熱軋無縫鋼管表面狀態對后續氧化鐵皮形成的影響

孫徠博，李志群，趙 強

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

1 前言

目前，鋼管產品的生產工藝愈加成熟，質量越來越高，鋼管表面質量是用戶要求不斷提高的重要指標之一。鋼管的氧化鐵皮對鋼管的抗腐蝕性能、可焊接性以及力學性能都有影響，因此對氧化鐵皮的研究也就越來越多，越來越深入。影響氧化鐵皮形成的因素有很多[1]，如材料的化學成分、加熱溫度、保溫時間、加熱時的環境等等[2-4]，針對這些因素的分析已經較為全面，但是針對鋼管的表面狀態及對氧化鐵皮形成的影響的分析較少，因此本文針對鋼管表面質量對氧化鐵皮形成的影響進行了一系列的對比和分析。

2 熱軋鋼管氧化鐵皮的成分及特點

氧化鐵皮的形成機理是：Fe→FeO→Fe3O4→Fe2O3，具體形貌見圖1。高溫下熱軋鋼管表面產生的氧化鐵皮是各種相的混合體，只是因環境不同，組成的比例略有差異。取一典型試樣進行成分分析，在3種顏色層上分別取4點進行掃描，SEM上得到的成分原子百分比見表1。從表1中可見，Fe2O3、Fe3O4和FeO[5]三層的原子百分數與物質組成的分子式有偏離，由于Fe2O3與氧接觸充分，有利于氧的擴散，因此處于富氧的狀態，氧化鐵皮的外層到內層氧原子含量逐漸降低，鐵原子含量漸升高。

圖1 氧化鐵皮結構

表1 氧化鐵皮的成分組成

熱軋管從管坯在環形爐中加熱到熱軋再到后續熱處理工藝過程中一直伴隨著氧化。根據熱軋管氧化鐵皮形成的不同階段可以將氧化鐵皮分為3種：環形爐加熱時形成的一次氧化鐵皮、熱軋及冷卻時形成的二次氧化鐵皮以及后續熱處理時形成的三次氧化鐵皮。

由于環形爐加熱溫度較高（1 250～1 300℃）且加熱時間長，因此在此階段形成的一次氧化鐵皮較厚，存在大量的氣孔及間隙，極脆易剝落，在除磷或者運輸的過程中完全的掉落，因此在后續的分析中只針對二次氧化鐵皮和三次氧化鐵皮。

3 表面狀態對氧化鐵皮的影響

實驗選取的鋼種為27MnCr6，對軋態料進行取樣，將表面狀態分為兩部分進行分析，一部分為鋼管表面氧化鐵皮的初始狀態對后續氧化鐵皮狀態的影響，另一部分為鋼管表面平整度對氧化鐵皮的影響。（注:試樣的熱處理、制樣過程均保持一致。）

3.1 不同致密程度的二次氧化鐵皮對三次氧化鐵皮的影響

分別選擇內表面（不受外界刮蹭、碰撞影響）氧化鐵皮較完整致密和較破碎的兩個試樣進行對比，對比完軋態階段的試樣后，放入加熱爐進行熱處理，淬火及回火階段繼續進行比較，觀察不同熱處理后對原始氧化鐵皮的影響。

3.1.1 軋態試樣氧化鐵皮對比

選取氧化鐵皮相對較完整、致密的軋態1#試樣及氧化鐵皮相對破碎的2#試樣為研究對象，圖2為1#試樣軋態的氧化鐵皮金相照片，可以發現軋態時氧化鐵皮厚度較薄，但相對較完整致密，圖10為2#試樣軋態的氧化鐵皮金相照片，可以發現與1#試樣相比較2#試樣的氧化鐵皮更為破碎。

3.1.2 淬火態氧化鐵皮對比

將1#和2#試樣進行淬火處理，熱處理工藝為920℃×60 min水淬，1#試樣淬火后的氧化鐵皮顯微鏡下的形貌如圖4所示，2#試樣淬火后的氧化鐵皮顯微鏡下的形貌如圖5所示。

圖2 1#試樣軋態金相照片

圖3 2#試樣軋態金相照片

圖4 1#試樣淬火態金相照片

圖5 2#試樣淬火態金相照片

從圖中1#試樣和2#試樣淬火后的照片可見，2#試樣淬火后的氧化鐵皮依然較不完整，相比較軋態時的2#試樣來說，基體與氧化鐵皮出現較為明顯的分離，該狀態下的氧化鐵皮可去除性較高。通過SEM對1#和2#試樣的氧化鐵皮整體形貌進行比較，1#試樣形貌見圖6，2#試樣形貌見圖7，從圖中對比可見低倍形貌觀察下2#試樣氧化鐵皮大部分脫落，氧化鐵皮與基體之間已經出現明顯的縫隙，較為容易去除。

3.1.3 回火態氧化鐵皮對比

將1#和2#淬火后的試樣進行回火處理，處理制度為640℃×60 min，1#試樣回火后的氧化鐵皮顯微鏡下的形貌如圖8，2#試樣回火后的氧化鐵皮顯微鏡下的形貌如圖9。

從圖中1#試樣和2#試樣回火后的照片可見，2#試樣回火后的氧化鐵皮依然較不完整，相比較淬火態的2#試樣來說，氧化鐵皮有一定的修復，但基體與氧化鐵皮仍然存在一定的縫隙，氧化鐵皮部分脫落，該狀態下的氧化鐵皮可去除性較高。通過SEM對1#和2#試樣的氧化鐵皮整體形貌進行比較，1#試樣形貌見圖10，2#試樣形貌見圖11，從圖中對比可見低倍形貌觀察下2#試樣氧化鐵皮大部分脫落，1#試樣氧化鐵皮保存較為完整、致密。

3.2 不同表面粗糙度對氧化鐵皮形成的影響

在軋態料上選取兩塊表面狀態不同的試樣，一個為表面較為粗糙的3#試樣，一個為表面較為光滑的4#試樣，兩個試樣粗糙度具體情況見圖12、13，從圖12中可見3#試樣表面存在一定數量的小凹坑表面粗糙，絕大部分區域未發現有氧化鐵皮，個別凹坑處存在很薄的氧化層；從圖13中可見4#試樣表面光滑，表面較為平整，絕大部分區域未發現有氧化鐵皮，存在的個別小凹溝內有一定的氧化鐵皮。

圖6 1#試樣淬火態氧化鐵皮形貌

圖7 2#試樣淬火態氧化鐵皮形貌

圖8 1#試樣回火態金相照片

圖9 2#試樣回火態金相照片

圖10 1#試樣回火態形貌

圖11 2#試樣回火態形貌

圖12 3#試樣表面照片

圖13 4#試樣表面照片

將3#和4#試樣進行淬火處理，淬火后3#試樣的氧化鐵皮情況如圖14，從圖中可見3#試樣淬火后形成明顯的氧化鐵皮，厚度、面積較軋態時有較明顯的增加；4#試樣的氧化鐵皮情況如圖15，從圖中可見4#試樣淬火后無明顯氧化鐵皮或氧化鐵皮已經完全脫落。說明在淬火階段，原始表面狀態光滑的試樣并不容易形成氧化鐵皮或者形成的氧化鐵皮更容易脫落。

將淬火后的試樣進行回火處理，回火后3#的情況如圖16，試樣表面仍然存在明顯的氧化鐵皮，且相對于淬火后的試樣更為完整致密；4#試樣回火后的情況如圖17，從圖中僅能發現很薄的一層氧化鐵皮。

從以上實驗可以看出，試樣的原始表面狀態直接影響后續熱處理過程中氧化鐵皮的生成及可去除性，表面越光滑則形成的氧化鐵皮越少或越容易被去除，表面越粗糙則越容易形成氧化鐵皮，且形成的氧化鐵皮不易脫落。

4 總結

圖14 3#試樣淬火后照片

圖15 4#試樣淬火后照片

圖16 3#試樣回火后照片

圖17 4#試樣回火后照片

根據本文所得到的實驗結果，歸結出熱軋鋼管的表面狀態對氧化鐵皮生成的影響因素主要有以下幾點：

1）氧化鐵皮的組成主要為 Fe2O3、Fe3O4和FeO，三者的組成比例受外界加熱環境所影響。

2）淬火時氧化鐵皮急冷收縮，對生成的氧化鐵皮有一定的破壞作用，但在回火加熱時會產生部分新的氧化鐵皮，會在一定程度上的修復破碎的氧化鐵皮。

3）軋態鋼管表面存在氧化鐵皮越完整、致密，在后續的熱處理過程中更容易形成氧化鐵皮或使氧化鐵皮的結合力更強。

4）鋼管表面越光滑，在熱處理過程中產生的氧化鐵皮就越少或越容易脫落。

[1]孫徠博，張冰，李志群，等.熱軋無縫鋼管氧化鐵皮可去除性的研究[C].中國金屬學會軋鋼學會鋼管學術委員會六屆四次年會論文集，2014；

[2]常大勇，郭宏偉，陳傳玉，等.淺析熱軋氧化鐵皮的成因及改善措施[C].山東金屬學會壓力加工學術交流會論文集.2008；300-365.

[3]崔衛中.熱軋帶鋼表面氧化鐵皮成因及去除方法[J].山西：山西冶金，2010（3）:25-27.

[4]Vladimir V Basabe，Jerzy A Szpunar．Eftect of O2 in Heating Amaosphere on Hydraulic Descaling in Hot Rolling of Low Carbon Steel[J].ISIJ International，2008，48(4):467-474.

[5]楊峰，歐鵬.熱軋產品紅色氧化鐵皮成因及消除方法的研究[J].北京：鋼鐵，2006（12）:380-385.