機架間冷卻水對UF340表面組織均勻性的影響研究

李奕 關建東 尉冬 金磊 王明哲 付光

作者簡介：李奕（1992—），女，博士學位，研究方向為材料科學與工程。

基金項目：中信鈮鋼發展獎勵基金資助項目（M1922-2023，2023FWNB-30120）。

參考文獻引用格式：

李奕， 關建東， 尉冬， 等. 機架間冷卻水對UF340表面組織均勻性的影響研究[J]. 汽車工藝與材料， 2024（6）： 31-35.

LI Y， GUAN J D， WEI D， et al. Effects of Cooling Water between Rolling Mills on Surface Microstructure Uniformity of UF340[J]. Automobile Technology & Material， 2024（6）： 31-35.

摘要：利用熱軋試驗及全流程跟蹤研究了機架間冷卻水開閉對UF340表面組織均勻性的影響。結果表明：機架間冷卻水對熱軋卷沿板寬方向的組織均勻性有一定影響，且部分會遺傳至成品組織；機架間冷卻水全開時，成品距邊部1/4處表面晶粒存在少量未再結晶組織，而后部機架間冷卻水冷卻關閉后，由于熱軋時再結晶較充分，成品組織沿板寬方向一致性較好，成品表面為細小的完全再結晶組織，有利于材料表面鮮映性的提升；UF340的細小均勻的組織特性使其涂漆變形后的波紋度僅為0.169 μm，表面鮮映性（DOI）值達到92，滿足主機廠免中涂表面質量要求。

關鍵詞：UF鋼 機架間冷卻水 微觀組織 表面質量

中圖分類號：TG142.1? ? 文獻標志碼：B? ? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240104

Effects of Cooling Water between Rolling Mills on Surface Microstructure Uniformity of UF340

Li Yi1， Guan Jiandong1， Wei Dong2， Jin Lei2， Wang Mingzhe1， Fu Guang1

（1. Beijing Shougang Co.， Ltd.， Tangshan 064404; 2. Research Institute of Technology of Shougang Group Co.， Ltd.， Beijing 100043）

Abstract： The effect of cooling water between rolling mills on the surface microstructure uniformity of UF340 was investigated using hot rolling experiments and full-process tracking. The results show that the cooling water between rolling mills has certain effect on the organization uniformity of the hot rolled coil along the transverse direction， and will be partially inherited to the final UF340 strip organization. When the cooling water between rolling mills is fully open， a small amount of non-recrystallized grain is retained on the surface of the final UF340 strip located at about 1/4 from the edge. When the latter part of water between rolling mills is closed， due to the full recrystallization during hot rolling， the final product has a better consistency of the organization along the transverse direction， presenting a fine and fully recrystallized tissue on the surface， which is beneficial to improving surface Distinctness of Image （DOI） of the material. The extraordinary uniformity of the microstructure makes the waviness of the UF340 after painting and deforming is as low as 0.169 μm， and DOI value reaches 92， which fully meets the requirements of the surface quality for the intercoat-free coating process.

Key words： UF340， Cooling water， Microstructure， Surface quality

1 前言

乘用車外觀造型設計越來越注重美觀及流線型化，外覆蓋件（發動機罩、翼子板、行李箱蓋）的沖壓難度越來越大，加之環保、碳排放等政策要求，外板選材趨向更高強度級別，主機廠對車身外覆蓋件用鋼的強度、局部成形性、性能穩定性、免中涂特性及涂裝鮮映性等要求越來越高。新型免中涂涂裝工藝優化了涂料體系，降低了能源消耗、碳排放和污染物排放[1]，有利于汽車產業的綠色發展。但由于免中涂涂裝工藝漆膜厚度減薄20%以上，滿足汽車鮮映性（Distinctness Of Image，DOI）要求的難度大。DOI是指漆膜表面反射影像的清晰度，是整車感觀效果的定量評價指標[2]，高的DOI值是汽車廠商外觀質量的永恒追求。DOI值與汽車板材沖壓后的表面波紋度直接相關，德國鋼鐵行業標準SEF 1941-2012中定義了波紋度算數平均值Wsa，是目前用于評價板材表面質量的常用指標之一。

除外觀要求外，主機廠對外板的質量要求也越來越高。在汽車外板沖壓生產過程中，經常出現“條紋”類缺陷，該類缺陷在打磨零件后通常沿板料軋向以條紋形式出現，條紋間距大小不一。出現條紋類缺陷的材料不滿足免中涂工藝要求，為解決該問題，寶武[3]、吉林大學[4]、鞍鋼[5]、本鋼[6]等單位對條紋缺陷的成因進行了深入研究，認為無間隙原子（Interstitial Free，IF）鋼表層存在的不充分或未完全再結晶的晶粒在沖壓時會使材料表面與內部變形不均勻，從而導致沖壓件表面出現不連續的條紋缺陷。金鑫焱等[7]詳細研究了汽車板表面晶粒特征與表面沖壓條紋等產品缺陷的影響機理，同時發現熱軋工藝對成品的組織性能有較大影響。因此，從材料組織性能控制方面消除未再結晶晶粒，提升材料組織均勻性，可從源頭上消除此類“條紋”缺陷，提高成材率，降低損耗，有利于提升企業的經濟效益。

在熱軋表面組織均勻性影響因素研究方面：王暢等[8]研究了軋制潤滑對混晶組織對連退板的組織遺傳性的影響；田秀鋼等[9]通過調整加熱溫度、中間坯厚度、終軋溫度及軋制潤滑等手段有效改善了熱軋IF鋼表面的混晶狀況。然而，現有文獻對熱軋機架間冷卻水對現有細晶高強汽車外板用鋼（Uni-FISH，UF鋼）的組織及表面質量的影響機理鮮有研究。通過控制機架間冷卻水流量及水壓等，可控制熱軋帶鋼冷卻過程[10]，以實現產品組織控制。同時，機架間冷卻水還會對帶鋼長度和寬度方向上的溫度均勻性產生較大影響，從而影響軋制的穩定性。通過優化機架間冷卻水的控制方案，可調整UF340的熱卷組織均勻性，最終提升成品的表面質量，結合其他組織調控及工藝控制等手段，達到免中涂表面質量要求。

本文對比研究熱軋機架間冷卻水的開閉對UF340熱軋及成品帶鋼表面組織的影響規律，隨后選取組織均勻性較好的成品進行涂漆掛片試驗，并對其表面波紋度和鮮映性進行檢測。

2 試驗方法

本文研究對象為UF鋼系列中340 MPa級產品UF340，其化學成分如表1所示。為探究機架間冷卻水對UF340表面質量的影響，設計了機架間冷卻水全開與僅開F1、F2機架間冷卻水的對比試驗。熱軋樣品與成品樣品均取自實際生產下線產品。

微觀組織表征試樣取自鋼卷帶尾50 m處、寬度方向中間位置及距傳動側板寬1/4位置，樣品長度為25 mm、寬度為20 mm，觀察面為帶鋼軋制過程的上表面。電子背散射衍射（Electron Back Scatter Diffraction，EBSD）表征采用首鋼股份Apreo 2S場發射掃描電子顯微鏡，掃描步長均設置為0.5 μm，數據處理采用Aztec Crystal軟件，認為取向差角大于等于15°為大角晶界并據此進行晶粒統計。波紋度檢測依據標準SEP 1941-2012《冷軋金屬扁平軋材浪形特征值Wsa（1-5）的測量標準》 進行。掛片試驗在某主機廠進行，樣品為依據該主機廠相關標準獲得的應變量為5%（馬克杯）的波紋度測試零件。

3 結果與討論

3.1 熱卷樣品組織分析

機架間冷卻水全開及僅開啟F1、F2機架間冷卻水的熱軋板寬中部樣品的表面組織形貌如圖1所示。由圖1可知，UF340熱軋表面組織形貌與普通Ti-IF鋼不同，晶粒形狀并非傳統等軸晶粒狀態，且晶粒尺寸更小，這主要是由于Nb抑制了奧氏體的再結晶和形核[11]。對比2個樣品發現，機架間冷卻水全開時晶粒大小不均勻，樣品表面存在一定數量沿軋向延長的晶粒，平均晶粒尺寸為9.07 μm。而關閉后部機架間冷卻水后，晶粒均勻性有所提升，平均晶粒尺寸為10.21 μm。后部機架間冷卻水的開閉對熱卷中部表面組織的形貌影響不大。

在2種工況下所得的樣品均呈現出含Nb-IF鋼的典型熱軋組織，如圖2所示，但整體織構較弱，晶粒取向不集中。取向峰值主要出現在α-纖維織構取向線上。其中，后部機架間冷卻水關閉后，樣品織構略有增強，峰值強度由機架間冷卻水全開的4.12升高至6.56，但對樣品表面整體取向分布的狀態影響不大。

圖3為2種工況下熱卷距邊部1/4位置的表面組織對比。機架間冷卻水全開的熱卷表面1/4位置與中心位置組織形貌明顯不一致，1/4位置細碎晶粒增多，且晶粒內部出現明顯的取向差異，<110>和<111>方向與板面法向平行的晶粒體積分數增大，該樣品平均晶粒尺寸僅為6.81 μm。

僅開F1、F2機架間冷卻水的熱卷距邊部1/4位置的樣品組織與圖1b給出的熱卷中心組織形貌基本一致，圖3b所示樣品平均晶粒尺寸為9.63 μm，與心部晶粒大小基本相同，說明其寬度方向組織均勻性更好。由此可見，打開全部機架間冷卻水后，邊部溫降更加明顯，導致帶鋼寬度方向溫度分布不均勻，中心溫度高，邊部溫度低，邊部再結晶及晶粒生長驅動力不足，此晶粒生長程度存在差異，表現為沿板寬方向的不均勻組織。熱卷的不均勻組織可能會遺傳至冷硬及成品組織，影響UF340的成品性能均勻性。

3.2 成品樣品組織分析

機架間冷卻水對成品中部表面組織的影響如圖4所示，熱軋機架間冷卻水對成品表層中心位置組織和織構的影響非常微弱，機架間冷卻水開關前后平均晶粒尺寸分別為9.70 μm和9.03 μm，晶粒基本為等軸狀。熱軋表層組織中的拉長未再結晶晶粒基本消失，退火過程中UF340完成了充分再結晶。

2種UF340成品中心位置表層織構比例對比結果如表2所示，與IPF分布圖結果一致，后部機架間冷卻水開閉對成品中部織構整體影響較小。樣品中典型的冷軋織構（{112}<110>）[12]比例低于1%，再結晶織構比例超過70%。機架間冷卻水全開樣品表層中心位置的γ-纖維織構比例比僅開F1、F2機架間冷卻水的樣品低2.6%，說明在冷軋及退火后，機架間冷卻水對成品的影響大幅減弱。

由3.1節研究結果可知，機架間冷卻水的開閉對熱軋卷表層組織沿寬度方向的均勻性影響顯著，而汽車鋼板軋制全流程中，組織均勻性會由熱軋遺傳至成品[13]，因此，在2種工況下成品距邊部1/4位置取樣對其表面進行EBSD表征，結果如圖5所示。機架間冷卻水對成品1/4位置的組織略有影響，但影響程度明顯小于熱軋組織。機架間冷卻水全開時，成品1/4位置表層仍有少量未再結晶組織，細小晶粒數量較多。此類晶粒在板材沖壓過程中與周圍晶粒變形能力不同，形成局部變形不均勻現象，因此易產生圖1所示沖壓條紋，且此時材料內γ-纖維織構比例為68.0%，與中心位置相比，再結晶程度略有不足。僅開F1、F2機架間冷卻水的樣品γ-纖維織構比例為72.1%，平均晶粒尺寸為9.32 μm，與中心位置組織基本一致。由此可見，關閉后部機架間冷卻水后，UF340成品沿寬度方向組織均勻性非常好。成品組織均勻性的提升對于消除沖壓條紋、降低板材表面波紋度、提升產品表面鮮映性十分有利。

3.3 UF鋼成品表面組織對成形件表面鮮映性的影響

由3.2節研究結果可知，后部機架間冷卻水關閉后，UF340表層晶粒實現完全再結晶，且沿板寬方向組織均勻性好。此類組織有利于規避傳統IF鋼沖壓過程中常見的因表層未再結晶組織或不均勻組織導致的沖壓表面缺陷。由EBSD分析結果可知，UF340表現出極高比例的深沖織構，具有良好的沖壓成形性能。

張露星等[14]研究了傳統IF鋼在成形后對波紋度增量的影響因素，研究指出，成形后鋼板的波紋度是原板波紋度及成形引起波紋度增量疊加的結果，而鋼板成形后波紋度增量與其表層晶粒形態相關，晶粒尺寸越大，變形波紋度增量越大，且表層的未回復再結晶晶粒會引起表面波紋度增量異常增大，該結論得到了其他研究的支持[15-16]。UF340晶粒尺寸比常規IF鋼更小。胡燕慧等[16]研究了IF鋼（DC04）沖壓后表面輪廓的變化對涂裝表面質量的影響，研究認為，為得到良好涂裝表面質量，需保證板材沖壓后表面波紋度小于0.4 μm。由于僅開F1、F2機架間冷卻水的條件下成品組織均勻性較好，因此，選用該工況樣品進行成形表面質量檢測。圖6為UF340在某主機廠進行的掛片試驗的結果，由圖6可知，沖壓變形5%后的UF340表面質量依然較高，零件表面光澤度高，對光線反射十分清晰。經主機廠檢測，UF340涂漆后波紋度僅為0.169 μm，DOI值達到92，滿足免中涂表面質量要求。

4 結論

a. 機架間冷卻水全開后，由于邊部溫度降低導致再結晶驅動力不足，UF340熱軋卷距邊部1/4位置與中部的表面組織存在明顯差異，僅開F1、F2機架間冷卻水的熱卷在寬度方向組織均勻性較好；

b. 熱軋表面的不均勻性會輕微遺傳至成品，僅開F1、F2機架間冷卻水的成品寬度方向組織高度一致，成品平均晶粒尺寸約為9 μm，{111}織構比例超過70%，能夠有效避免沖壓條紋的產生，提升沖壓件表面鮮映性；

c. 僅開F1、F2機架間冷卻水的條件下，UF340沖壓變形量為5%時，涂漆后波紋度僅為0.169 μm，DOI值為92，滿足主機廠免中涂表面質量要求。

參考文獻：

[1] 柯聰， 董蓓. 汽車涂裝免中涂工藝對鋼板表面質量要求的影響[J]. 武漢工程職業技術學院學報， 2016， 28（4）： 27-29.

[2] 王明， 完顏成功， 強俊， 等. 油漆外觀能力提升創新成果探討[J]. 現代涂料與涂裝， 2023， 26（8）： 60-62+72.

[3] 何俊， 周浩， 康斌. 熱鍍鋅汽車板表面橫條紋產生原因分析[J]. 武鋼技術， 2014， 52（2）： 23-27.

[4] 付爭春. 沖壓件表面缺陷形成機理的試驗與仿真研究[D]. 長春： 吉林大學， 2008.

[5] 趙永亮. 連退板沖壓后縱向條紋缺陷成因分析[J]. 冶金動力， 2022（2）： 48-50.

[6] 盧秉仲， 張杰， 張冰， 等. 冷軋IF鋼細密類縱向條紋形成機理及工藝控制[J]. 金屬世界， 2020（6）： 17-20.

[7] 金鑫焱， 畢文珍， 王利. 晶粒特征在汽車板表面缺陷分析中的應用[J]. 物理測試， 2022， 40（3）： 35-44.

[8] 王暢， 于洋， 關建東， 等. 熱軋潤滑對IF鋼表面狀態的影響[J]. 熱加工工藝， 2023， 52（9）： 95-97+102.

[9] 田秀剛， 馮曉勇， 宋曉娟. 超低碳IF熱軋帶鋼表面混晶的分析與控制[J]. 河北冶金， 2018（6）： 47-49+31.

[10] 林琳. 機架間冷卻水控制系統在萊鋼的應用[J]. 自動化應用， 2013（6）： 33-35.

[11] Ray R K， Jonas J J， Hook R E. Cold Rolling and Annealing Textures in Low Carbon and Extra Low Carbon Steels[J]. International Materials Reviews， 1994， 39（4）： 129-172.

[12] SAMAJDAR I， VERLINDEN B， HOUTTE P V， et al. K-Fibre Recrystallization Texture in IF-Steel： An Investigation on The Recrystallization Mechanisms[J]. Materials Science and Engineering A， 1997， 238（2）： 343-350.

[13] JIN Z L， LI W， LI Y M. Effect of Hot-Rolled Microstructure on the Recrystallization Texture of Cold-Rolled Non-Oriented Electrical Steel[J]. Advanced Materials Research， 2011， 1327（298）： 203-208.

[14] 張露星， 張軍， 葛浩， 等. IF鋼成形后波紋度增量的研究[C]// 第十四屆中國鋼鐵年會論文集——10.先進鋼鐵材料與應用. 重慶：中國金屬學會， 2023： 106-111.

[15] 吳慶美， 卜凡征， 郭強， 等. IF鋼的表面波紋度[J]. 金屬功能材料， 2023， 30（5）： 118-122.

[16] 胡燕慧， 張浩， 劉李斌， 等. 汽車外板沖壓后表面輪廓變化對2C1B涂裝質量的影響[C]// 第十二屆中國鋼鐵年會論文集——9.鋼鐵材料表征與評價. 北京： 冶金工業出版社， 2019： 77-81.