變形對330 MPa級熱軋搪瓷鋼組織和儲氫性能的影響

劉 欣

（寶鋼股份研究院梅鋼技術中心，江蘇南京 210012）

搪瓷用鋼涂搪后外形美觀、質感細膩、色彩豐富，耐腐蝕、易洗滌，已被廣泛應用于日常廚房用品、家電產品、建筑裝飾搪瓷面板和一些大型管道等重要場合［1-4］。鱗爆是搪瓷制品最嚴重也是最常見的缺陷之一，如何控制鱗爆的發生，是搪瓷行業永恒的話題［5-6］。鱗爆的發生與鋼板的儲氫性能密切相關，鋼板的儲氫性能越好，搪瓷后發生鱗爆的概率越小。在搪瓷鋼的實際使用過程中，如電熱水器內膽，需將鋼板加工變形后再進行搪瓷，這對搪瓷鋼成形后的儲氫性能提出了更高的要求。因此，本文對拉伸變形量不同的搪瓷鋼進行搪燒，研究了搪燒前后鋼的顯微組織及儲氫性能變化。

1 試驗材料及方法

試驗選取330 MPa級熱軋酸洗搪瓷鋼為研究對象，其化學成分如表1所示。

表1 試驗鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of the test steel（mass fraction） %

采用拉伸機進行單向拉伸試驗，變形量分別為0、1%、4%、7%、10%。拉伸后試樣分為兩份：一份用500號砂紙打磨表面，進行儲氫性能測試；另一份進行搪燒（溫度850℃，保溫10 min，空冷），搪燒后去除表面搪瓷層，再用500號砂紙打磨表面，進行儲氫性能測試。

采用Fe-HP-12型金屬氫滲透性能測試儀進行電化學氫滲透試驗，記錄氫穿透鋼板過程的電流-時間（I-t）曲線，并對數據進行歸一化處理。歸一化氫滲透通量J／J∞為0.096，對應的時間為鋼板的氫穿透時間tb（min），tb除以相對厚度d（mm）的平方得1 mm厚鋼板的氫穿透時間，即tTH＝tb／d2，單位min／mm2。tTH值表示鋼板儲氫性能的大小，tTH值越大，鋼板的儲氫性能越好，試樣越不容易發生鱗爆［6］。

采用光學顯微鏡觀察試驗鋼搪燒前后的顯微組織，并用掃描電子顯微鏡觀察珠光體片層結構。

2 試驗結果與討論

2.1 儲氫性能

通過儲氫性能判斷鋼板的抗鱗爆性能。有研究表明［7］，為有效防止鱗爆，搪燒前的tTH值應大于6.7 min／mm2，該氫滲透試驗是參照歐洲標準EN10209—2013進行的。EN10209氫滲透試驗采用H2SO4和As2O3作為充氫溶液，但As2O3有劇毒，不適合日常實驗室使用。本文采用NaOH和Na2S溶液作為充氫溶液，根據以往經驗得出，熱軋鋼板搪燒前tTH值不小于3 min／mm2，搪燒后tTH值不小于0.9 min／mm2，可滿足抗鱗爆性能的要求，即可濕法涂搪獲得良好的抗鱗爆性能。

熱軋酸洗原板和不同變形量拉伸試樣搪燒前后的儲氫性能（tTH）計算結果如表2所示。表中可見，搪燒前變形量為0時，（未變形）試樣的tTH值為6.61 min／mm2；變形量為1% 時，試樣的tTH值增加至9.62 min／mm2；變形量為4% 時，tTH值增加至20.78 min／mm2；變形量為7% 時，tTH值增加至28.12 min／mm2；變形量增加到10%時，tTH值增加不明顯。搪燒后，鋼板的儲氫性能顯著降低，未變形試樣的tTH值僅為0.99 min／mm2；隨著變形量的增加，試樣的儲氫性能緩慢提高，當變形量為10%時，tTH值達到最大，為1.22 min／mm2。試驗鋼搪燒前后均滿足抗鱗爆性能的要求。

表2 熱軋酸洗原板和不同變形量拉伸試樣搪燒前后的儲氫性能（tTH）Table 2 Hydrogen storage capacity of the hot-rolled pickling plate and tensile samples with different deformations before and after enameling and burning （tTH）

2.2 顯微組織

熱軋酸洗原板和不同變形量拉伸試樣搪燒前后的顯微組織如圖1所示。可見試樣顯微組織為鐵素體和少量珠光體，晶粒細小、均勻，拉伸變形后晶粒被拉長。搪燒后晶粒長大不明顯，珠光體含量明顯減少；隨著變形量從0增加到10%，晶粒尺寸從約12 μm減小到約7 μm，晶粒逐漸細化。

圖1 熱軋酸洗原板和不同變形量拉伸試樣搪燒前后的顯微組織Fig.1 Microstructures of the hot-rolled pickling plate and tensile samples with different deformations before and after enameling and burning

試驗鋼的搪燒溫度為850℃，處于A1和A3相變溫度之間，達到了再結晶溫度。搪燒過程是鋼回復再結晶的過程，出現了珠光體回溶，冷卻后珠光體未能充分析出，過飽和固溶在鐵素體中，所以試驗鋼搪燒后珠光體含量減少。

試驗鋼搪燒后晶粒長大不明顯，主要是由于鋼中大量彌散的第二相粒子TiC、TiN等對晶界的釘扎作用，阻礙了搪燒過程中晶粒長大，使晶粒細化。固溶的Mn能抑制回復并阻礙再結晶晶粒長大，細化晶粒；拉伸變形使鋼中位錯密度、微裂紋和微孔洞等缺陷增多，為搪燒過程晶粒提供了更多的形核點，且變形量越大，形變儲能越大，再結晶形核驅動力越大，導致試驗鋼搪燒后隨著變形量的增加晶粒細化。

2.3 第二相粒子

封治民等［8］通過在搪瓷用鋼中添加質量分數為0.28%的Ti，調整Ti／C質量比來提高鋼板的抗鱗爆性能，發現鋼板的抗鱗爆性能隨著Ti／C質量比的增大而提高。本文試驗鋼中添加了質量分數為0.04%的Ti元素，通過Ti和N結合生成Ti的氮化物增加鋼中的氫陷阱數量，以提高鋼板的抗鱗爆性能［8-10］。圖2為試驗鋼中析出相及其能譜分析。可見第二相粒子尺寸為0.1～1.0 μm，主要含Ti和N 元素及少量C元素。由于析出相尺寸較小，能譜僅出現了Fe元素的特征峰，可以判斷第二相粒子為Ti的氮化物。Ti元素在鋼中形成了細小、彌散的第二相粒子，第二相粒子是氫的不可逆陷阱，從而提高了鋼板的抗鱗爆性能。

圖2 熱軋板中第二相粒子形貌（a）及能譜分析（b）Fig.2 Morphology（a）and energy spectrum analysis（b）of the second phase particles in the hot-rolled plate

3 結果與討論

不同變形量拉伸試樣的珠光體形貌如圖3所示。圖3（a）是未變形試樣的珠光體，由滲碳體和鐵素體組成，片層完整。當拉伸變形量增加至1%時，位錯密度增加［10］。位錯是氫的可逆陷阱，鋼板的儲氫性能提高，TH值增大。隨著拉伸變形量的增加，珠光體內滲碳體片層開始出現細小的顯微裂紋，變形量增加到4%時，滲碳體片層出現變形拉斷（圖3（b））；變形量增加到7%時，珠光體變形更加明顯，滲碳體片層斷裂，并在晶界等處出現孔洞等缺陷（圖3（c））。微裂紋、孔洞等缺陷是鋼的不可逆氫陷阱，使鋼板的儲氫性能顯著提高。當變形量為10%時，珠光體的變形已達到極限，新的氫陷阱較少，鋼板TH值的增量減小。

圖3 不同變形量拉伸試樣中珠光體形貌Fig.3 Morphologies of pearlite in the tensile samples with different deformations

關于試驗鋼搪燒后的儲氫性能，Takahashi等研究發現（半）共格的Ti（C，N）析出粒子與鐵素體基體的相界面是低溫下主要的不可逆氫陷阱［11］，在高溫（850℃）搪燒過程中第二相粒子大量回溶導致其數量降低，即氫陷阱大幅度減少，造成試驗鋼搪燒后的TH值大幅度減小。晶界是氫陷阱的一種，細晶使試驗鋼的氫陷阱數量增加，所以拉伸變形量越大，鋼板搪燒后晶粒越細，儲氫性能也越好。

4 結論

（1）330 MPa級熱軋搪瓷鋼采用加Ti成分設計，鋼中形成了彌散分布的第二相粒子TiN，鋼板的抗鱗爆性能提高。拉伸變形后，鋼中位錯、顯微裂紋、孔洞等氫陷阱數量增多，儲氫性能顯著提高。

（2）不同變形量的試驗鋼搪燒后，由于變形導致形核點增加和第二相粒子TiN等對晶界的釘扎作用，晶粒長大不明顯，且隨著拉伸變形量的增加，晶粒細化。

（3）拉伸變形對提高搪瓷鋼的儲氫性能有利，且拉伸變形量越大，搪燒后鋼板的儲氫性能越好。