低镍高锰氮奥氏体不锈钢冷轧着色缺陷的控制

缪剑波

　节镍型奥氏体不锈钢由于具有优良的机械性能、更低的合金成本，受到越来越多的关注。目前在国内该品种已广泛应用于弱腐蚀环境、普通用途领域，如器具、室内装修等方面。
　节镍型奥氏体产品属于铬锰氮奥氏体不锈钢，其与传统的镍系奥氏体不锈钢在成分上的最大区别在于加入了较高含量的锰、氮（有时还有铜）等奥氏体形成元素，获得室温下单一的奥氏体组织，主要应用于8K抛光、拉丝等装饰表面，对带钢的表面色泽均匀度要求极高。然而，由于其抗高温氧化性能较差，易在带钢表面产生着色缺陷，无法完全满足后续成品加工高等级面板类不锈钢制品的要求。解决着色缺陷问题，可以从不锈钢冷轧制造全流程工艺控制的角度进行探讨。
  　　节镍型奥氏体不锈钢的材料特性
      　　奥氏体不锈钢因其具有良好的塑性和耐蚀性，以及相对低的强度和优异的成型性，在各个领域得到了广泛的应用。目前，全球奥氏体不锈钢的产量仍占不锈钢总产量的60%以上。根据形成奥氏体基体的合金化类型，可将奥氏体不锈钢分为铬镍奥氏体和铬锰奥氏体不锈钢两大基本体系。前者以镍为主要奥氏体形成元素，典型钢种为304、316等；后者奥氏体形成元素主要是氮和锰，由于对铬含量超过15%的合金单独使用锰，即使超过25%也不能形成完全奥氏体，为此必须与碳、氮协调使用，常常还加入少量的镍，因此，这类合金亦称铬锰氮（Cr-Mn-N）奥氏体不锈钢或铬锰镍氮（Cr-Mn-Ni-N）奥氏体不锈钢。由于铬锰氮奥氏体不锈钢中减少了贵金属镍的使用，通常也被人们称为节镍型奥氏体不锈钢，其特性与氮、锰、铜等元素在钢中的相互关联影响密切相关。
    　氮是形成、稳定和扩大奥氏体相的元素，其作用相当于镍的18倍~25倍（采用镍当量表示）。氮的加入能够大大提高奥氏体相对于马氏体的稳定性（用Ms和Md30/50表示），0.1%的氮可使Ms点降低约166.7℃，约为镍的27倍。在应变30%诱发50%马氏体出现的最高温度Md30/50的计算式中，0.1%的氮使Md30/50降低约46.2℃，其作用与碳大体相当，约为镍、锰合金元素的数十倍。由此可见：氮是强烈形成和稳定奥氏体的元素。氮具有形成、稳定和扩大奥氏体相区的作用，是其能够部分或全部替代不锈钢中贵重元素镍的依据之一。通过分析氮的加入对合金平衡相图的影响也可以看出氮对形成和扩大奥氏体区的作用。
　　锰是较弱的奥氏体形成元素。在镍系奥氏体不锈钢中锰通常是一种脱氧剂，含量一般为1%~2%。但不锈钢中随着锰含量的增加，氮在钢中的溶解度可以显著提高。
　　铜也是弱奥氏体形成元素。另外，铜还可以提高不锈钢的不锈性和耐蚀性，特别是在硫酸等还原性介质中的作用更为明显。铜可以显著降低不锈钢的强度和冷加工硬化倾向，改善钢的塑性，是显著提高各类不锈钢冷成形性能的重要元素。节镍型奥氏体不锈钢由于氮的强烈冷加工硬化作用，往往加入一定量的铜来改善其冷加工性能。&n
　　着色缺陷的形貌特征及其形成机理
　着色的形貌特征主要是指带钢表面在白纸反射下呈茶色或蓝色表面，由于受到带钢表面发生微量氧化时产生氧化膜的厚度差异影响，反射到人眼里的光按照反射的波长不同而呈不同的颜色。
　　基于节镍型奥氏体不锈钢特殊的成分配比形成的抗拉和屈服强度较高、抗高温氧化性差、抗腐蚀性差等特有的材料特性，须考虑重点从热带退火酸洗工艺、二十辊轧机轧制工艺、冷带光亮退火工艺等冷轧一贯制工艺流程予以优化组合调整，着色缺陷才能得到完全控制。
　　着色缺陷控制的关键要素
　　从生产现场工艺控制技术的角度，在不锈钢冷轧过程中影响着色缺陷控制的因素主要有3个：一是热轧带钢在退火酸洗过程中对带钢表面粗糙度及其均匀性的控制，避免粗糙度过高或表面不均匀影响后续光亮退火整个带钢表面的均匀加热效果；二是在冷轧带钢轧制压延过程中，轧辊辊面粗糙度的使用工艺规范、各道次的压下量分配和冷却润滑油量等关键参数设定得是否合理；三是在冷轧带钢光亮退火过程中，入口脱脂清洗段的去除轧制油油污和干燥要求、炉子退火工艺段的目标材温和退火曲线、炉子冷却段带钢温度冷却梯度等关键参数设定得是否合理，以严格控制带钢表面氧化现象的发生。
　热带退火酸洗工序。节镍型奥氏体不锈钢特殊的成分决定了带钢的耐酸性能较差。在确保酸洗效果的同时为了进一步改善钢表面粗糙度的均匀性，可以考虑优化混酸段中HNO3的浓度配比。根据某不锈钢厂生产现场实际情况验证，NO.1白皮卷表面粗糙度Ra值达到2.0um以下时，光亮退火机组的着色缺陷程度将得到比较明显的改善。
　　二十辊轧机轧制工序。在轧辊辊面粗糙度方面，为了进一步改善带钢表面粗糙度的均匀性，须考虑在轧机末两道精轧道次使用Ra=0.1um～0.15um的较光滑的轧辊。在压下量分配方面，节镍型奥氏体属亚稳态奥氏体不锈钢，当冷轧过程形变马氏体增加、冷加工硬化现象加剧时，在考虑单道次合适的轧制力负荷前提下适当增加轧制1个~2个道次，以增强带钢表面对轧辊辊面粗糙度的复制遗传效果。在冷却润滑油量方面，在保证单道次带钢冷却效果的条件下，采用较小的油量以减小轧制时的油膜厚度，同样也可以达到增强带钢表面对轧辊辊面粗糙度的复制遗传效果。根据某不锈钢厂生产现场实际情况验证，通过轧辊辊面粗糙度、压下量分配、冷却润滑油量等措施的组合优化，对带钢表面粗糙度的均匀性改善起到了明显的效果。
　  冷带光亮退火工序。影响不锈钢带光亮退火质量的主要因素有：保护气体的成分和纯度、加热和冷却制度、钢带的除油和脱水等。如何预防着色缺陷的产生？重点应从以下几个方面着手：
　　在炉内保持、保护气体的纯净度是关键。满足光亮退火机组入口脱脂清洗段的去除轧制油油污和干燥要求，以避免含氧物质被带入炉内；光亮退火炉的进出口密封箱、带钢运送段、张力调节辊和炉顶导向辊箱都应确保达到百万分之几（ppm级）的密封要求，使氧气、水汽不能进入，保护气体不能泄出。
   　节镍型奥氏体不锈钢特殊的成分决定了带钢的耐高温性能较差，根据材料特性设置合适的带钢加热温度窗口和加热曲线以避免发生微量氧化反应。同时这与钢带加热后的冷却速度有极大关系，在通常的处理温度下在从室温向高温的加热过程中，虽然在300℃~800℃区间发生氧化但在达到处理温度时很快被还原，只有在处理后的冷却过程中所发生的氧化再不能被还原。因此，快速强化冷却是极其重要的，在800℃以下冷却速度应在20℃/s左右。