DP800双相钢热轧板表面氧化皮红锈的产生原因

2022-11-23李远鹏马二清江社明张启富

理化检验(物理分册) 2022年11期

李远鹏,马二清,崔磊,江社明,张启富

(1.中国钢研科技集团有限公司先进金属材料涂镀国家工程实验室,北京 100081;2.马鞍山钢铁股份有限公司,马鞍山 243003)

双相钢是一种先进高强度钢(AHSS)，具有低屈强比、高初始加工硬化率、抗拉强度与延性的良好匹配等优点[1-2]，在超轻车身用钢(ULSAB-AVC)项目中的使用量占到了高强钢的70%[3]。

随着双相钢使用量的增加，对其表面质量的要求也越来越高。影响镀锌双相钢表面质量的因素除冷轧原料和镀锌工艺外，热轧板的表面质量也是一个重要因素。笔者对DP800双相钢热轧板表面氧化皮产生的红锈进行了分析，研究了红锈对后续酸洗及冷轧工序时钢板表面质量的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为DP800双相钢的热轧原料，厚度为2.94 mm，热轧板的卷曲温度为552 ℃。DP800双相钢的主要化学成分如表1所示。

表1 DP800双相钢的主要化学成分 %

为了分析热轧原料表面氧化皮产生红锈对冷轧板表面质量的遗传性影响，采用400 mm单机架4辊冷轧模拟机对酸洗后的热轧原料进行模拟冷轧，冷轧各道次的厚度及压下率如表2所示，其中设定初始厚度为3 mm，实际初始厚度为2.98 mm。

表2 模拟冷轧各道次的厚度及压下率

1.2 试验方法

从热轧和各道次冷轧板上切取尺寸为10 mm×10 mm(长×宽)的试样，经冷镶后磨制、抛光试样的截面，随后将试样腐蚀并进行金相检验。

采用FEI QuantaFEG 650型扫描电镜(SEM)对试样表面氧化层进行形貌分析，采用Pegasus Apex 4型能谱仪对试样进行微区成分分析。

采用GDA850型辉光放电光谱仪对热轧氧化皮中O，Fe，Si，Mn，Cr等元素分布进行分析。

2 理化检验

2.1 宏观观察

热轧板及酸洗板表面的宏观形貌如图1所示。由图1可知：热轧板表面的红锈沿着轧制方向分布，呈长条纹状，宽度为10～20 mm，长度为200～300 mm[见图1a)]；酸洗后，钢板表面的红锈区域有暗色残留，且粗糙度较大[见图1b)]，但对后续钢板的使用不造成影响。

图1 热轧板及酸洗板表面的宏观形貌

2.2 SEM及能谱分析

热轧氧化皮表面及截面的SEM形貌如图2,3所示。由图2可以看出，氧化皮红锈区域的表面凹凸不平，有很多表面裂纹，表明该区域的氧化皮脆性大，容易发生开裂脱落。由图3可以看出，红锈区域氧化皮的厚度约为16 μm，而正常区域氧化皮的厚度约为7.8 μm，红锈区域氧化皮的厚度约为正常区域的2倍，而且红锈区域的微观结构更加疏松。

图2 热轧氧化皮表面SEM形貌

酸洗后钢板表面红锈区域和正常区域的SEM形貌分析结果显示，红锈区域表面更加粗糙，表明氧化铁皮对钢板基体有一定的侵入。

对酸洗板表面进行能谱分析，发现红锈区域和正常区域的化学成分基本一致，表明酸洗去除表面氧化皮的效果较好。

2.3 辉光光谱分析

热轧板氧化皮的辉光光谱分析结果如图4所示。由图4a)可以看出，氧化皮正常区域的O元素含量比红锈区域低，红锈区域的O元素深度分布为正常区域的2倍，正常区域的O元素深度分布较浅，这与SEM分析结果基本一致，说明红锈区域的氧化皮厚度大于正常区域。由图4b)可以看出，热轧氧化皮正常区域的Mn，Cr，Mo元素含量要远远大于红锈区域的Mn，Cr，Mo元素含量，且均在深度为2.5 μm处出现了一个峰值，说明正常区域的热轧氧化皮有Mn，Cr，Mo元素富集，而红锈区域中Mn，Cr，Mo元素含量低，且没有峰值。

图3 热轧氧化皮截面SEM形貌

图4 热轧板氧化皮的辉光光谱分析结果

酸洗板表面的辉光光谱分析结果如图5所示。由图5可以看出，经过酸洗之后，正常区域和红锈区域的Fe，O，Si，Mn，Cr，Mo等元素分布几乎一致，表明正常区域和红锈区域的氧化皮均已被完全酸洗干净，无残留。酸洗板的正常区域和红锈区域表面化学元素的分布几乎一致，表明红锈区域的化学成分对热镀工艺影响很小，热镀模拟试验结果也证明了这一点。

图5 酸洗板表面的辉光光谱分析结果

2.4 冷轧模拟试验后的SEM分析

经冷轧模拟试验后，采用SEM对酸洗板表面进行观察，结果如图6，7所示。由图6可以看出，经冷轧后酸洗板正常区域也有表面凹凸不平的现象，经过5道次轧制后，表面凹凸不平的现象得到了减轻。由图7可以看出，经过5道次冷轧后，酸洗板红锈区域表面凹凸不平的现象同样也得到了减轻，且红锈区域表面形貌与正常区域没有明显差异。

3 综合分析

热轧板表面的氧化皮由2层结构组成，接近钢板基体的一层是灰色的FeO，而氧化皮表层是Fe3O4，呈现黑色[4]。若氧化皮有一定的裂纹，与氧气充分接触后，Fe3O4表层会出现疏松的红色Fe2O3层，Fe2O3层只占氧化层的1%。

图6 经冷轧后酸洗板表面正常区域的SEM形貌

图7 经冷轧后酸洗板表面红锈区域的SEM形貌

由辉光光谱分析结果可知，热轧板氧化皮红锈区域中合金元素的含量低于正常区域。大量研究表明，钢中合金元素Mn，Cr，Mo会抑制热轧氧化皮的增厚，原因是合金元素会生成较致密的合金氧化层，降低了氧原子向内部的扩散速率[5]。因为热轧板氧化皮红锈区域的合金元素含量低，所以生成了较厚的氧化皮，且氧化皮呈疏松结构，正常区域中的合金元素含量正常，促进了氧化皮的致密化，因此氧化皮较薄。

热轧板在进入热轧工序的粗轧机和精轧机前，板坯需进行高压水除鳞处理，板坯表面熔融的硅酸盐化合物若清除不彻底，后续黏附在板坯表面，会造成基体侵入[6-7]。该钢板少数部位除鳞不彻底，造成了合金元素向氧化皮表面扩散速率慢，因此形成了较厚的氧化皮。

酸洗后钢板表面红锈区域和正常区域的化学成分基本没有差异，说明红锈区域较厚的氧化皮对酸洗质量没有造成影响。冷轧模拟试验结果表明，冷轧后酸洗板表面的红锈区域和正常区域没有差异。因此，热轧板表面的红锈对酸洗以及冷轧工序不会造成不良影响。