Fe-Si合金的高溫氧化行為

孫 彬, 尤宏廣, 郝明欣, 王孝偉, 張朋飛, 于 茜

(1. 沈陽大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽110044;2. 河鋼集團 a. 邯鋼公司, 河北 邯鄲 056000; b. 邯鋼公司邯寶熱軋廠, 河北 邯鄲 056015)

在鋼中添加Si元素能有效提高鋼的電阻率, 其對應用于摩托車上的電磁零件是非常重要的[1]. 在熱軋的過程中, 從加熱爐、粗軋、精軋等工序開始, 鋼板始終暴露在高溫氧化性環境中, 因此鋼板表面會生成氧化鐵皮[2-3]. 在熱軋過程中往往有多道次的高壓水除鱗, 但有些鋼種的除鱗效果并不理想, 尤其是鋼中含有Si元素. Si易在界面處形成復合氧化物, 這些復合氧化物會將氧化鐵皮包裹其中, 在后續的除鱗過程中除不掉. 根據FeO-SiO2相圖可知, 共晶反應溫度為1 446 K[4-5],即1 173 ℃.傳統觀點認為,將加熱爐出爐溫度控制在1 173 ℃以上時,Fe2SiO4呈液態,有利于除鱗,但往往收不到理想的效果.本文對實驗鋼種的Fe2SiO4相的實際熔點進行討論,研究s含Si鋼的高溫氧化機理,為實際生產提供一定的理論支撐.

1 實驗方法

在2塊鋼板上用線切割機分別截取15 mm×10 mm×1.5 mm試樣各6塊.加熱實驗在SPJX-8-13型管式電阻爐中進行.加熱溫度分別為1 150和1 200 ℃.在Fe2SiO4理論熔點的上下分別設定加熱溫度,考查Fe2SiO4的物理狀態對氧化鐵皮的影響.氧化時間設定為600、1 800和3 600 s.具體實驗過程如下:以10 ℃·min-1的升溫速率升高到預設定的加熱溫度,恒溫5 min以保證爐內溫度均勻,然后快速將試樣放入管式爐的中間位置,保溫至設定的時間后,快速從爐中將試樣夾出,進行端淬,再用熱鑲嵌機將試樣鑲嵌,對試樣進行砂紙打磨、拋光,腐蝕后采用OM、SEM和EDS等分析手段進行氧化鐵皮斷面形貌和化學成分檢測(表1).

表1 實驗鋼的化學成分

2 結果與討論

2.1 氧化鐵皮斷面形貌

圖1所示為Fe-0.3Si鋼在氧化溫度為1 150和1 200 ℃時,經不同氧化時間后氧化鐵皮的斷面形貌.通過圖1a～圖1c可以觀察到,當氧化溫度為1 150 ℃時,氧化鐵皮是由外層較薄的Fe3O4層和內層的FeO層組成.在當氧化時間為3 600 s時,在靠近外側FeO層中出現了大量先共析的Fe3O4,但并沒有發現共析組織.在相同的氧化溫度條件下,增加氧化時間,氧化鐵皮的厚度逐漸增加.同時在3幅圖中均發現在氧化鐵皮與基體的界面處出現了一層Fe2SiO4和FeO的共晶組織,并且Fe2SiO4均沿著氧化鐵皮裂紋向氧化鐵皮內部和基體側發生擴散,表明在實際加熱過程中,Fe2SiO4出現液相狀態.氧化溫度為1 200 ℃時,氧化鐵皮的結構與1 150 ℃時基本相同,只不過氧化時間為1 800和3 600 s時,在靠近外側的氧化鐵皮層中出現了大量的Fe3O4析出物.在氧化溫度為1 200 ℃時,也在氧化鐵皮與基體界面處觀察到了共晶組織,并且共晶組織也發生了向內和向外的擴散現象.同時在氧化鐵皮層中觀察到了大量的孔洞和裂紋,大部分的孔洞都集中在氧化鐵皮與基體的界面處.在界面處存在的孔洞主要集中在Fe2SiO4和FeO的共晶組織中,孔洞方向一般平行于界面方向.裂紋主要集中在向外擴散的共晶組織處.

圖1 Fe-0.3Si鋼在不同氧化溫度和時間下的氧化鐵皮斷面形貌Fig.1 Cross-sectioin structure of oxide scale of Fe-0.3Si steel at different temperatures and times

圖2為Fe-0.6Si鋼在氧化溫度為1 150和1 200 ℃時, 經不同氧化時間后氧化鐵皮的斷面組織形貌.除了氧化溫度為1 150 ℃, 氧化時間為600 s時的氧化鐵皮層中沒有出現先共析Fe3O4析出物以外, 余下的所有氧化鐵皮層中均出現了先共析Fe3O4析出物. 同時, 在設定的2個氧化溫度下, 經過不同的氧化時間在氧化鐵皮與鋼基體的結合處均出現了厚度不同的Fe2SiO4和FeO的共晶組織. 界面處的共晶組織同樣在沿著氧化鐵皮的裂紋處向氧化鐵皮內部和基體側的方向均出現了擴散. 氧化鐵皮與基體的結合處還出現了大量的孔洞和裂紋. 與Fe-0.3Si鋼相同, 孔洞的位置主要集中在氧化鐵皮與基體的界面處, 即共晶組織的位置.觀察氧化溫度為1 150和1 200 ℃,氧化時間為3 600 s時,已形成平行界面的孔洞帶,并且這部分孔洞帶已將FeO層分割成了2部分.對比Fe-0.3Si鋼和Fe-0.6Si鋼的氧化鐵皮形成的孔洞,隨著Si含量的增加,孔洞出現的越來越多,最后形成了孔洞帶.孔洞帶的形成,在一定程度上增加了陰陽離子雙向擴散的阻力,這也是隨著Si含量的提高,氧化鐵皮厚度減小的原因之一.

2.2 Fe2SiO4的熔點分析

如前所述,Fe2SiO4的理論熔點為1 173 ℃.很多研究文章[6-8]均是以這個理論溫度為標準的.在實際熱軋工序中,加熱爐中的溫度低于1 173 ℃時, 即低于Fe2SiO4的熔點, 固態的共晶產物在初除鱗過程中未除凈, 從而引起各種表面缺陷現象. 通過本實驗可知, 當氧化溫度為1 150 ℃時, 不論是Fe-0.3Si鋼還是Fe-0.6Si鋼, 都出現了不同程度的Fe2SiO4擴散現象, 說明此時的Fe2SiO4是液態的. 這種液態的Fe2SiO4可以向外層的氧化鐵皮中滲透,滲透的位置主要沿著FeO的晶界處.其還可以向基體側滲透,造成氧化鐵皮與基體的界面凹凸不平,增大了除鱗難度. 液態Fe2SiO4向2個方向的滲透如圖3所示,說明在1 150 ℃溫度下,Fe2SiO4已經達到了熔點,呈現液態, Fe2SiO4的實際熔點要低于理論溫度.劉小江[9]通過DSC的方法測定了Fe-2.2Si鋼中Fe2SiO4的熔點為1 140 ℃, 說明不同的鋼種在高溫下形成的Fe2SiO4的熔點會偏離理論熔點.

圖2 Fe-0.6Si鋼在不同氧化溫度和時間下的氧化鐵皮斷面形貌Fig.2 Cross-section structure of oxide scale of Fe-0.6Si steel at different temperatures and times

圖3 1 150 ℃時Fe2SiO4向氧化鐵皮內部擴散Fig.3 Diffusion of Fe2SiO4 into iron oxide scale at 1 150 ℃

2.3 Fe2SiO4和FeO共晶組織的斷面形貌分析

圖4所示為Fe2SiO4和FeO共晶組織的斷面組織形貌.從圖4中可以看出,在Fe2SiO4層中存在著許多棒狀或者是點狀的白色組織.圖4中標注的各個位置處的能譜分析成分如表2所示.

表2 標注位置處能譜分析

圖4Fe2SiO4和FeO共晶組織的斷面形貌

Fig.4Cross-sectionmorphologyofFe2SiO4andFeOeutecticcompound

從表2可以看出,白色物質基本上是由Fe和O組成,還含有較少量的Si.丁美良[10]研究發現,點狀和棒狀的白色物質均為FeO共晶產物,只是晶粒的位向不同,導致了共晶產物的形態不同.由FeO-SiO2的相圖可知,在Fe2SiO4區域的左右兩側分別存在著共晶混合物區域,左邊為Fe2SiO4和SiO2,右邊區域為Fe2SiO4和FeO.由于在氧化鐵皮層中FeO的含量遠大于SiO2的含量,因此在高溫狀態下,會形成液態組織和FeO,液態組織包裹著FeO.隨著溫度的下降,液態組織在發生凝固的過程中會發生共晶反應,形成Fe2SiO4和FeO的共晶組織.

2.4 共晶產物層的厚度統計

圖5為Fe-0.3Si鋼和Fe-0.6Si鋼在1 150和1 200 ℃時分別經過600、1 800和3 600 s氧化后, Fe2SiO4和FeO共晶組織層的厚度統計圖. 從圖5可以看到, 在不同的氧化溫度下, Fe-0.6Si鋼生成的共晶組織層的厚度均大于Fe-0.3Si鋼, 說明增加Si元素含量有利于促進共晶組織生成.

圖5 Fe-0.3Si鋼和Fe-0.6Si鋼在不同氧化溫度和時間下共晶組織層的厚度統計圖

2.5 富Si層的形成機理分析

Fe-0.3Si鋼和Fe-0.6Si鋼在高溫氧化的初期,鋼內的Fe元素和Si元素均擴散到樣品表面,與空氣中的氧發生氧化反應,生成SiO2和FeO.SiO2不是被鐵的氧化物包圍的,而是平鋪生長,因此分布比較細小和均勻.同時發生固相反應的SiO2和FeO反應生成了Fe2SiO4晶核.隨著晶核的逐漸長大,Fe2SiO4生長在氧化鐵皮層中,多數富集在氧化鐵皮和基體界面處.由于氧化溫度高于Fe2SiO4的熔點,因此形成的Fe2SiO4發生熔化,擴散方向由氧化鐵皮裂紋處向內部擴散,同時由基體晶粒晶界處向內部擴散.其示意圖如圖6所示,這種熔化產生的擴散給后續的除鱗帶來了極大的影響,易因除鱗除不盡而形成各種表面缺陷.

圖6 富Si層的形成及擴散示意圖Fig.6 The schematic diagram of formation and diffusion of Si enrichment layer

3 結 論

1) Fe-0.3Si鋼和Fe-0.6Si經1 150和1 200 ℃高溫氧化后,整個氧化鐵皮層的斷面結構均為由外層的鐵氧化物和靠近基體側的Si的富集層組成.

2) 在2個氧化溫度下,均出現了Fe2SiO4向氧化鐵皮內部和基體內部擴散的現象,說明Fe2SiO4的實際熔點均低于2個氧化溫度,1 173 ℃僅為Fe2SiO4的理論熔點,在實際鋼種氧化時生成的Fe2SiO4的熔點會偏離理論熔點.

3) SiO2與FeO發生固相反應生成Fe2SiO4.FeO的共晶產物出現在Fe2SiO4層中,以白色點狀或棒狀組織方式出現.