微碳钢冷轧板暗斑缺陷的产生原因及预防措施

刘韶华

(1.钢铁研究总院工艺所，北京 100081；2.四川机电职业技术学院，四川 攀枝花 617000)

表面质量是冷轧钢板的重要质量指标，表面质量控制技术是冷轧钢板的关键技术[1]。随着汽车、家电等用户对产品质量要求的不断提高，冷轧带钢表面质量也越来越受到人们的重视，得到了更加深入的研究[2]。

为了满足用户对冷轧钢板成形性能的要求，西南某钢厂在传统低碳铝镇静钢的基础上开发了微碳钢板带产品，将钢中碳的质量分数从0.05%左右降低到0.01%～0.03%，以降低该产品的屈服强度，进一步提高断后伸长率，使塑性应变比r和应变硬化指数n的平均值分别达到2.1和0.21，从而具有良好的冲压成形性能。

但在生产的初期，采用微碳钢生产的冷轧钢板表面出现了侧光下才能较明显看到的暗斑缺陷，如图1所示。曾认为，该缺陷是压入热轧带钢表面的氧化铁皮。但在优化了酸洗及冷轧工艺后仍然不能避免[3]，而且出现暗斑缺陷的钢板的比例高达14.98%，造成了巨大的经济损失。

图1 冷轧钢板表面的雨点状暗斑Fig.1 Raindrop- like dark spots on cold- rolled steel sheet

针对微碳冷轧钢板表面的雨点状暗斑问题，本文采用维氏硬度计、纳米压痕仪以及金相显微镜测定、分析了钢板的硬度、表面形貌及显微组织。在确保产品的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率及应变硬化指数n和塑性应变比r值基本不变的条件下，采取了提高热轧终轧温度、降低卷取温度的工艺措施[4]，使发生雨点状缺陷的钢板比例从14.98%降低到了0.42%，取得了良好的治理效果。

1 微碳冷轧钢板雨点状暗斑的检测

如图1所示，微碳冷轧钢板表面的暗斑需在特定的光线(较暗光线)或特定角度(30°)下才可见到，其形貌如同雨水溅落后的形状，沿轧制方向呈长条状(约5 mm长、2 mm宽)，沿整个板面密排分布，无明显触感。钢板上下表面均存在该缺陷，上表面较多[5]。

为了分析微碳冷轧钢板雨点状暗斑的产生原因，采用纳米压痕仪、金相显微镜以及维氏硬度计检测、分析了有缺陷钢板的表面硬度、表面形貌和显微组织。

1.1 雨点状暗斑形貌

采用Nano Indenter G200纳米压痕仪检测了微碳冷轧钢板雨点状暗斑的形貌。在显微镜下缺陷部位和正常部位的形貌分别如图2和图3所示。对比可见，缺陷部位为面积较大的块状组织，周围有少量的细小组织；而正常部位则为较均匀的小块状晶体组织。

对钢板典型的暗斑部位和正常部位进行纳米压痕三维扫描，结果如图4所示。纳米扫描取样面积为100 μm×100 μm。

对比图4(c)和图4(d)可见，暗斑部位的大块状组织为一片凹陷区,而白色组织周围的黑色边界则向上凸起。从图中可见，暗斑部位的凹陷和凸起分布不均匀，而正常部位的凹陷和凸起分布均匀。此外，正常部位的粗糙度较暗斑部位的略大(正常部位的压痕深度约为-4 315～5 836 nm，暗斑部位约为-3 871～4 562 nm)。

图2 采用纳米压痕仪检测的暗斑部位的显微照片Fig.2 Micrographs of the dark spot detected by nano- indentation- meter

图3 采用纳米压痕仪检测的正常部位的显微照片Fig.3 Micrographs of the normal positions detected by nano- indentation- meter

1.2 雨点状暗斑的显微组织

在图1所示的雨点状暗斑部位取样，在做好缺陷标记后制备成金相试样，在金相显微镜下观察缺陷部位和正常部位的显微组织，结果见图5。

从图5可见，钢板表面雨点状暗斑部位为粗大的铁素体晶粒，尺寸约100 μm，部分缺陷部位铁素体晶粒甚至达到300 μm以上。而正常部位及钢板试样厚度方向的中心部位为均匀细小的铁素体晶粒，尺寸为10～20 μm。

1.3 雨点状暗斑的硬度

采用HVB- 30A硬度计测定了钢板缺陷部位和正常部位的硬度，结果列于表1。可见，缺陷部位的硬度较正常部位低3～8 HV5。

2 分析讨论

从微碳钢板雨点状暗斑缺陷的表面形貌、显微组织及表面硬度的检测结果可知[8]：(1)微碳钢板表面雨点状暗斑部位的组织为粗大的铁素体晶粒。而铁素体晶粒越大，硬度越低，在冷轧过程中容易变形，导致表面微观凹陷。(2)根据该微碳钢板冷轧后退火前发现有雨点状暗斑的情况，分析表明，产生雨点状暗斑缺陷的原因是热轧原料钢卷(冷轧工序原料)表面存在粗大的铁素体晶粒，这种粗大的铁素体晶粒经冷轧后拉长变形而呈雨点状分布。(3)作为冷轧钢板原料的热轧带钢，在轧制过程中其表面温度比中心低，而中心的变形程度低于表面。因此，正常情况下，热轧带钢表面的组织要比中心部位细小。这种分布规律将遗传到冷轧产品。但检测结果表明，该微碳钢冷轧钢板雨点状暗斑部位表面组织明显较正常部位的粗大，也即热轧带钢相应部位的表面组织较正常部位的粗大，据此判断，带钢的热轧工艺制度不合理。根据热轧带钢轧制及冷却过程中的组织转变规律[6- 7]，本文通过优化热轧带钢的终轧及卷取温度来预防微碳钢冷轧钢板产生雨点状暗斑缺陷。(4)表层暗斑处粗晶组织将会对后道生产工序和客户使用带来很不利的影响，也无法通过冷轧的后续工序消除。由于粗晶组织的形变不均匀，会严重影响板材的冲压等成形性能，导致用户产品表面出现橘皮状缺陷，少数产品还会产生微裂纹。

图5 钢板缺陷部位和正常部位的显微组织Fig.5 Microstructures in the defective and normal positions of the sheet

表1 钢板缺陷和正常部位的硬度Table 1 Hardness values in the defective and normal positions of the sheet HV5

3 预防措施

根据上述分析，提出预防微碳钢冷轧板表面雨点状暗斑缺陷的工艺措施为[1]：(a)将带钢的热轧终止温度从890 ℃提高到910 ℃；(b)将卷取温度从750 ℃降低到720 ℃。

3.1 工艺改进效果

采用上述优化工艺(终轧温度910 ℃、卷取温度720 ℃)，于2016年7月试生产了3轮98个热轧卷，冷轧分(小)卷后检验289卷。

统计了2016年5月31日至7月20日间冷轧的8 928卷微碳冷轧钢板中，按原热轧工艺(原工艺)生产的钢卷7 414卷，出现雨点状暗斑缺陷的有1 104卷，质量比例为14.98%；而热轧工艺改进后的试验钢卷289卷，出现雨点状暗斑缺陷的有6卷，质量比例为2.13%。

2016年5月31日至7月20日间冷轧的8 928卷微碳钢冷轧钢板质量的统计结果见表2。从表2数据可见，采用改进工艺试生产的钢板的屈服强度比原工艺生产的钢板提高了3.8 MPa(从174.4 MPa提高到178.2 MPa)，抗拉强度提高了3.7 MPa(从311.7 MPa提高到314 MPa)，断后伸长率降低了0.2%(从42.2%降低到42.0%)。仅从以上力学性能看，提高带钢的终轧温度、降低卷取温度对产品性能的影响很小。

表2 原材料带钢热轧工艺改进前、后钢板的力学性能Table 2 Mechanical properties of the sheets produced before and after improving hot- rolling process for the strip steel as raw material

在小批量试生产的基础上，采用改进工艺进行了规模化生产试验。从表3可见，在检验的66 012.57 t产品中，暗斑缺陷存在率为0.448%，因该缺陷而造成产品降级的降级率为0。而原工艺生产的5 526.6 t产品中，暗斑缺陷发生率达15.05%，降级率达1.59%。

从表4可见，带钢的轧制工艺改进后生产的微碳钢冷轧钢板的屈服强度平均值提高了8 MPa，抗拉强度提高了2 MPa，断后伸长率降低了0.5%，r值降低0.01，n值保持不变。

表3 原材料带钢热轧工艺改进前、后生产的钢板雨点状暗斑缺陷的统计数据Table 3 Statistical data of raindrop- like dark spot on the sheets produced before and after improving hot- rolling process for the strip steel as raw material

表4 原材料带钢热轧工艺改进前、后生产的钢板的性能Table 4 Performances of the sheets produced before and after improving hot- rolling process for the strip steel as raw material

注：分子表示统计检测卷性能的数值范围，分母为平均值

4 结论

(1)冷轧微碳钢板表面暗斑部位的组织明显较正常部位粗大，表面硬度较正常部位低，是一种在特定的光线(较暗光线)或特定角度(倾斜约30°)方可见到的显微凹陷。

(2)冷轧微碳钢板表面产生雨点状暗斑缺陷的原因是，热轧原料钢卷(冷轧工序原料)表面存在粗大的铁素体晶粒，该粗大的铁素体晶粒在冷轧后被拉长变形而呈雨点状。

(3)采取提高热轧带钢的终轧温度、降低卷取温度的工艺措施，已成功地将产生雨点状暗斑缺陷的微碳钢冷轧钢板的比例从15.05%降低到了0.45%，钢板的缺陷降级率从1.59%降低到0。

(4)工业生产统计数据表明，提高带钢的终轧温度、降低卷取温度对成品钢板的使用性能影响极小。