冷軋TA1鈦卷線狀起皮缺陷分析

穆曉輝，陳令杰，李渤渤，?；瘡?，陶會發

（洛陽雙瑞精鑄鈦業有限公司，河南 洛陽 471003）

冷軋TA1純鈦卷是以海綿鈦為原料，經板坯制備、熱卷軋制、冷軋、脫脂、退火等工序生產的產品，廣泛應用于石油、化工、船舶領域等[1]。在冷軋TA1鈦卷生產過程中，線狀起皮缺陷極為常見，在不同厚度帶卷中均會出現，不僅影響產品安全壽命，而且長期以來一直影響鈦卷表面質量良品率及得料率，至今起皮缺陷形成機理及解決措施仍不清晰，急需解決。

與冷軋帶鋼起皮缺陷多由冶金缺陷引起不同[2]，鈦材軋制加工過程易粘結的特性，使得冷軋TA1鈦卷線狀起皮缺陷時常出現，該缺陷與板坯制備、熱卷軋制、冷卷軋制等工序過程均有關系，且缺陷難以追溯。本文通過實驗測試結合鈦卷生產過程中長期以來積累的經驗，對冷軋TA1鈦卷線狀起皮缺陷進行了系統分析，并給出了后續改善方向。

1 試驗材料及方法

試驗材料為0.5mm規格冷軋TA1鈦帶，其生產工藝流程為：板坯制備→熱卷軋制→退火→拋丸→酸洗→冷卷軋制→脫脂→真空退火→精整→包裝。

從鈦帶上截取嚴重程度不同的起皮試樣進行分析。使用OLYMPUS GX71金相顯微鏡進行缺陷截面區域顯微組織觀察；使用Hanemann維氏硬度計對缺陷及正常區域進行顯微硬度測定，試驗力為0.9807N(100g)；使用Quanta650FEG掃描電子顯微鏡對缺陷區域進行形貌觀察；使用Genesis Apex2X射線能譜儀對缺陷區域成分進行能譜分析。

2 試驗結果

2.1 線狀起皮

根據冷軋TA1鈦卷表面起皮缺陷外觀形態不同，將起皮缺陷分為：線狀起皮、點鏈狀起皮、寬條狀起皮，其中線狀起皮為主要缺陷類型，對鈦卷表面質量良品率及得料率影響較大。

線狀起皮形態表現為表面片層剝落；呈線狀沿軋制方向分布，長度一般在15mm～50mm之間；深度較淺，根據修磨測試一般在0.01mm～0.03mm之間。此種起皮一般在熱卷中較少，多在冷軋后出現，占起皮缺陷的絕大部分。

2.2 金相及顯微硬度測試

線狀起皮截面金相照片如圖1所示，線狀起皮寬度較窄，約為0.2mm；經測量其深度約為0.03mm；從形態上看，起皮區域為基體本身部分剝落；起皮區域組織情況與基體區域一致，均為等軸分布的α相，且其晶粒大小與基體區域也無明顯區別。

圖1 線狀起皮截面金相（放大100倍）

對端面靠近起皮區域、端面遠離起皮區域、基體、起皮位置對面端面打HV0.1顯微硬度，分別標注為位置1、2、3、4，每個區域打5個點取均值，結果如表1所示。

表1 線狀起皮顯微硬度結果(wt%)

由表1結果可知，靠近起皮區域硬度比基體及其他區域高10～13HV，反應出起皮區域附近有明顯硬化層，且此硬化層屬于基體。

2.3 掃描形貌與能譜測試

線狀起皮掃描形貌測試如圖2所示。

圖2 線狀起皮掃描形貌照片

如圖2所示，線狀起皮微觀形貌表現為表層基體局部片層剝落，深度較淺。通過其形態分析，認為其應為卷材自身表面局部變形能力差在軋制過程中破裂。對圖2 b)線狀起皮缺陷位置及旁邊基體位置進行能譜分析，其結果如表2所示。

表2 線狀起皮能譜分析結果(wt%)

由表2可知，缺陷位置、基體位置均檢出N、O、Al、Si雜質元素。且缺陷位置相比基體位置，在氧含量上有明顯升高，說明缺陷區域是富氧區域。

3 分析與討論

3.1 原材料分析

由前面分析可知，線狀起皮為基體富氧層，下面從原材料方面分析氧的來源。本文涉及到的鈦卷采用國標最高等級0A級海綿鈦進行熔煉，然而，由于海綿鈦生產過程特殊性，一般不可避免地會出現部分缺陷海綿鈦，如：氧化發藍的海綿鈦、細鈦顆粒(3mm以下)等，如圖3所示。

圖3 缺陷海綿鈦示意圖

細鈦顆粒(3mm以下)經測試其成分達到國標2級，雜質元素含量較高。氧化海綿鈦和細鈦顆粒等缺陷海綿鈦在熔煉過程中會造成局部成分超標，形成表面富氧層，經軋制后形成線狀起皮缺陷。需要注意的是，缺陷海綿鈦比率一般較低，其質量占比一般在0.1%內，但實際卷材線狀起皮比率大部分都在1%以上。因此，缺陷海綿鈦導致局部成分超標應是線狀起皮的其中一個原因。

通過以上分析，海綿鈦進行分揀挑除缺陷海綿鈦、將細鈦顆粒篩除，是減少起皮的一個改善方向。

3.2 加工過程分析

由線狀起皮缺陷截面金相及掃描形貌可知，其為卷材表層缺陷剝落，其缺陷深度較淺；從顯微硬度分析結果可知，起皮區域為硬化層；根據能普分析結果硬化層為富氧區域。在卷材實際生產過程中，線狀起皮缺陷出現比率較高，綜合分析卷材的生產過程，可得出線狀起皮應為熱卷局部氧化皮殘留。

熱軋鈦卷的生產流程為：板坯加熱→粗軋→精軋→冷卻→拋丸酸洗→切邊。與熱軋鋼卷不同，鈦卷在熱軋過程中不會開啟除磷措施，而且鈦與氧親和力較高容易形成致密的氧化皮；另外，鈦本身較耐腐蝕，更加增加了酸洗去除氧化皮的困難，特別是某些耐腐蝕鈦合金此種現象表現尤為明顯，如：TA8合金卷耐腐蝕性高于TA1鈦卷，在熱卷生產過程中發現相同生產條件下其氧化皮殘留明顯多于純鈦卷。

熱卷出現氧化皮殘留嚴重時會整面發黑，如圖4a)所示。有氧化皮殘留的熱卷軋制至半成品時，出現整面線狀起皮缺陷，入圖4b）所示，熱卷殘留的整面的氧化皮在軋制后變成了整面的線狀起皮缺陷。此時僅到半成品，變形量較小，因此起皮長度較短；若軋制到成品則成為最常見的線狀起皮缺陷。通過以上觀察到的現象，可以進一步驗證線狀起皮是由熱卷氧化皮殘留導致的。

圖4 熱卷殘留氧化皮及線狀起皮圖樣

需要注意的是，出現整卷氧化皮殘留表面發黑的情況是較少的，大部分情況下卷材表面酸洗后從宏觀上看是較為光亮的，僅在局部會有較為輕微、不易發現的未酸洗干凈的情況，因此造成局部出現線狀起皮缺陷。而局部未酸洗干凈情況，則與板坯在加熱爐里受熱不均局部氧化皮偏厚、板坯表面局部有缺陷等有關。

通過以上分析，線狀起皮改善方向應是加強熱卷表面氧化皮去除，具體有增大拋丸力度、增大酸洗液濃度等。

4 結語

線狀起皮成因主要包括海綿鈦中有缺陷海綿鈦導致局部成分超標、熱卷氧化皮殘留，其改善方向為海綿鈦熔煉前通過分揀去除氧化海綿鈦、細鈦顆粒等缺陷海綿鈦、熱卷酸洗時增大拋丸力度增加酸洗液濃度增強對氧化皮的去除。