冷轧深冲钢板断带原因分析

供稿|海超，王忠东

内容导读

作为汽车用钢的冷轧深冲钢板属于高附加值产品。本钢冷轧厂在轧制深冲钢板过程中发生断带，影响了生产的连续性和生产节奏，并且造成了深冲钢板质量降级。通过对钢板断带断口进行宏观、微观分析，以及断口部位和钢板的夹杂物分析，得出数量较多的且分布比较集中的TiN夹杂物是造成断带发生的原因所在。分析指出：TiN主要在炼钢阶段形成，合理添加Ti和较快的冷却速度可以得到细小的TiN颗粒，有效阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒，从而充分发挥TiN的积极作用，改善材料的焊接性能和冷成形性能。

汽车行业的快速发展带动了钢铁企业汽车用钢的研发和生产，作为汽车用的冷轧深冲板属于高附加值产品，更加促进了钢铁企业的蓬勃发展。但是深冲钢板在冷轧厂的生产过程中极易发生断带，严重影响生产的节奏和连续性，同时深冲钢板因质量问题而被降级处理也会影响企业的生产效益。为了解决这一问题，本钢对冷轧深冲钢断口的宏观状态、微观形貌、非金属夹杂物及断口部位的夹杂物分布进行分析，找到了断带的原因。

实验与分析

断带钢板的化学成分

采用美国力可公司CS600碳硫测试仪、GDS850A辉光测试仪、ThermoFisher公司iCAP Q光谱仪测试对断裂试样的化学成分进行分析，发现C、Si、Mn、P、S、Als等元素均在合理范围，Ti元素较高，接近于成分设计的上限。

断口宏观分析

断带样品断口呈不规则的波浪状，断口起伏较大，断裂部位的塑性变形明显，属于韧性断裂。

图1 断带样品的照片

断口微观分析

将在断带上截取的断口在酒精溶液中超声清洗，去除表面乳化液、油污及灰尘。利用扫描电镜及能谱仪对断口形貌、夹杂物分布及微区成分进行观察和分析(图2)。从图中可以看出断口存在大量微孔，微孔大小不一，主要表现为等轴状和被拉长的椭圆状，且被拉长的椭圆状的微孔存在点状及块状非金属夹杂物，属于明显的韧窝断口特征[1]。能谱分析显示断口存在非金属夹杂物，主要为TiN夹杂物。

图2 韧窝断口的SEM图及断口夹杂物的能谱分析

断口金相分析

将垂直于断带断口的方向的截面经过多道砂纸研磨后抛光，在光学显微镜下可见金相磨面上分布较多的非金属夹杂物，在断裂的扩展方向上存在着方形或者是规则的多边形块状非金属夹杂物，且能谱的微区成分分析为TiN夹杂物(图3)。之后用体积分数4%硝酸酒精腐蚀后，夹杂物分布在铁素体晶界上(图4)。

图3 断裂裂纹上的TiN夹杂物

结果与讨论

图4 晶界上的TiN夹杂物

由于钛铁的经济性和Ti具有细晶强化和析出强化的作用而被广泛应用。Ti不仅可与N、C结合形成稳定的氮化物、碳化物，阻止奥氏体晶粒的长大，改善材料的焊接性能，而且可使钢中的硫化物变质，改善材料的冷成形性能。在冷轧过程中，钢板中的Ti首先与N结合形成TiN，TiN颗粒的大小与析出的过程有关，粗大的TiN颗粒(＞0.5 μm)是液态或者钢液凝固过程中的析出相，高温时在铸坯中形成。经过轧制后保留在钢中，但因其颗粒尺寸较大起不到沉淀强化的作用[2]。而钢液凝固后析出的细小的TiN颗粒比较稳定，能够有效的阻止奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒。所以当钢中的TiN颗粒尺寸较大或者呈聚集状态分布时成为钢中的有害相。

TiN的尺寸大小与钢水中的Ti、N含量及冷却速度有关。钢水中的Ti、N含量越低，液态析出的TiN越细小，同时冷却速度越大液态析出的TiN就会越小，所以合理控制Ti含量和较快的冷却速度有利于TiN颗粒的细化，从而充分发挥TiN的积极作用。综上所述，钢板中存在集中分布的非金属夹杂物TiN割裂了钢板的连续性和破坏了金属的延展性，从而导致在冷轧过程中钢板发生断带。

摄影 刘继鸣

结束语

(1) 钢板中存在集中分布的、较大尺寸的TiN夹杂物是引起断带的主要原因。

(2) TiN主要在炼钢阶段形成，合理添加Ti和较快的冷却速度可以得到细小的TiN颗粒，有效阻止奥氏体晶粒的长大，从而细化晶粒。