LX80A機械除鱗氧化鐵皮殘留及控制研究*

谷 杰， 吳彥欣， 劉 榮， 王 淼， 張 彬

(1.江蘇永鋼集團有限公司, 江蘇 蘇州 215600； 2.北京科技大學工程技術(shù)研究院, 北京 100083)

引 言

高碳鋼熱軋盤條在斯太爾摩風冷線冷卻過程中所形成的氧化鐵皮保留在盤條表面，在盤條的出廠運送途中對基體有一定的保護作用，但在用戶進一步加工使用前需要通過機械除鱗等方法進行去除[1-3]；若除鱗不徹底，會在后續(xù)的拉拔加工過程中壓入產(chǎn)品表面造成缺陷，這種缺陷不僅影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量，還會大大增加模具的損耗，提高生產(chǎn)成本[4-7]。因此，對氧化鐵皮的形成機理進行分析，并提出相應的控制措施就顯得尤為重要。目前已有諸多學者對其進行了相關(guān)研究，如魏天賦[8]研究了氧化鐵皮的形成成因，結(jié)果表明，隨著溫度的升高和加熱時間的延長，氧化鐵皮的生成絕對量逐漸增多；付松岳[9]分析了高碳鋼盤條氧化鐵皮剝離性及生產(chǎn)工藝改進，結(jié)果表明，通過適當降低高溫段的冷卻速度可以有效剝離殘留的氧化鐵皮。張全剛[10]揭示了高碳鋼盤條表面氧化鐵皮厚度控制與研究，結(jié)果表明，盤條冷卻速度不超過13 ℃/s時，盤條表面可形成一層硬且脆的適合機械拉拔的氧化鐵皮層。

1 研究材料與方法

本實驗所采用的LX80A盤條主要化學成分：w(C)=0.70%-1.0%，w(Si)=0.15%-0.30%，w(Mn)=0.40%-0.80%，簾線鋼試樣的尺寸為Φ5 mm×10 mm。

對LX80A盤條采用機械除鱗方法去除氧化鐵皮，并用稀鹽酸進行進一步清洗。對殘留的氧化鐵皮，首先采用FEI Quatanta FEG450掃描電鏡和激光共聚焦顯微鏡對其形貌進行觀察；然后利用XPS進行元素的定性和定量分析，以及進行EDS能譜檢測；最后通過高溫熱膨脹儀模擬原生產(chǎn)簾線鋼工藝，分別在500，400和300 ℃溫度下進行氧化處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 殘留氧化鐵皮的成分確定

圖1為LX80A盤條表面照片。從圖中可知，經(jīng)機械除鱗和稀鹽酸清洗后的LX80A表面仍有褐色斑塊狀氧化鐵皮殘留。

圖1 LX80A盤條表面照片

為了分析殘留氧化鐵皮成分，采用掃描電鏡和激光共聚焦顯微鏡對其表面形貌和截面進行觀察，如圖2所示。從圖中可知，在掃描電鏡下能看到有薄薄的一層氧化鐵皮，其界限清晰，如圖2(a)所示；從截面方向觀察其厚度大約為2-3 μm，如圖2(b)所示。

圖2 褐色氧化鐵皮的形貌

為了進一步分析殘留氧化鐵皮的組成成分，采用XPS對盤條的基體、剝離后的表面和褐色氧化鐵皮殘留三個位置(如圖3所示)進行表面掃描，其元素含量和譜線分別如表1和圖4所示。由表1可知，3個位置的C元素含量均偏高，這是該測試方法本身所造成的，為必然干擾項。通過對比基體與褐色氧化皮殘留中的Fe和O元素含量，可以初步判斷褐色物質(zhì)以鐵氧化物為主。

圖3 XPS選點位置示意圖

表1 XPS檢測結(jié)果(元素含量分析)

對于Fe的2p峰來說，從原理上可以通過分峰擬合的方式來確認Fe2+和Fe3+的離子比例[11]。但是Fe3O4本身是一個特例，其特殊的比例導致衛(wèi)星峰消失，影響判斷。從圖4可知，褐色殘留物的XPS結(jié)果比較接近Fe3O4。

圖4 LX80 A盤條不同位置的XPS譜線圖

為了進一步確認褐色氧化鐵皮的成分，對其進行了EDS能譜檢測，結(jié)果如圖2(a)左上角和表2所示。從表2可知，褐色氧化鐵皮成分主要為Fe和O，且原子百分比為45.19∶36.37，更接近Fe3O4。

表2 EDS能譜檢測結(jié)果

綜上所述，基于掃描電鏡、激光共聚焦顯微鏡、XPS和EDS等檢測手段，確定了褐色殘留氧化物的成分為Fe3O4。

2.2 殘留氧化鐵皮的產(chǎn)生機理

利用高溫熱膨脹儀將打磨光潔的簾線鋼試樣在300，400，500 ℃分別氧化30 s。如圖5所示，試樣表面在不同氧化溫度下呈現(xiàn)不同的顏色。從圖可知，當簾線鋼試樣在 500 ℃氧化時，其試樣表面的顏色呈現(xiàn)褐色，與機械除鱗后觀察到的氧化鐵皮殘留一致。這說明，LX80A盤條表面殘留的氧化鐵皮是在400-550 ℃左右條件下產(chǎn)生的。

圖5 300，400，500 ℃氧化30 s的試樣表面顏色

綜上所述，經(jīng)機械除鱗和酸洗后觀察到的褐色氧化鐵皮是400-550 ℃左右形成新的氧化層，為一層致密的Fe3O4氧化膜，是材料外層二次氧化鐵皮疏松或脫落后內(nèi)部基體發(fā)生氧化形成的三次氧化鐵皮。其產(chǎn)生機理如圖6所示：由于氧化膜熱應力與金屬和氧化物的線膨脹系數(shù)有關(guān)，且氧化物的線膨脹系數(shù)比金屬基體要小，導致在簾線鋼盤條軋后的斯太爾摩線冷卻過程中，氧化皮與基體收縮量存在差異，二次氧化鐵皮出現(xiàn)“起泡”現(xiàn)象。在風冷輥道顛簸作用下，二次氧化皮發(fā)生破裂或脫落，使得基體暴露在空氣中，發(fā)生氧化產(chǎn)生三次氧化鐵皮。在577 ℃以下產(chǎn)生的三次氧化鐵皮，其成分以Fe3O4為主，與基體結(jié)合緊密，在后續(xù)的機械除鱗變形中，難以脫落。

圖6 褐色氧化鐵皮殘留產(chǎn)生機理示意圖

2.3 控制方案

基于以上所述三次氧化鐵皮的產(chǎn)生機理，提出了相應的控制方案：通過縮短冷卻過程中中溫段時間，使得簾線鋼迅速通過中溫段(400-570 ℃左右)。在更高的溫度下，簾線鋼尚未發(fā)生“起泡”；在更低的溫度下，由于氧化動力學中溫度的影響，三次氧化鐵皮的厚度大大降低。最終生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)過機械除鱗后，盤條表面十分干凈，基本無殘留。

3 結(jié)束語

(1)通過掃描電鏡、激光共聚焦、XPS和EDS等檢測手段，確定了機械除鱗和酸洗之后所殘留褐色氧化鐵皮的組成成分是Fe3O4。

(2)殘留褐色氧化鐵皮是原有二次氧化皮在中溫段(400-550 ℃左右)脫落后，所形成新的致密的Fe3O4三次氧化鐵皮。

(3)通過減少冷卻過程中中溫段時間，使得簾線鋼迅速通過中溫段，可以使三次氧化鐵皮的厚度大大降低，最終盤條在機械除鱗后無明顯殘留。