SPAH鋼的高溫氧化行為

沈衛(wèi)東， 朱遠(yuǎn)志， 蒙 毅， 張 帆， 林宇龍

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 北京 100041；2.北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院， 北京 100144)

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沈衛(wèi)東1， 朱遠(yuǎn)志2*， 蒙 毅2， 張 帆1， 林宇龍1

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 北京 100041；2.北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院， 北京 100144)

SPAH鋼在熱軋過程中氧化不僅會影響到產(chǎn)品的表面質(zhì)量還會影響到材料的收得率.在熱軋溫度范圍733～1 333 K，對該鋼進(jìn)行了熱軋?jiān)囼?yàn)，利用掃描電子顯微鏡、能譜分析和X射線衍射等方式研究了其高溫氧化行為.研究表明，當(dāng)溫度低于833 K時，鋼的高溫氧化非常輕微.在鋼的溫度低于1 133 K時，其表面氧化膜均比較致密.如果溫度超過1 133 K，所形成的氧化膜松而脆，而且此時隨著溫度的升高，表面氧化速率顯著增加.進(jìn)一步數(shù)值分析表明，提高軋制過程中的冷卻速率或提高軋制速度可以減少表面氧化.

SPAH鋼； 氧化； 高溫； 連鑄連軋

SPAH鋼是一種抗大氣腐蝕的結(jié)構(gòu)鋼，常常用于集裝箱制造等[1-3].這種鋼在大氣及海水環(huán)境下具有良好的抗腐蝕能力,這種抗腐蝕能力主要和材料的成分有關(guān).實(shí)際上，材料的氧化主要受材料的成分、組織結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫度和介質(zhì)等的影響[4-5].SPAH鋼是一種低碳結(jié)構(gòu)鋼，低碳結(jié)構(gòu)鋼熱軋冷卻后，微觀結(jié)構(gòu)上主要是以鐵素體為主，鐵素體鋼具有良好的耐腐蝕性能.人們對該鋼在室溫條件下的抗大氣腐蝕行為做過大量的研究[6-8]. 少量的鉻、鎳可以進(jìn)一步提高材料的抗大氣腐蝕性.加入微量的銅和磷，可以提高空氣環(huán)境條件下所形成氧化膜的致密性，從而提高了材料的抗大氣腐蝕性能.然而作為一種結(jié)構(gòu)材料，人們不僅要關(guān)注它的使用性能，還要關(guān)注它在加工過程中的性能如何，這樣才能保證高效地生產(chǎn)出性能可靠的產(chǎn)品.如SPAH鋼熱軋性能、其在熱軋過程中抗氧化性能等等.如果鋼在熱軋過程中發(fā)生嚴(yán)重氧化，脫落的氧化皮容易被壓入鋼材表面，影響到產(chǎn)品的表面質(zhì)量.氧化越嚴(yán)重，氧化所損失的材料越多，會影響到鋼材的收得率.因此，研究SPAH鋼的高溫氧化行為，特別是在熱軋溫度范圍內(nèi)的氧化行為，具有現(xiàn)實(shí)意義.然而到目前為止，對于SPAH鋼在熱軋溫度范圍附近的氧化行為的研究并不多.本文主要通過熱氧化等方法研究該鋼在熱軋溫度范圍附近的氧化行為.

1 試驗(yàn)

從熱軋鋼板上截取尺寸為10 mm×10 mm×3 mm樣品多塊.樣品的成分見表1.

表1 SPAH鋼的主要化學(xué)成分

所截取的樣品用不同目數(shù)的砂紙進(jìn)行打磨拋光，打磨過程中應(yīng)該注意盡量使每個樣品表面光潔度基本一致.打磨拋光后的樣品放入酒精溶液中，用超聲波設(shè)備進(jìn)行表面清洗，清洗時間10 min.然后干燥清洗完的樣品，干燥好的樣品在馬弗爐中以不同的溫度進(jìn)行氧化試驗(yàn).氧化前后的樣品用分析天平進(jìn)行稱重，以確定材料的抗氧化速率.用掃描電子顯微鏡，能譜分析和X射線衍射等手段對氧化后樣品的氧化膜結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行研究.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 氧化增重

SPAH鋼高溫下的氧化增重曲線見圖1.

圖1 SPAH鋼的高溫氧化增重曲線Fig.1 Mass gain of the SPAH steel in oxidizing at elevated temperatures

圖1表明，當(dāng)氧化溫度在733～ 833 K之間時，SPAH鋼的氧化速率隨著溫度的升高只產(chǎn)生微小的增加.當(dāng)溫度超過1 133 K，隨著氧化溫度的升高，該鋼的氧化速率顯著增加.

2.2 SPAH鋼的氧化動力學(xué)方程

圖1氧化試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，SPAH鋼的氧化行為基本符合拋物線規(guī)律.有:

(Δmg/cm2)2=Kpt+c,

(1)

式中，Δmg/cm2為單位面積的質(zhì)量增加，t為氧化時間，c是常數(shù)，Kp是氧化動力學(xué)常數(shù).Kp的值越大，說明鋼越容易受氧化.

不同溫度下的Kp值可以用最小二乘法進(jìn)行計算：

1)若(Δmg/cm2)2=X2，t=Y，方程(1)可以改寫為：Y=X2/Kp+C.

2)整個方程組為：

(2)

把所算得的Kp值代入方程 (2)，就可以得到不同溫度下的拋物線氧化方程(3):

表2 SPAH 鋼不同溫度下氧化的Kp值

T=733 K (Δmg/cm2)2=2.23×10-3t+C1,

T=833 K (Δmg/cm2)2=1.11×10-2t+C2,

T=933 K (Δmg/cm2)2=2.02×10-2t+C3,

T=1033 K (Δmg/cm2)2=4.13×10-2t+C4,

T=1133 K (Δmg/cm2)2=7.52×10-2t+C5,

T=1233 K (Δmg/cm2)2=63.38×10-2t+C6.

(3)

方程(3)表明，當(dāng)溫度超過1 133 K以后，材料的氧化顯著增加.實(shí)際上，材料氧化過程中氧化膜的生長受控于氧原子及鋼中鐵原子的擴(kuò)散速率.因而，氧化膜的生長動力學(xué)過程應(yīng)該符合擴(kuò)散定律：

Kp=Ae-Q/RT，

(4)

其中，Kp為氧化動力學(xué)常數(shù)；A為常數(shù)；T為氧化溫度；Q為氧化過程的激活能.(4)式表明，溫度越高，氧化速率越快，因而生成的氧化膜越厚.

2.3 氧化膜的微觀結(jié)構(gòu)

2.3.1 溫度的影響 通過掃描電子顯微鏡對SPAH鋼表面形成的氧化膜進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖2.圖2表明，在633 K氧化30 min的樣品表面可以看到明顯的剪切磨削痕跡，這些痕跡應(yīng)該是氧化前拋光過程中形成的.這一溫度下，樣品表面沒有發(fā)現(xiàn)明顯的氧化物.但當(dāng)溫度升高到833 K，樣品表面的磨削痕跡變得模糊.樣品表面可以看到棒狀氧化物.微觀結(jié)構(gòu)分析表明，1 133 K氧化時，鋼表面形成的氧化物形貌明顯不同于633 K和833 K時的情況.1 133 K氧化時樣品表明可以觀察到團(tuán)族狀氧化物.這些團(tuán)族內(nèi)部包含大量的氧化物顆粒，這時形成的氧化膜相對低溫時較為疏松.當(dāng)氧化溫度升高到1 333 K，樣品的表面的氧化膜更加疏松.氧化膜的表面還可以看到許多微裂紋，說明這時形成的氧化膜比較脆.這種微裂紋是在氧化膜形成、生長及冷卻過程中，由于其膨脹系數(shù)和基體存在較大差異所形成的殘余應(yīng)力所導(dǎo)致的.

(a) 633 K/30 min,(b) 833 K/30 min,(c) 1 133 K/30 min,(d) 1 333 K/30 min

氧化膜橫截面的微觀結(jié)構(gòu)見圖3.圖3表明，在633 K氧化30 min樣品表面的氧化膜完整而致密.所形成的氧化膜厚度約為50 μm，氧化膜附近的鐵素體晶粒尺寸大約為10 μm.當(dāng)溫度升高到1 133 K時，樣品表面的氧化膜厚度增加到80～100 μm，此外還可以看到氧化膜表面有少量微裂紋，氧化膜附近的鐵素體晶粒尺寸為15～20 μm.當(dāng)氧化溫度繼續(xù)提高到1 333 K時，氧化膜變得更加疏松，氧化膜表面可以看到大量的微裂紋.這時氧化膜的厚度達(dá)到200 μm.氧化膜附近的鐵素體晶粒尺寸長大到20 μm左右.研究表面微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，氧化溫度的變化不僅會影響到氧化膜的結(jié)構(gòu)，還會影響到基體的晶粒尺寸的大小.

(a) 633 K/30 min.(b) 1 133 K/30 min.(c) 1 333 K/30 min

2.3.2 所形成氧化物 用X射線衍射對不同溫度下形成氧化物進(jìn)行分析.分析結(jié)果見圖4.圖4表明，當(dāng)樣品在低于733 K氧化后，其表面X射線衍射圖譜中基體鐵的譜線仍然十分明顯，表明只形成了少量的Fe2O3.當(dāng)氧化溫度升高到1 033 K時，樣品表面衍射峰中含有明顯的Fe峰和Fe2O3峰.當(dāng)溫度進(jìn)一步升高到1 133 K，氧化膜中除了主要的FeO以外，還含有少量Fe3O4.

圖4 不同溫度下氧化30 min后SPAH鋼樣品表面形成的氧化物組成Fig.4 X-ray diffraction patterns of the surface of the samples oxidized for 30 min at different temperatures

2.3.3 SPAH鋼熱軋時的氧化 如果要研究熱軋過程中的氧化行為，那么我們應(yīng)該了解熱軋時鋼板表面的溫度變化情況.因?yàn)殇撛谲堉七^程中的速度非?？?，要精確測量鋼板表面溫度動態(tài)變化是非常困難的.另外，熱軋時的水汽和表面的氧化均會對所測試溫度的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響.本文利用有限元的方法對熱軋過程中鋼板表面的溫度變化進(jìn)行研究.

模擬時，根據(jù)現(xiàn)場加熱爐溫度情況，初始溫度選用1 473 K，導(dǎo)熱系數(shù)選用普通低碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)[9]，單機(jī)架的軋制時間為1 s，用有限元程序進(jìn)行計算，計算結(jié)果見圖5.

圖5 熱軋過程中鋼板表面的溫度變化Fig.5 The surface temperature of the plate in hot rolling

結(jié)果表明，單道次軋制后，鋼板表面溫度將為1 073 K，那么意味著這時所形成的氧化物為FeO和少量的Fe3O4，這與上面的試驗(yàn)結(jié)果是相符合的.當(dāng)提高冷卻速率，可以有效降低鋼板表面溫度.增加軋制速度，可以減少鋼板在高溫段的停留時間.通過增加冷卻速率或提高軋制速率，均可以減少熱軋氧化.

3 結(jié)論

1) 當(dāng)氧化溫度低于833 K，SPAH鋼表面的氧化比較輕微．

2) 當(dāng)溫度低于1 133 K，所形成的氧化膜相對比較致密．

3) 當(dāng)溫度超過1 133 K，氧化膜變得脆而疏松，這時隨著溫度升高，氧化速率顯著增加.

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The oxidization of SPAH steel at elevated temperatures

SHEN Weidong1， ZHU Yuanzhi2， MENG Yi2， ZHANG Fan1， LIN Yulong1

(1.State Grid Jibei Electric Economic Research Institute， Beijing 100041; 2.School of Mechanical and Materials Engineering， North China University of Technology， Beijing 100144)

Oxidization of SPAH steel in hot rolling would affect the surface quality and the yield rate of the produced steel products. Oxidization experiments were performed at temperatures ranging from 733 K to 1 333 K. SEM, EDX and XRD were used to investigate this kind of oxidization behavior. It is shown that the oxidization of the steel was very slight at a temperature lower than 833 K. The oxide scale of the steel was dense when the temperature was lower than 1 133 K. However, as the temperature increased above 1 133 K, the oxide scale became loose and brittle, along with the raise of the oxidization rate. Further numerical studies implied that the high water cooling rate and the high rolling speed would reduce the oxidization rate of the steel on a rolling mill in the steel plant.

SPAH steel； oxidization； elevated temperature； compact strip production

2015-09-15.

科技部國際合作項(xiàng)目( 2013DFG12750);北京市長城學(xué)者資助項(xiàng)目 (CIT&TCD20140301);北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(3142007).

1000-1190(2015)06-0916-04

TG161

A

*通訊聯(lián)系人. E-mail: tozyz1@163.com.