低C高Si高Mn合金鋼表面氧化皮剝殼性能分析

李文曉 陳 剛 郭慧英 張 宇

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇張家港 215625)

低C高Si高Mn合金鋼表面氧化皮剝殼性能分析

李文曉 陳 剛 郭慧英 張 宇

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇張家港 215625)

采用SEM、EPMA及拉伸試驗等手段研究了影響低C高Si高Mn合金表面氧化皮機械剝殼性能的因素，并測試了自然放置對氧化皮機械剝殼性能的影響。結果表明，氧化皮/基體界面的粗糙度大及富Si層與基體結合緊密是導致該合金表面氧化皮難脫落的主要原因。Si元素在界面處的聚集導致熱軋后的盤條表面不均勻氧化，從而加大了界面的粗糙度。自然放置可促使表面氧化皮包括富Si層的碎化、剝離，有利于改善盤條氧化皮的機械剝殼性能。

含Si鋼 氧化皮 自然放置 機械剝殼性

線材表面氧化皮硬而脆且難以形變，在后續冷拉拔過程中容易導致鋼絲表面出現缺陷甚至引起斷絲從而影響產品質量和生產效率，同時會加劇模具的磨損[1- 2]。因此，氧化皮在拉絲生產前必須去除干凈，才能進行后續的拉絲等生產工序。常規的氧化皮去除方法主要有化學酸洗法和機械剝殼法兩種，但化學酸洗法由于對環境污染大、效率低等缺點正逐漸被更加環保的機械剝殼法所替代[2- 3]。不同的氧化皮去除方法對氧化皮的要求也不同，機械剝殼要求表面氧化皮有一定厚度，并要有一定的結構，以便于機械剝殼。當鋼中添加一定量的Si(Si質量分數>0.5%)元素后，在氧化皮和基體之間容易生成Fe2SiO4層[4- 5]，Fe2SiO4層阻礙鐵離子的擴散，明顯降低氧化皮生長速率，且Fe2SiO4層黏度高，與基體結合力強，惡化氧化皮剝離性能[5- 6]；Mn元素也容易在高溫條件下生成(FeMn)2SiO4，該氧化物一旦形成，使得氧化皮與基體的界面凹凸化嚴重，也不利于氧化皮的去除[7]。在保證線材性能的前提下，提高低C高Si高Mn合金鋼線材表面氧化皮的機械剝殼性能，對提高產品質量，改善后續加工性能及提高產品競爭力具有重要的意義。

目前，對線材表面氧化皮剝殼性能的研究多集中在調節成分及軋制工藝等方面。本文以低C高Si高Mn合金焊絲鋼為研究對象，在不改變材料成分、軋制工藝的前提下，分析了方坯修磨及自然放置等因素對盤條表面氧化皮的形成及剝殼性能的影響，探討了采用機械剝殼法去除該盤條表面氧化皮的可行性。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為低C高Si高Mn材料ER70S- 6焊絲鋼盤條，其直徑為5.5 mm，主要化學成分如表1所示。盤條由140 mm×140 mm的小方坯經控制軋制及斯太爾摩線緩冷后直接獲得，具體軋制工藝如表2所示。

表1 ER70S- 6焊絲鋼盤條的化學成分(質量分數)

Table 1 Chemical composition of ER70S- 6 steel wire rod (mass fraction) %

元素CSiMnPSCrNiCu質量分數0．070．851．480．0130．0080．0170．0140．018

表2 ER70S- 6焊絲鋼盤條的軋制工藝

1.2 氧化皮剝離性評價

采用拉伸試驗評價氧化皮的機械剝殼性能：將盤條剪切成300 mm長的試樣，在Instron 250 kN拉伸試驗機(Model 5585H)上進行拉伸試驗，觀察盤條表面氧化皮的剝離情況；利用ZEISS EVO- 18掃描電子顯微鏡(SEM)及EPMA- 1610電子探針(EPMA)對氧化皮的形貌、成分和厚度進行觀察和測量。

1.3 自然放置試驗

對熱軋ER70S- 6焊絲鋼盤條表面進行清洗，用丙酮和酒精去除表面油脂和污物，經去離子水浸泡30 min后，在大氣環境下進行自然放置試驗，放置時間為：1、4、7、14、21 d。

2 試驗結果及分析

2.1 熱軋盤條氧化皮形貌及成分

盤條橫截面的氧化皮形貌如圖1所示，由圖可見，氧化皮總厚度為7～10 μm，且具有明顯的4層結構。對圖1中氧化皮截面的不同位置進行EDS點分析。熱軋盤條氧化皮各層形貌及成分分析結果表明：最外層(Ⅳ層)氧化皮厚度較薄，結構疏松，氧含量較高，主要相組成為Fe2O3；Ⅲ層及Ⅱ層，兩者厚度較大，主要相組成為Fe1-xO和Fe3O4混合層；Ⅰ層厚度較薄，與基體結合緊密，能譜顯示其Si含量明顯高于合金中的Si含量，稱之為富Si層，相組成為Fe2SiO4層或Fe2SiO4和Fe1-xO混合層[1,8]。從Ⅳ層到Ⅰ層，隨著氧化皮厚度的增加，O/Fe原子比逐漸降低。

圖1 ER70S- 6盤條橫截面的氧化皮形貌

Fig.1 Morphology of oxide scale at the cross section of ER70S- 6 steel wire rod

2.2 氧化皮剝離性評價

ER70S- 6熱軋盤條經單向拉伸后表面呈黑色。對拉伸試樣表面及橫截面進行觀察，結果見圖2。由圖可知，拉伸后試樣表面的氧化皮僅出現一定程度的脫落，由能譜分析可知，2號區域(見圖2(a))的氧化皮未脫落，1號區域(見圖2(a))Si的原子分數達到2%，該區域與圖1觀察到的富Si層一致，表明富Si層與基體的粘附性強，在拉伸過程中不易脫落；由圖2(b)可知，試樣橫截面氧化皮與基體界面的粗糙度較大，導致深嵌入基體的氧化皮不易脫落。綜上所述，氧化皮/基體界面的粗糙度及氧化皮內層富Si層是影響盤條機械剝殼性的直接原因。

2.3 影響氧化皮/基體界面粗糙度的因素

2.3.1 坯料原始表面質量的影響

由于連鑄工藝的特點，連鑄后的方坯表面質量相差較大。為分析坯料初始表面質量可能對熱軋盤條氧化皮/基體界面粗糙度的影響，將原始方坯通過修磨處理去除坯料表面氧化皮，采用與未修磨方坯相同的軋制工藝進行軋制，對比熱軋盤條不同區域的氧化皮/基體界面的粗糙度。圖3為原始方坯與修磨方坯軋制后盤條橫截面典型的氧化皮形貌。由圖可知，二者氧化皮/基體界面的粗糙度相差不大，表明坯料原始表面質量對最終盤條氧化皮/基體界面的粗糙度影響并不明顯。

圖2 ER70S- 6盤條拉斷后表面(a)和橫截面(b)的氧化皮形貌

圖3 原始方坯(a)與修磨方坯(b)軋制后盤條橫截面典型的氧化皮形貌

2.3.2 材料成分的影響

利用EPMA對ER70S- 6盤條樣品氧化皮/基體界面處進行成分分析，結果如圖4所示。由圖可知，因基體中Cr、Cu、Ni為殘余元素，含量較低，在氧化皮/基體界面處沒有明顯的元素聚集現象；Mn在基體與氧化皮中的分布無明顯差別，但同屬于易氧化元素的Si在界面處出現了明顯的聚集現象。

2.4 自然放置對氧化皮剝殼性能的影響

圖5為ER70S- 6熱軋盤條樣品在自然條件下放置不同時間后的宏觀形貌。由圖可知，7 d后盤條表面局部出現點狀棕銹。14 d后，整個表面布滿棕銹，成鱗片狀，有脫落現象，且隨著放置時間的延長，銹蝕現象不斷加劇。

圖4 ER70S- 6盤條氧化皮/基體界面處EPMA分析

圖5 自然放置7 d(a)和14 d(b)后樣品的表面形貌

將放置不同時間的盤條進行拉伸試驗，并對拉斷試樣的表面、橫截面進行SEM觀察。圖6為自然條件下不同放置時間樣品的橫截面形貌。與原始盤條的表面相比，放置7 d樣品的氧化皮內部裂紋增多，氧化皮開始碎化；放置14 d的樣品氧化皮與基體開始出現部分脫離，但氧化皮/基體界面的粗糙度相差不大。

圖7為自然放置14 d樣品的富Si層形貌。由圖可見，富Si層由于受到外界大氣環境的腐蝕作用，腐蝕產物組織疏松，與基體結合力弱，且大部分已經逐漸從基體脫落，基體處僅有少量殘留。ER70S- 6盤條隨著放置時間的延長， 表面氧化皮(包括富Si層)的內部裂紋不斷增加，橫向斷裂、碎化程度增加，與基體的結合性降低，易于脫落。

圖6 自然放置1 d(a)、7 d(b)和14 d(c)后樣品的氧化皮形貌

圖7 自然放置14 d樣品的富Si層形貌

圖8為自然放置不同時間樣品的表面形貌。由圖可見， 拉伸試驗后試樣的表面出現不同程度的氧化皮脫落，黑色區域(黑色箭頭所指)為氧化皮未脫落的區域。與原始盤條的表面相比，放置7 d樣品表面的外層氧化皮殘留明顯減少，放置14 d樣品的表面幾乎沒有外層氧化皮殘留， 這表明自然放置時間的延長有利于盤條氧化皮機械剝殼性能的改善。

綜上所述，由于ER70S- 6盤條氧化皮富Si層與基體結合致密，氧化皮/基體界面粗糙度大，使得盤條表面氧化皮難以完全去除。在盤條剝皮前增加自然放置時間， 可改變氧化皮的結構及與基體的結合能力，從而改善剝皮效果，使得外層氧化皮在機械折彎階段完全去除，而殘留的富Si層通過后續的砂帶打磨去除。德國某焊材企業已將該機械剝殼方法(機械折彎+砂帶打磨)用于其焊絲的生產中，效果良好。

圖8 自然放置7 d(a)和14 d(b)試樣拉伸后的表面形貌

3 結論

(1)氧化皮/基體界面的粗糙度及內層氧化皮中富Si層與基體結合的致密程度是影響氧化皮機械剝殼性能的主要因素。

(2)Si元素在界面處的聚集導致熱軋后的盤條表面不均勻氧化，從而加大了界面的粗糙度。

(3)自然放置導致表面氧化皮包括富Si層的碎化、剝離，有利于改善該合金焊絲鋼盤條氧化皮的機械剝殼性能。

[1] 鞏黨國. 高碳鋼盤條表面氧化皮的形成規律及機械剝殼性能研究[D]. 南京: 東南大學, 2008: 4- 7.

[2] 段建華, 董昌華. 無酸洗拉絲技術[J]. 金屬制品, 2000, 26(1): 8- 10.

[3] 程時, 任勇, 陳革, 等. 高碳鋼盤條表面氧化鐵皮機械剝殼性實驗研究[J]. 上海金屬, 2014, 36(2): 31- 34.

[5] GAKEDA M, ONISHI T, MUKAI Y. Influence of silicon content on the structure and adhesion of primary scale on Si containing steels[J]. Kobe Steel Engineering Reports, 2005, 55(1): 31- 36.

[6] YANG Y L, YANG C H, LIN S N, et al. Effects of Si and its content on the scale formation on hot- rolled steel strips[J]. Materials Chemistry & Physics, 2008, 112(2): 566- 571.

[7] KUSABIRAKI K, WATANABE R, IKEHATA T, et al. High- temperature oxidation behavior and scale morphology of Si- containing steels[J]. ISIJ International, 2007, 47(9): 1329- 1334.

[8] 周鋮, 李平, 麻晗. 低C高Si高Mn合金高溫氧化動力學及形貌特征分析[J]. 金屬熱處理, 2012, 37(7): 73- 78.

[10] WEBLER B A, SRIDHAR S. The effect of silicon on the high temperature oxidation behavior of low- carbon steels containing the residual elements copper and nickel[J]. ISIJ International, 2007, 47(9): 1245- 1254.

[11] 于洋, 唐帥, 郭曉波,等. 熱軋卷板氧化鐵皮形成機理及控制策略的研究[J]. 鋼鐵, 2006, 41(11): 50- 52.

[12] YANAGIHARA K, YAMAZAKI S. Characterization of oxidation behavior at Fe- Si alloy surface[J]. Nippon Steel Technical Report, 2011(100): 27- 32.

收修改稿日期：2016- 05- 31

Research on Mechanical Descaling Property of Oxide Scale of Low- Carbon High- Si High- Mn Alloy Steel

Li Wenxiao Chen Gang Guo Huiying Zhang Yu

(Institute of Research of Iron and Steel (IRIS), Shasteel, Zhangjiagang Jiangsu 215625, China)

The mechanical descaling property of oxide scale of low- carbon high- Si high- Mn alloy steel was investigated by scanning electron microscopy, electron probe EPMA and tensile test, and the effect of natural placement on descaling property of oxide scale was also tested. The results showed that the oxide/metal interface roughness and the bonding strength between Si- oxide layer and matrix were two major factors afecting mechanical descaling property. The aggregation of Si element at the oxide/metal interface increased the interface roughness. Natural placement was beneficial for improving descaling property by promoting drop of surface oxide and Si- oxide layer.

Si- containing steel，oxide scale，natural placement，mechanical descaling property

李文曉，男，碩士，工程師，研究方向為焊絲鋼新品的開發及配套焊接工藝、材料的研發，Email：liwenxiao204@163.com，電話：17714298170