孫 彬, 尤宏廣, 郝明欣, 王孝偉, 張朋飛, 于 茜

(1. 沈陽大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽110044;2. 河鋼集團(tuán) a. 邯鋼公司, 河北 邯鄲 056000; b. 邯鋼公司邯寶熱軋廠, 河北 邯鄲 056015)

在鋼中添加Si元素能有效提高鋼的電阻率, 其對應(yīng)用于摩托車上的電磁零件是非常重要的[1]. 在熱軋的過程中, 從加熱爐、粗軋、精軋等工序開始, 鋼板始終暴露在高溫氧化性環(huán)境中, 因此鋼板表面會生成氧化鐵皮[2-3]. 在熱軋過程中往往有多道次的高壓水除鱗, 但有些鋼種的除鱗效果并不理想, 尤其是鋼中含有Si元素. Si易在界面處形成復(fù)合氧化物, 這些復(fù)合氧化物會將氧化鐵皮包裹其中, 在后續(xù)的除鱗過程中除不掉. 根據(jù)FeO-SiO2相圖可知, 共晶反應(yīng)溫度為1 446 K[4-5],即1 173 ℃.傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,將加熱爐出爐溫度控制在1 173 ℃以上時(shí),Fe2SiO4呈液態(tài),有利于除鱗,但往往收不到理想的效果.本文對實(shí)驗(yàn)鋼種的Fe2SiO4相的實(shí)際熔點(diǎn)進(jìn)行討論,研究s含Si鋼的高溫氧化機(jī)理,為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論支撐.

1 實(shí)驗(yàn)方法

在2塊鋼板上用線切割機(jī)分別截取15 mm×10 mm×1.5 mm試樣各6塊.加熱實(shí)驗(yàn)在SPJX-8-13型管式電阻爐中進(jìn)行.加熱溫度分別為1 150和1 200 ℃.在Fe2SiO4理論熔點(diǎn)的上下分別設(shè)定加熱溫度,考查Fe2SiO4的物理狀態(tài)對氧化鐵皮的影響.氧化時(shí)間設(shè)定為600、1 800和3 600 s.具體實(shí)驗(yàn)過程如下:以10 ℃·min-1的升溫速率升高到預(yù)設(shè)定的加熱溫度,恒溫5 min以保證爐內(nèi)溫度均勻,然后快速將試樣放入管式爐的中間位置,保溫至設(shè)定的時(shí)間后,快速從爐中將試樣夾出,進(jìn)行端淬,再用熱鑲嵌機(jī)將試樣鑲嵌,對試樣進(jìn)行砂紙打磨、拋光,腐蝕后采用OM、SEM和EDS等分析手段進(jìn)行氧化鐵皮斷面形貌和化學(xué)成分檢測(表1).

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化鐵皮斷面形貌

圖1所示為Fe-0.3Si鋼在氧化溫度為1 150和1 200 ℃時(shí),經(jīng)不同氧化時(shí)間后氧化鐵皮的斷面形貌.通過圖1a～圖1c可以觀察到,當(dāng)氧化溫度為1 150 ℃時(shí),氧化鐵皮是由外層較薄的Fe3O4層和內(nèi)層的FeO層組成.在當(dāng)氧化時(shí)間為3 600 s時(shí),在靠近外側(cè)FeO層中出現(xiàn)了大量先共析的Fe3O4,但并沒有發(fā)現(xiàn)共析組織.在相同的氧化溫度條件下,增加氧化時(shí)間,氧化鐵皮的厚度逐漸增加.同時(shí)在3幅圖中均發(fā)現(xiàn)在氧化鐵皮與基體的界面處出現(xiàn)了一層Fe2SiO4和FeO的共晶組織,并且Fe2SiO4均沿著氧化鐵皮裂紋向氧化鐵皮內(nèi)部和基體側(cè)發(fā)生擴(kuò)散,表明在實(shí)際加熱過程中,Fe2SiO4出現(xiàn)液相狀態(tài).氧化溫度為1 200 ℃時(shí),氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)與1 150 ℃時(shí)基本相同,只不過氧化時(shí)間為1 800和3 600 s時(shí),在靠近外側(cè)的氧化鐵皮層中出現(xiàn)了大量的Fe3O4析出物.在氧化溫度為1 200 ℃時(shí),也在氧化鐵皮與基體界面處觀察到了共晶組織,并且共晶組織也發(fā)生了向內(nèi)和向外的擴(kuò)散現(xiàn)象.同時(shí)在氧化鐵皮層中觀察到了大量的孔洞和裂紋,大部分的孔洞都集中在氧化鐵皮與基體的界面處.在界面處存在的孔洞主要集中在Fe2SiO4和FeO的共晶組織中,孔洞方向一般平行于界面方向.裂紋主要集中在向外擴(kuò)散的共晶組織處.

圖1 Fe-0.3Si鋼在不同氧化溫度和時(shí)間下的氧化鐵皮斷面形貌Fig.1 Cross-sectioin structure of oxide scale of Fe-0.3Si steel at different temperatures and times

圖2為Fe-0.6Si鋼在氧化溫度為1 150和1 200 ℃時(shí), 經(jīng)不同氧化時(shí)間后氧化鐵皮的斷面組織形貌.除了氧化溫度為1 150 ℃, 氧化時(shí)間為600 s時(shí)的氧化鐵皮層中沒有出現(xiàn)先共析Fe3O4析出物以外, 余下的所有氧化鐵皮層中均出現(xiàn)了先共析Fe3O4析出物. 同時(shí), 在設(shè)定的2個(gè)氧化溫度下, 經(jīng)過不同的氧化時(shí)間在氧化鐵皮與鋼基體的結(jié)合處均出現(xiàn)了厚度不同的Fe2SiO4和FeO的共晶組織. 界面處的共晶組織同樣在沿著氧化鐵皮的裂紋處向氧化鐵皮內(nèi)部和基體側(cè)的方向均出現(xiàn)了擴(kuò)散. 氧化鐵皮與基體的結(jié)合處還出現(xiàn)了大量的孔洞和裂紋. 與Fe-0.3Si鋼相同, 孔洞的位置主要集中在氧化鐵皮與基體的界面處, 即共晶組織的位置.觀察氧化溫度為1 150和1 200 ℃,氧化時(shí)間為3 600 s時(shí),已形成平行界面的孔洞帶,并且這部分孔洞帶已將FeO層分割成了2部分.對比Fe-0.3Si鋼和Fe-0.6Si鋼的氧化鐵皮形成的孔洞,隨著Si含量的增加,孔洞出現(xiàn)的越來越多,最后形成了孔洞帶.孔洞帶的形成,在一定程度上增加了陰陽離子雙向擴(kuò)散的阻力,這也是隨著Si含量的提高,氧化鐵皮厚度減小的原因之一.

2.2 Fe2SiO4的熔點(diǎn)分析

如前所述,Fe2SiO4的理論熔點(diǎn)為1 173 ℃.很多研究文章[6-8]均是以這個(gè)理論溫度為標(biāo)準(zhǔn)的.在實(shí)際熱軋工序中,加熱爐中的溫度低于1 173 ℃時(shí), 即低于Fe2SiO4的熔點(diǎn), 固態(tài)的共晶產(chǎn)物在初除鱗過程中未除凈, 從而引起各種表面缺陷現(xiàn)象. 通過本實(shí)驗(yàn)可知, 當(dāng)氧化溫度為1 150 ℃時(shí), 不論是Fe-0.3Si鋼還是Fe-0.6Si鋼, 都出現(xiàn)了不同程度的Fe2SiO4擴(kuò)散現(xiàn)象, 說明此時(shí)的Fe2SiO4是液態(tài)的. 這種液態(tài)的Fe2SiO4可以向外層的氧化鐵皮中滲透,滲透的位置主要沿著FeO的晶界處.其還可以向基體側(cè)滲透,造成氧化鐵皮與基體的界面凹凸不平,增大了除鱗難度. 液態(tài)Fe2SiO4向2個(gè)方向的滲透如圖3所示,說明在1 150 ℃溫度下,Fe2SiO4已經(jīng)達(dá)到了熔點(diǎn),呈現(xiàn)液態(tài), Fe2SiO4的實(shí)際熔點(diǎn)要低于理論溫度.劉小江[9]通過DSC的方法測定了Fe-2.2Si鋼中Fe2SiO4的熔點(diǎn)為1 140 ℃, 說明不同的鋼種在高溫下形成的Fe2SiO4的熔點(diǎn)會偏離理論熔點(diǎn).

圖2 Fe-0.6Si鋼在不同氧化溫度和時(shí)間下的氧化鐵皮斷面形貌Fig.2 Cross-section structure of oxide scale of Fe-0.6Si steel at different temperatures and times

圖3 1 150 ℃時(shí)Fe2SiO4向氧化鐵皮內(nèi)部擴(kuò)散Fig.3 Diffusion of Fe2SiO4 into iron oxide scale at 1 150 ℃

2.3 Fe2SiO4和FeO共晶組織的斷面形貌分析

圖4所示為Fe2SiO4和FeO共晶組織的斷面組織形貌.從圖4中可以看出,在Fe2SiO4層中存在著許多棒狀或者是點(diǎn)狀的白色組織.圖4中標(biāo)注的各個(gè)位置處的能譜分析成分如表2所示.

表2 標(biāo)注位置處能譜分析

圖4Fe2SiO4和FeO共晶組織的斷面形貌

Fig.4Cross-sectionmorphologyofFe2SiO4andFeOeutecticcompound

從表2可以看出,白色物質(zhì)基本上是由Fe和O組成,還含有較少量的Si.丁美良[10]研究發(fā)現(xiàn),點(diǎn)狀和棒狀的白色物質(zhì)均為FeO共晶產(chǎn)物,只是晶粒的位向不同,導(dǎo)致了共晶產(chǎn)物的形態(tài)不同.由FeO-SiO2的相圖可知,在Fe2SiO4區(qū)域的左右兩側(cè)分別存在著共晶混合物區(qū)域,左邊為Fe2SiO4和SiO2,右邊區(qū)域?yàn)镕e2SiO4和FeO.由于在氧化鐵皮層中FeO的含量遠(yuǎn)大于SiO2的含量,因此在高溫狀態(tài)下,會形成液態(tài)組織和FeO,液態(tài)組織包裹著FeO.隨著溫度的下降,液態(tài)組織在發(fā)生凝固的過程中會發(fā)生共晶反應(yīng),形成Fe2SiO4和FeO的共晶組織.

2.4 共晶產(chǎn)物層的厚度統(tǒng)計(jì)

圖5為Fe-0.3Si鋼和Fe-0.6Si鋼在1 150和1 200 ℃時(shí)分別經(jīng)過600、1 800和3 600 s氧化后, Fe2SiO4和FeO共晶組織層的厚度統(tǒng)計(jì)圖. 從圖5可以看到, 在不同的氧化溫度下, Fe-0.6Si鋼生成的共晶組織層的厚度均大于Fe-0.3Si鋼, 說明增加Si元素含量有利于促進(jìn)共晶組織生成.

圖5 Fe-0.3Si鋼和Fe-0.6Si鋼在不同氧化溫度和時(shí)間下共晶組織層的厚度統(tǒng)計(jì)圖

2.5 富Si層的形成機(jī)理分析

Fe-0.3Si鋼和Fe-0.6Si鋼在高溫氧化的初期,鋼內(nèi)的Fe元素和Si元素均擴(kuò)散到樣品表面,與空氣中的氧發(fā)生氧化反應(yīng),生成SiO2和FeO.SiO2不是被鐵的氧化物包圍的,而是平鋪生長,因此分布比較細(xì)小和均勻.同時(shí)發(fā)生固相反應(yīng)的SiO2和FeO反應(yīng)生成了Fe2SiO4晶核.隨著晶核的逐漸長大,Fe2SiO4生長在氧化鐵皮層中,多數(shù)富集在氧化鐵皮和基體界面處.由于氧化溫度高于Fe2SiO4的熔點(diǎn),因此形成的Fe2SiO4發(fā)生熔化,擴(kuò)散方向由氧化鐵皮裂紋處向內(nèi)部擴(kuò)散,同時(shí)由基體晶粒晶界處向內(nèi)部擴(kuò)散.其示意圖如圖6所示,這種熔化產(chǎn)生的擴(kuò)散給后續(xù)的除鱗帶來了極大的影響,易因除鱗除不盡而形成各種表面缺陷.

圖6 富Si層的形成及擴(kuò)散示意圖Fig.6 The schematic diagram of formation and diffusion of Si enrichment layer

3 結(jié) 論

1) Fe-0.3Si鋼和Fe-0.6Si經(jīng)1 150和1 200 ℃高溫氧化后,整個(gè)氧化鐵皮層的斷面結(jié)構(gòu)均為由外層的鐵氧化物和靠近基體側(cè)的Si的富集層組成.

2) 在2個(gè)氧化溫度下,均出現(xiàn)了Fe2SiO4向氧化鐵皮內(nèi)部和基體內(nèi)部擴(kuò)散的現(xiàn)象,說明Fe2SiO4的實(shí)際熔點(diǎn)均低于2個(gè)氧化溫度,1 173 ℃僅為Fe2SiO4的理論熔點(diǎn),在實(shí)際鋼種氧化時(shí)生成的Fe2SiO4的熔點(diǎn)會偏離理論熔點(diǎn).

3) SiO2與FeO發(fā)生固相反應(yīng)生成Fe2SiO4.FeO的共晶產(chǎn)物出現(xiàn)在Fe2SiO4層中,以白色點(diǎn)狀或棒狀組織方式出現(xiàn).