卷曲溫度對熱軋510L帶鋼氧化鐵皮腐蝕行為的影響

高立軍 楊建煒 曹建平 于東云 劉立偉 王勝榮

(首鋼集團總公司技術研究院，北京 100043)

卷曲溫度對熱軋510L帶鋼氧化鐵皮腐蝕行為的影響

高立軍 楊建煒 曹建平 于東云 劉立偉 王勝榮

(首鋼集團總公司技術研究院，北京 100043)

通過熱模擬、暴露試驗、掃描電鏡和電化學阻抗測試等方法和設備研究了卷曲溫度對熱軋510L帶鋼表面氧化鐵皮耐腐蝕性能的影響。結果表明，在適當高于600 ℃的溫度卷曲可以改善熱軋510L帶鋼表面氧化鐵皮的結構，提高氧化鐵皮的致密性，有效阻礙腐蝕性介質的滲透，增強氧化鐵皮對基體金屬的保護作用，從而提高熱軋510L帶鋼在儲運期間的耐大氣腐蝕性能。

熱軋510L帶鋼 卷曲溫度 氧化鐵皮 腐蝕

熱軋510L帶鋼產品主要用于制造汽車大梁及其他結構件，其成品表面會覆蓋一層氧化鐵皮，對基體有一定的保護作用[1]。510L帶鋼在用戶使用之前通常需要運輸和存儲，氧化鐵皮防護性能的優劣對儲運期間鋼板的腐蝕狀況有著重要的影響，甚至會因鋼板表面質量問題而影響用戶的后續加工和使用，造成質量異議[2- 3]。

吝章國等[4]研究了卷曲溫度對熱軋510L帶鋼氧化皮結構的影響，不同卷曲溫度下，FeO層發生不同程度的共析反應，最終形成不同結構的氧化鐵皮。何永全等[5]研究了氧化鐵皮對低碳鋼大氣腐蝕行為的影響，指出，氧化鐵皮的完整性是保護帶鋼基體不被腐蝕的前提，如果氧化層被破壞，在破損處氧化鐵皮將與鋼基體接觸發生電偶腐蝕，從而加速腐蝕反應的進行。因此，研究氧化鐵皮結構及其在儲運期間的耐腐蝕性能具有重要的意義[6]。

本文從控制氧化鐵皮結構出發，采用熱模擬法和室外大氣腐蝕掛片試驗研究了卷曲溫度對大梁鋼表面氧化鐵皮孔隙率及其在儲運期間的耐腐蝕性能的影響。

1 試驗材料及方法

試驗材料為熱連軋510L大梁鋼，化學成分(質量分數，%)為C 0.05～0.10，Si 0.02～0.05，Mn 1.0～1.5，P ≤0.02，S ≤0.002，Nb 0.01～0.05，Ti 0.01～0.03，余為Fe。

將510L大梁鋼試樣切割成尺寸為20 mm×10 mm和50 mm×100 mm的試樣，其中20 mm×10 mm試樣用于電化學試驗，50 mm×100 mm試樣用于室外大氣腐蝕掛片試驗。所有試樣切割后均用砂紙打磨掉表面的氧化鐵皮。

熱模擬試驗在Gleeble- 2000熱模擬試驗機上進行，試樣在真空爐中加熱至1 000 ℃，模擬始軋溫度，保溫30 s后充入空氣，降溫至900 ℃，模擬終軋溫度。然后將試樣快冷至不同的卷曲溫度(640、600、560 ℃)，保溫10 min。最后將試樣快冷至室溫。整個試驗的溫度控制如圖1所示。

圖1 熱模擬熱軋510L帶鋼卷曲溫度的方案圖Fig.1 Scheme of thermal simulating the coiling temperature for the hot rolled 510L strip

采用JSM- 7001F型環境掃描電鏡觀察氧化鐵皮的微觀形貌。在PARSTAT2273電化學工作站采用三電極體系進行銹層電化學阻抗測試，測試溶液含3.5%NaCl，輔助電極為Pt片，參比電極為Ag/AgCl電極，試樣為工作電極，交流阻抗的掃描頻率為100 kHz～10 MHz，室溫下進行。

室外大氣掛片試驗在北京地區進行，時間為60天。分別在試驗進行15、30、45和60天時取樣，對掛片試驗前和試驗結束后的試樣進行稱重，每個卷曲溫度每次測量3個平行試樣，計算腐蝕增重，取平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 不同溫度卷曲的帶鋼的氧化鐵皮結構

熱模擬不同溫度卷曲的帶鋼的氧化鐵皮如圖2所示。可以看到，在不同溫度卷曲后，帶鋼氧化鐵皮的結構均由外層的Fe3O4和內層的FeO構成。卷曲溫度為640 ℃時，氧化鐵皮厚度約為11 μm，整個氧化鐵皮層致密無裂紋，FeO共析層體積約占整個銹層體積的2/3。卷曲溫度為600 ℃時，氧化鐵皮較薄，厚度約為8 μm，整個氧化鐵皮層內出現較多裂紋，FeO共析層體積約占銹層體積的1/2。卷曲溫度為560 ℃時，氧化鐵皮厚度約為11 μm，整個氧化鐵皮層內也出現較多的裂紋，FeO共析層體積約占銹層體積的1/2。隨著卷曲溫度從600 ℃左右升高，熱軋510L帶鋼表面氧化鐵皮中FeO共析層體積增大，裂紋減少。

圖2 (a)640 ℃、(b)600 ℃和(c)560 ℃卷曲的熱軋510L帶鋼氧化鐵皮的斷面形貌Fig.2 Cross- section patterns of iron scale on the hot rolled 510L strip coiled at temperature of (a) 640 ℃,(b) 600 ℃ and (c) 560 ℃

2.2 不同溫度卷曲的帶鋼的氧化鐵皮孔隙率

相關研究表明，熱軋帶鋼表面氧化鐵皮主要起物理屏蔽作用。由于軋制過程導致氧化鐵皮本身存在大量裂紋、孔洞等缺陷，熱軋鋼板的電化學腐蝕是腐蝕性介質通過這些缺陷與金屬基體反應而形成的[7]。如果表面氧化鐵皮完整無缺陷，可近似認為其表面為完全絕緣狀態，孔隙率為0，因此可以用去除氧化鐵皮試樣的電化學交流阻抗譜擬合得到的極化電阻值與帶氧化鐵皮試樣的極化電阻值的比值來表示鋼板表面氧化鐵皮的孔隙率。

將熱模擬得到的不同溫度卷曲的帶氧化鐵皮試樣分別用砂紙打磨，完全去除氧化鐵皮后與帶氧化鐵皮試樣一起進行電化學交流阻抗測試，結果如圖3所示。從圖中可以看出，所有試樣在3.5%NaCl溶液中阻抗譜的Nyquist圖上都呈現為相似的下偏的容抗弧。利用圖4所示的等效電路對阻抗譜進行擬合，其中RS為溶液電阻，Rt為電荷轉移電阻，Cdl為雙電層電容。擬合結果及計算得到的孔隙率如表1所示。可以看到，卷曲溫度為640 ℃時，計算得到的孔隙率為51.3%，卷曲溫度為600 ℃時，孔隙率為67.3%，卷曲溫度為560 ℃時，孔隙率為64.4%。

2.3 不同溫度卷曲的510L帶鋼氧化鐵皮的耐腐蝕性能

圖3 不同溫度卷曲的帶氧化鐵皮和無氧化鐵皮 帶鋼試樣的交流阻抗譜Fig.3 Nyquist plots of the 510L strip test pieces with and without oxide scale coiled at different temperatures

圖4 熱軋510L帶鋼在NaCl溶液中的等效電路Fig.4 Equivalent circuit for the hot rolled 510L strip in NaCl solution

表1 電化學阻抗譜擬合結果Table 1 Fitting results of electrochemical impedance spectrum

不同溫度卷曲的熱軋510L帶鋼的腐蝕增重隨時間的變化如圖5所示。可以看到，不同溫度卷曲的帶鋼的腐蝕增重隨時間的延長而遞增。從增重量的相互對比看，三種溫度卷曲的帶鋼在前30天的腐蝕增重相差不大，掛片30天后開始出現差異。其中卷曲溫度為640 ℃的帶鋼腐蝕增重增加緩慢，在60天試驗結束時的腐蝕增重為4.8 g/m2，是三種溫度卷曲的帶鋼增重最小的。卷曲溫度為600 ℃的帶鋼腐蝕增重增加較快，在60天時腐蝕增重達到最大值，為5.9 g/m2。卷曲溫度為560 ℃的帶鋼腐蝕增重在30天到45天期間增加較快，在60天試驗結束時達到5.5 g/m2。

圖5 不同溫度卷曲的510L帶鋼的腐蝕增重Fig.5 Corrosion- induced mass gain of the 510L strip coiled at different temperatures

2.4 討論

熱軋帶鋼表面氧化鐵皮結構的完整是對鋼基體起保護作用的前提，這種保護主要體現在對外界腐蝕性介質的阻礙作用。不同溫度卷曲的熱軋510L帶鋼表面的FeO層發生不同程度的共析反應，使表面氧化層中Fe3O4層和FeO層的體積比發生變化。如果氧化鐵皮中FeO層共析反應充分，則可減緩帶鋼的大氣腐蝕速度，更好地保護帶鋼不受侵蝕。

帶鋼表面氧化鐵皮結構的不同主要體現在氧化鐵皮孔隙率的差異。而氧化鐵皮孔隙率的大小會影響儲運過程中腐蝕性介質的滲透程度，孔隙率越大，腐蝕介質越容易向鐵皮內部滲透。反之，孔隙率越小，氧化鐵皮結構越致密，腐蝕介質越不容易滲透，發生電偶腐蝕的幾率越小，耐腐蝕性能越好。

綜上所述，熱軋510L帶鋼在600～650 ℃范圍內提高卷曲溫度，可以減小氧化鐵皮的孔隙率，提高氧化鐵皮的致密性和完整性，阻礙外界腐蝕性介質的滲透，提高510L大梁鋼的耐大氣腐蝕性能。

3 結論

(1)在適當高于600 ℃的溫度卷曲可以有效降低熱軋510L帶鋼表面氧化鐵皮的孔隙率，阻礙外界腐蝕性介質向鐵皮內的基體滲透。

(2)在600～650 ℃范圍內提高卷曲溫度可以提高熱軋510L帶鋼表面氧化鐵皮的致密性和對基體金屬的保護性，改善帶鋼在儲運期間的耐大氣腐蝕性能。

[1] CHEN R Y, YUEN W Y D. Review of the high temperature oxidation of iron and carbon steels in air and oxygen [J]. Oxidation of Metals, 2003, 59(4):433- 468.

[2] 劉振宇, 于洋, 郭曉波, 等. 板帶熱連軋中氧化鐵皮的控制技術[J]. 軋鋼, 2009, 26(1):5- 9.

[3] 楊奕, 劉振宇, 譚文, 等. 終軋溫度和卷曲后冷卻方式對汽車大梁用鋼氧化鐵皮特征的影響[J]. 鋼鐵研究學報, 2013, 25(5):45- 48.

[4] 吝章國, 賈耿偉, 李守華, 等. 卷曲溫度對510L鋼氧化皮結構的影響[J]. 材料熱處理技術, 2011, 40(24):78- 81.

[5] 何永全, 孫彬, 劉振宇, 等. 氧化鐵皮對低碳鋼大氣腐蝕行為的影響[J]. 東北大學學報,2013, 34(10):1417- 1419.

[6] 符明含. 熱軋帶鋼氧化皮結構及耐腐蝕性研究[D]. 南昌：南昌航空大學, 2000.

[7] 何愛花, 孟潔, 王佳, 等. 表面氧化膜對B510L熱軋鋼板腐蝕行為的影響[J]. 中國腐蝕與防護學報, 2008, 28(4): 198- 200.

收修改稿日期：2016- 12- 01

EffectofCoilingTemperatureonCorrosionBehaviorofHotRolled510LStrip

Gao Lijun Yang Jianwei Cao Jianping Yu Dongyun Liu Liwei Wang Shengrong

(Shougang Research Institute of Technology, Shougang Group Corporation, Beijing 100043, China)

Effect of coiling temperature on the corrosion resistance of hot rolled 510L strip was investigated by thermal simulation, exposure test, SEM and electrochemical impedance measurements. The results indicated that coiling at a temperature appropriately exceeding 600 ℃ can improve the structure of oxide scale on the hot rolled 510L strip, and enhance the density of oxide scale, which can effectively prevent corrosive substances from penetrating into the substrate and strengthen the protection of oxide scale for base metal, thus improving the corrosion resistance of hot rolled 510L strip during the storage and transportation.

hot rolled 510L strip，coiling temperature，oxide scale，corrosion

高立軍，男，工程師，碩士，研究方向為材料的腐蝕與防護，Email：gaolijun@shougang.com.cn