搪瓷厚板的抗鱗爆性能

楊 銘 徐 春 曹 紅

(上海應用技術大學材料科學與工程學院，上海 201418)

搪瓷鋼板具有強度高、光潔、耐用等優點，在生活及生產中均有廣泛應用。然而，搪瓷制品的主要缺點是易發生鱗爆，而且鱗爆不僅發生在制品剛燒成后，也可能在一段時間后出現，毫無征兆甚至無規律可循[1- 3]。研究發現，鋼板的抗鱗爆性能與不可逆氫陷阱密切有關，不可逆陷阱能永久儲存氫，使氫不易再逸出。鋼中常見的不可逆陷阱主要是第二相粒子。

Valentini等[4]研究發現，Ti(C,N)等析出相是常見的不可逆陷阱，影響氫在鋼中的擴散。研究鑄態、熱軋、冷軋及退火狀態的超低碳鋼發現，TiN及Ti4C2S2為主要的不可逆陷阱，在鑄態，熱軋和冷軋試樣中存在TiS相，在含鈦析出相中有微量鈮存在，這些析出相大大提高了鋼板的抗鱗爆性能[5- 7]。

目前，國內外大量研究了不同成形狀態的搪瓷鋼板的微觀組織對其抗鱗爆性能的影響。然而關于搪瓷用鋼厚度的報道較少，鱗爆現象雖然發生在鋼板表面的搪瓷層，但由于其延遲性和隱蔽性，對于厚板而言，表面以下1/4和1/2厚度處也應具有良好的抗鱗爆性能。因此，本文研究了厚板不同部位的微觀組織及氫穿透時間，分析搪瓷鋼板的抗鱗爆性能，為企業生產提供指導。

1 試驗材料與方法

試驗用鋼板的厚度大于15 mm，將其編為1、2、3號，化學成分如表1所示。

用線切割按圖1所示位置，即鋼板表面、表面以下1/4和1/2厚度處切割尺寸為5 mm×5 mm的試樣，將其鑲嵌、打磨、拋光，并用體積分數為4%的硝酸酒精腐蝕，用光學顯微鏡觀察與分析。將腐蝕后的試樣進行噴碳，再用硝酸酒精腐蝕，撈取碳膜后用透射電鏡觀察析出相。

表1 試驗用鋼板的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical compositions of the investigated plates (mass fraction) %

圖1 從鋼板上取樣的示意圖Fig.1 Illustration of cutting samples from the plates

按上述位置加工尺寸為100 mm×70 mm的試片，其中1號鋼板表面和表面以下1/4、1/2厚度處的試片厚度分別為1.86、1.81、1.83 mm，2號鋼板試片的厚度依次為2.27、2.27、2.24 mm，3號鋼板試片的厚度為2.27、2.26、2.27 mm，按歐洲標準(EN 10209:2013)對鋼板進行抗鱗爆性檢測[8]。首先將試片放在鹽酸溶液中進行酸洗，再進行脫脂處理，烘干后固定在上、下兩個玻璃容器中，密封后用注射器將蒸餾水注入下側玻璃容器，上側加入事先配制的析氫液(6%H2SO4,0.25 g/L的HgCl2和0.5 g/L的As2O3)。將鉑電極放入上側玻璃容器中，用導線將鉑電極和試片分別連接到恒電流儀的負極與正極，析氫電流為1.57 A，待析氫液與試樣反應5 min左右后接通試驗記錄儀，記下反應開始的時間。當檢測到的壓力信號達到最大值并穩定后，關閉試驗儀器并記錄試驗結束時間。

根據試驗獲得的曲線，采用切線法得到滲氫時間，鋼板抗鱗爆性敏感值TH按式(1)計算：

TH=tb/d2

(1)

式中：tb為滲氫時間，min(精確到0.1 min)；d為試樣厚度，mm(精確到0.01 mm)。本文通過測量鋼板中擴散出的氫氣體積隨時間變化而求得tb。大量試驗研究表明[9- 10]：TH值大于6.7的鋼板不發生鱗爆，因此歐洲標準規定搪瓷鋼的TH>6.7。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

圖2分別是1、2、3號試驗用鋼板表面和表面以下1/4、1/2厚度處的顯微組織，主要為鐵素體、少量珠光體及呈彌散分布的細小析出相，其中3號鋼板的珠光體數量最多且最粗大。試驗用鋼板中的晶粒大小不均勻，不同部位的晶粒大小有一定差異，表面的晶粒最細小，其次是表面以下1/4厚度處，中部即1/2厚度處的晶粒最粗大。

2.2 抗鱗爆性能

圖3(a)為1號試樣在表面、表面以下1/4和1/2厚度處的氫滲透試驗結果，利用切線法對含氫量隨滲氫時間變化的曲線進行分析，在鋼板表面、表面以下1/4和1/2厚度處的滲氫時間分別為1 398、1 352、861 s，TH值分別為6.73、6.88、4.28。根據歐洲標準，該試樣除1/2厚度處滲氫時間較短、抗鱗爆性較差外，表面與表面以下1/4厚度處均大于6.7，且在表面以下1/4厚度處的TH值最大，滲氫時間最長，抗鱗爆性能最好。

圖3(b)和圖3(c)分別為2、3號鋼板的含氫量隨滲氫時間的變化，其中2號鋼板表面和表面以下1/4、1/2厚度處的滲氫時間分別為1 061、995、810 s，對應的TH值依次為3.52、3.22、2.62。3號鋼板在3個取樣部位的滲氫時間分別為1 592、1 088、773 s，TH值為5.15、3.55、2.50。由此可見，厚板1/2厚度處的滲氫時間最短，隨著從鋼板表面至心部距離的增加，TH值逐漸減小，且兩個鋼板的TH值均小于歐洲標準的規定值，因此該鋼板的抗鱗爆性能不合格。這是因為2號鋼板的晶粒太粗大，而3號鋼板含有珠光體。研究發現[11]，搪瓷用鋼板必須具有為7～8級的晶粒度和盡量少的珠光體。

2.3 析出相

圖2 1～3號試驗用鋼板表面(a、d、g)、表面以下1/4(b、e、h)和1/2(c、f、i)厚度處的顯微組織Fig.2 Microstructures at surface (a,d,g), 1/4 (b,e,h) and 1/2 (c,f,i) thickness below surface of the investigated plates No.1 to No.3

圖3 試驗用1～3號鋼板不同部位的氫含量隨滲氫時間的變化Fig.3 Hydrogen contents in different parts of the investigated plates No.1 to No.3 as a function of hydrogenation times

為了揭示上述3種厚板表面以下1/2厚度處的滲氫時間最短的原因，對1號鋼板進行了透射電鏡分析。圖4為1號鋼板中的析出相形貌，由能譜分析可知，主要析出相為TiC、Ti4C2S2。表2為析出相的定量分析結果，通過電鏡照片測出粒子的平均粒徑d和單位面積上的質點數N0,根據Fullman公式，析出相的體積分數Vf=(π/6)×N0×d2,單位體積內的析出相粒子數Nv=N0/d。統計結果表明,1號鋼板表面以下1/2厚度處的析出相數量及平均粒徑均小于表面及表面以下1/4厚度處，表面與表面以下1/4厚度處的析出相數量與大小相差不大。研究表明，Ti原子對氫陷阱的影響很大，大量彌散分布的TiC、Ti4C2S2析出相能大大增加氫擴散激活能，且析出物與氫有較強的交互作用，可增加鋼中不可逆氫陷阱的數量，從而提高鋼的抗鱗爆性能。研究表明，TiC、Ti4C2S2析出相是不可逆氫陷阱[12]，因此析出相數量越多越有利于提高抗鱗爆性能。

圖4 1號鋼板表面(a)、表面以下1/4(b)和1/2(c)厚度處的析出相Fig.4 Precipitated phases at surface (a), 1/4 (b) and 1/2 (c) thickness below surface of the investigated plate No.1

表2 1號鋼板中析出相的定量分析結果Table 2 Quantity analysis of precipitated phases in the investigated plate No.1

3 結論

(1)搪瓷用厚鋼板不同厚度處的抗鱗爆性能不同，氫滲透試驗表明，3種厚板中均為表面以下1/2厚度處的抗鱗爆性敏感值(TH值)最低。

(2)搪瓷用厚鋼板的晶粒尺寸也隨著厚度的不同存在差異，3種試驗用厚鋼板均為隨著板厚增加晶粒逐漸增大。

(3)對1號鋼板進行碳膜覆型，在透射電鏡下分析，結果顯示其析出相主要為TiC、Ti4C2S2，但表面以下1/2厚度處的析出相數量與平均粒徑最小，這是搪瓷用厚鋼板表面以下1/2厚度處的TH值最低的原因。