧化鐵皮和殘留的鐵橄欖石。對色差不同區域進行微觀觀察可知，酸洗板深色區域整體較為光滑，局部存在少量的垂直于軋向的橫向小溝壑；淺色區域表現為粗糙的整體腐蝕，如圖8所示。上述酸洗板表面差異主要是熱軋板表面殘存鐵橄欖石與普通氧化鐵皮的差異導致酸洗效果的不一致。

圖7 光學顯微鏡下色差區域分界線Fig.7 Dividing line of color difference region under optical microscope

圖8 不同區域的微觀形貌Fig.8 Micro morphology of different regions: a) dark region A; b) light region B

2 分析與討論

2.1 原因分析

由以上理化檢驗結果可知，酸洗板色差與熱軋板色差具有對應關系。酸洗板淺色區域對應熱軋板條帶狀色差中的深色條紋區域、橫截面中局部致密氧化鐵皮區域，該區域存在2FeO·SiO2(鐵橄欖石)，與其他區域正常氧化鐵皮相比，2FeO·SiO2降低酸洗效果，富鐵橄欖石區域酸洗效果較差，常規結構氧化鐵皮酸洗效果較好，最終導致帶鋼表面酸洗程度出現明顯差異、顯微粗糙程度顯著不同，進而造成可見光漫反射，形成色差缺陷。

2.2 優化措施及效果

針對熱軋基板氧化鐵皮結構中出現的局部鐵橄欖石導致的酸洗效果差異，需要優化熱軋工藝參數以盡可能地去除氧化鐵皮中的鐵橄欖石，主要包括以下方面。

(1) 加熱時按照工藝要求控制出鋼溫度，實際出鋼溫度按照下限控制；嚴格控制在爐時間和爐內氧含量(<3%(質量分數))、H2S含量(≤80 mg·m-3)；

(2) 粗軋采用3+5道次全除鱗模式，除鱗水壓力由19 MPa提升至23 MPa；生產前檢查粗軋除鱗噴嘴是否堵塞，保證除鱗噴嘴狀態良好。

(3) 增加精軋機架間除鱗水，除鱗水壓力設定為23 MPa。

通過優化熱軋加熱參數、粗軋除鱗工藝、精軋除鱗工藝，極大地減少了酸洗擴孔鋼HR440/580HE的表面色差缺陷，滿足汽車主機廠對擴孔鋼的高表面質量要求。

3 結論及建議

熱軋板色差是因為局部團簇狀氧化鐵皮分布導致可見光漫反射，團簇狀氧化鐵皮越多，漫反射越嚴重，形成反光差異，視覺感官為顏色深淺不一的條帶狀色差。由于熱軋板表面殘存鐵橄欖石與普通氧化鐵皮的差異，造成酸洗效果差異，形成酸洗板表面色差。

建議通過優化熱軋加熱參數、粗軋除鱗工藝、精軋除鱗工藝來改善酸洗HR440/580HE擴孔鋼的

表面色差缺陷。