冷轧汽车板短线缺陷的分析和控制

付 光，倪有金，关建东，于 洋，吴 耐，焦会立

（1.北京首钢股份有限公司，河北 唐山 064404；2.首钢技术研究院，北京 100043）

0 引言

钢铁行业的用户对产品质量的要求越来越高，尤其是汽车工业、高端家电等行业对钢铁产品的质量要求日趋严格，产品的个性化需求也越来越多。本文通过对冷轧连退汽车板表面短线缺陷进行研究，明确了短线缺陷的产生机理，并提出相应的预防措施，以此有效提升产品质量，降低生产成本，提高经济效益。

以IF 钢为代表的第三代冲压用钢已广泛应用于汽车工业，IF 钢的典型特点是无时效性和良好的深冲性能，同时要求IF 钢具有良好的表面质量，以便于后续喷涂[1]。随着汽车行业的飞速发展和对汽车品质要求的提升，汽车外板用IF 钢的需求越来越大，对其表面质量要求也越来越高。冷轧汽车外板表面出现的短线状缺陷在冷轧酸轧及连续退火后的钢板表面较难发现，在热轧原料上更是无法观察到。但在用户使用时，对其冲压后缺陷会很明显，从而会影响涂装质量[2]。

1 缺陷分析

1.1 宏观形貌

短线缺陷呈纺锤、柳叶形，触摸时有轻微手感，缺陷宽度0.2～0.5 mm，长度1.5～4 mm，长宽比约4～5，成品卷和冷硬卷均可见，发生位置主要集中在连退下表面WS 侧200～500 mm 处，如图1 所示。

图1 短线缺陷宏观形貌

1.2 缺陷微观分析

对短线缺陷进行取样，分别进行扫描电镜（SEM）、电子能谱（EDS）和组织分析。

通过采用蔡司公司生产的EVO18 型SEM 进行形貌相分析，缺陷内部为结疤状、基体破损，由图2 可见，缺陷宽度0.26～0.44 mm，长度3.2～3.6 mm，截面检测缺陷深度约17.89 μm。

图2 SEM 缺陷微观形貌

缺陷沿轧向为结疤状延伸形貌，表层可发现残留氧化铁颗粒，由图3 和表1 可见，疤体存在Cr、Ni、Mo 等轧辊特征元素，特征元素含量呈现Ni 高、Cr 低、少量Mo 的特点（疤体元素为Ni-Cr-Si 元素，其中w（Ni）为5%～8%，w（Cr）为1%～2%，w（Si）为1%～2%），检测结果与首钢技术研究院王畅[3]等对IF 钢短线缺陷的分析结论相同，该短线缺陷来源于热轧工序，其特征元素的含量与热轧精轧机组后段F4—F6 机架无限冷硬轧辊相关。用线切割法在冷硬卷短线缺陷上截取15 mm×15 mm 的试样，经砂纸打磨、轻微抛光，采用质量分数为4%的硝酸酒精浸蚀后，在金相显微镜下观察其显微组织。图4 中整个冷硬卷的组织沿轧制方向呈纤维状，缺陷位置呈黑色块状，黑色块状区域内部组织有大量细小的等轴状或近似等轴状组织。判断该位置在热轧高温奥氏体状态下压入，而后发生了再结晶，形成细小的等轴状铁素体组织，由于缺陷存在深度，在冷轧变形过程中发生较小的冷轧变形，因此维持等轴状或近似等轴状组织形貌。

表1 短线缺陷疤体内颗粒物的能谱分析结果

图3 短线缺陷疤体内颗粒物的微观形貌

综上所述，短线缺陷处为细小等轴状或近似等轴状组织，疤体存在Cr、Ni、Mo 等轧辊特征元素，特征元素含量呈现Ni 高、Cr 低，少量Mo 特点，其中w（Ni）=5%～7%，w（Cr）=1%～2%，w（Si）=1%～2%。该成分与热轧精轧F4—F6 机架无限冷硬工作辊组成吻合，判断为热轧轧制过程工作辊冷却能力不足，导致轧辊温度偏高[4]，轧辊表层组织出现破碎剥落，压入带钢后经冷轧形成短线缺陷。结合缺陷的长宽比定量分析表明，F5—F6 机架轧辊氧化膜剥落的可能性最大。

2 产生机理

热轧生产过程中，轧辊在高温下会快速形成一层银灰色或浅蓝色的黏结性良好、致密并且均匀的氧化膜，氧化膜的存在不仅可以降低轧辊与带钢之间的摩擦力，从而降低轧制力，而且还可以阻止热扩散，防止热应力裂纹向辊身扩展，提高成品的表面质量和尺寸精度。在轧制过程中，轧辊会周期性地受到接触应力和热应力的作用，这两种力的相互作用会在氧化膜和轧辊基体之间产生裂纹，当氧化膜的黏结力小于剪切应力时，就会发生氧化膜剥落[5-6]。碎化的细小氧化膜颗粒被压入带钢表面，在冷轧轧制后随带钢纵向延长继续延伸为短线状缺陷。发生短线缺陷的钢种集中在IF 软钢中，IF 钢相变温度比较高，终轧温度约900～920 ℃，因此带钢和轧辊表面温度相对较高，轧辊氧化膜内部的热应力大，容易形成裂纹，易将轧辊表面碎化的细小颗粒压入带钢基体，形成短线缺陷。短线缺陷形成示意图如图5 所示。

图5 短线缺陷形成示意图

3 控制措施

改善轧辊氧化膜首先应严格控制轧制温度，优化冷却环境，使轧辊尽快冷却，控制氧化膜内应力的累加和氧化膜增厚；其次，要合理分布轧制力，避免局部应力集中造成该处氧化膜过早剥落[7-8]。

对热轧下线的轧辊表面状态进行检查，确认F5—F6 机架轧辊下辊表面存在点线状缺陷，缺陷位于轧辊WS 侧，与微观分析结论、成品缺陷的位置对应。利用检修期间清理精轧内部F1—F6 水冷喷梁的杂质，对喷嘴的喷射角度、流量进行检查（见图6）。

图6 对热轧轧辊表面以及喷嘴检查

经对缺陷产生机理分析后，进行热轧烫辊制度、精轧负荷、冷却水和轧制润滑控制等验证性试验，具体实施内容及效果如表2 所示，具体控制措施为：

表2 实验内容和结果

1）控制烫辊节奏，避免辊温升速过快，调整终轧温度850 ℃—870 ℃—890 ℃逐步提升；

2）优化热轧外板水冷却模式，进行精轧前后机架冷却互补，减少F1—F4 水量，增加F5—F6 水量，提高末端机架冷却效果；

3）控制末道次精轧负荷，其中F5 压下率＜27%、F6 压下率＜17%，提高轧制润滑，避免末道次铁皮压入；

4）尝试F1—F6 全部机架使用高速钢轧辊，保证轧辊表面硬度，减少氧化膜剥落[9]；

5）提升酸洗能力，使拉矫延伸率＞3%，1—3 号酸洗槽硫酸质量浓度提升5～10 g/L，控制酸洗速度＜150 m/min，缓解短线缺陷程度。

通过控制措施的逐步落实，短线缺陷每月封闭量低于30 卷，平均缺陷发生率低于1.0%，综合缺陷的数量由89 512 处/卷降低至2 100 处/卷，缺陷得到有效控制。短线缺陷控制效果情况如图7 所示。

图7 短线缺陷控制效果

4 结论

1）短线缺陷处的疤体存在Cr、Ni、Mo 等轧辊特征元素，特征元素含量呈现Ni 高、Cr 低、少量Mo 的特点（w（Ni）=5%～7%，w（Cr）=1%～2%，w（Si）=1%～2%），该成分与热轧精轧F5—F6 机架无限冷硬工作辊组成相吻合。

2）短线缺陷本质为热轧轧辊表层组织破碎后压入带钢表面所致的辊系铁皮，由于热轧工作辊冷却水不足，导致轧辊温度偏高，轧辊表层组织出现破碎剥落，压入带钢后经冷轧形成短线缺陷。

3）通过烫辊制度优化、精轧负荷优化、上机轧辊质量管控、各机架工作辊冷却水和润滑控制、全机架高速钢轧辊配置、冷轧工序酸洗制度优化（酸液提温、提浓度、增大拉矫插入量）等措施，使得短线缺陷发生率由15.8%降低至1.0%以下。