卷取溫度和隨后的冷卻方式對(duì)65Mn鋼板表面質(zhì)量的影響

李 瑞 張亮亮 魏建波 滕文娟 龍佳明 程 洋 安瑞東

(1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司 冷軋部,河北 唐山 063200; 2. 首鋼集團(tuán)有限公司 技術(shù)研究院,北京 100041)

中高碳鋼板可用于制作冶金鋸片[1-5],其表面質(zhì)量一直是抑制生產(chǎn)效率的瓶頸。熱軋65Mn鋼板表面往往存在粉化的氧化皮,導(dǎo)致酸洗后表面色差嚴(yán)重。

影響鋼板表面氧化皮結(jié)構(gòu)的因素很多[6-10],包括化學(xué)成分、軋制工藝、除鱗工藝等。卷取后的冷卻速率也影響氧化皮結(jié)構(gòu)。本文研究了65Mn鋼板酸洗后表面色差的形成原因,研究了卷取溫度及卷取后冷卻方式對(duì)鋼板表面質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料為熱軋65Mn鋼卷,化學(xué)成分如表1所示。將板坯加熱至(1 220±20) ℃;經(jīng)2個(gè)粗軋可逆軋機(jī)和七機(jī)架精軋機(jī)組軋制,終軋溫度為(890±20) ℃,隨后冷卻至700～730 ℃卷取,坑冷至室溫。

表1 研究用65Mn鋼的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of the investigated 65Mn steel

從鋼卷外層第二圈即尾部約10 m處取樣,采用EVO18型掃描電子顯微鏡檢驗(yàn)氧化皮的微觀(guān)形貌,采用電子探針顯微分析儀測(cè)定氧化皮與基體界面的成分;金相試樣采用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕,然后采用LEICADM2500型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn)。

2 表面形貌

檢查酸洗后鋼卷形貌發(fā)現(xiàn)其表面有不同程度的條狀色差,采用掃描電子顯微鏡觀(guān)察發(fā)現(xiàn)其表面凹凸不平,如圖1所示。鋼板表面氧化皮粉化較嚴(yán)重、不致密,且明顯破碎,如圖2(a)所示。檢查鋼卷截面發(fā)現(xiàn),氧化皮內(nèi)有塊狀白亮色組織,如圖2(b)所示,能譜分析表明其為單質(zhì)Fe。基體晶間氧化深度約20 μm,會(huì)導(dǎo)致晶界耐蝕性下降,產(chǎn)生酸洗缺陷。

為弄清圖2所示氧化皮破碎和其中白亮色塊狀相的形成原因,對(duì)氧化皮與基體的界面進(jìn)行了面掃描,結(jié)果如圖3所示。可見(jiàn)氧化皮界面有明顯的碳偏聚,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～5%。該鋼卷是700～730 ℃卷取隨后坑冷,在冷卻過(guò)程中C元素沿鐵素體晶界擴(kuò)散至表面與FeO發(fā)生反應(yīng),生成白亮色塊狀相。反應(yīng)式為:

圖3 氧化皮與熱軋65Mn鋼卷基體界面的碳分布Fig.3 Distribution of carbon at interface between oxide scale and the hot-rolled 65Mn steel coil matrix

FeO+C=Fe+CO

(1)

2FeO+C=2Fe+CO2

(2)

由于FeO較疏松,碳擴(kuò)散很快,剩余的C和生成的CO及CO2沿疏松的FeO快速擴(kuò)散至外層致密Fe3O4層時(shí)受阻,并發(fā)生如下反應(yīng):

Fe3O4(s)+2C(s)=3Fe(s)+2CO2(g)

(3)

Fe3O4(s)+4CO(s)=3Fe(s)+4CO2(g)

(4)

氧化皮中白色塊狀相是反應(yīng)產(chǎn)生的單質(zhì)Fe,而反應(yīng)生成的CO和CO2則溢出表面,使氧化皮破碎粉化。為揭示發(fā)生晶間氧化的條件,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了熱模擬試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

為了探索不同溫度卷取后以不同方式冷卻的65Mn鋼卷表面的氧化程度,采用尺寸為4 mm×4 mm×4 mm的試樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行熱模擬氧化試驗(yàn):在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將試樣加熱至600～800 ℃,隨后通入空氣保溫1 h,以5 ℃/min的速率冷卻至室溫。

3.1 熱模擬試驗(yàn)后試樣形貌

如圖4所示,600 ℃試樣表面氧化皮厚度僅為3 μm,基體無(wú)明顯晶間氧化;溫度升高到650 ℃,氧化皮增厚到6 μm,基體發(fā)生了晶間氧化,深度為5.5 μm;溫度升高至700 ℃以上,氧化皮粉化脫落,無(wú)法測(cè)定其厚度,基體晶間氧化進(jìn)一步加劇,深達(dá)14 μm;在800 ℃,基體無(wú)晶間氧化,發(fā)生晶內(nèi)氧化,有明顯的氧化質(zhì)點(diǎn)。這表明在700～730 ℃卷取隨后坑冷的熱軋65Mn鋼卷表面會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的晶間氧化。

3.2 脫碳層形貌

在不同溫度氧化試驗(yàn)的65Mn鋼卷表面脫碳程度不同,如圖5所示。600 ℃氧化的試樣無(wú)明顯脫碳,650 ℃氧化的部分脫碳,而700～800 ℃氧化的完全脫碳。

圖5 在600(a)、650(b)、700(c)和800 ℃(d)氧化的65Mn鋼試樣的脫碳層Fig.5 Decarburized layer in the 65Mn steel specimens oxidized at 600(a), 650(b), 700(c) and 800 ℃(d)

700～730 ℃卷取溫度是65Mn鋼奧氏體(γ)轉(zhuǎn)變成鐵素體(α)的溫度,在鋼卷坑冷過(guò)程中,鐵素體量增多,并產(chǎn)生全脫碳層。全脫碳的出現(xiàn)與兩相區(qū)的冷卻時(shí)間和冷卻速率有關(guān)。γ-α轉(zhuǎn)變溫度范圍越大,在該溫度區(qū)的冷卻時(shí)間越長(zhǎng),越易發(fā)生全脫碳,實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)避免在該溫度區(qū)長(zhǎng)時(shí)間停留。

4 卷取工藝優(yōu)化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果,降低卷取溫度和提高卷取后冷卻速率能減輕脫碳和晶間氧化程度。在生產(chǎn)中進(jìn)行了600～620 ℃卷取隨后分別坑冷和空冷的試驗(yàn),鋼卷的截面微觀(guān)形貌如圖6所示。

圖6 熱軋后600 ℃卷取隨后坑冷(a,c)和空冷(b,d)的65Mn鋼板截面的微觀(guān)形貌Fig.6 Micrographs of section of the 65Mn steel sheets coiled at 600 ℃ then cooled in pit(a,c) and air(b,d) after hot-rolling

圖6表明,600 ℃卷取后坑冷的鋼卷表面無(wú)白亮色塊狀相,且晶間氧化深度從20 μm下降到了小于10 μm,脫碳明顯減少;600 ℃卷取并空冷的鋼卷晶間氧化深度下降到了不足5 μm,晶界耐蝕性提高,酸洗后鋼卷表面色差減少。

5 結(jié)論

(1)熱軋后在700～730 ℃卷取隨后坑冷的65Mn鋼卷表面氧化皮粉化嚴(yán)重,氧化皮內(nèi)有白亮色塊狀相,基體晶間氧化深度約為20 μm,導(dǎo)致晶界耐蝕性下降。

(2)降低卷取溫度和提高卷取后冷卻速率能減輕65Mn鋼卷晶間氧化程度和脫碳,600 ℃卷取隨后空冷的65Mn鋼卷晶間氧化深度下降至5 μm以?xún)?nèi),晶界耐蝕性提高,酸洗后鋼卷表面色差減少。