孫 彬, 張連永, 劉曉鳳, 于 茜, 曹國珍

(沈陽大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110044)

Fe-0.6Si鋼氧化鐵皮在升溫過程的組織轉(zhuǎn)變

孫 彬, 張連永, 劉曉鳳, 于 茜, 曹國珍

(沈陽大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110044)

將已有氧化鐵皮的試樣重新升溫到目標溫度,觀察在升溫后氧化鐵皮的組織轉(zhuǎn)變.實驗結(jié)果表明:氧化鐵皮經(jīng)升溫后共析組織減少,甚至消失.取而代之的是形成了大量的氧化亞鐵.說明在升溫的過程中發(fā)生了共析反應的逆轉(zhuǎn)變.目標溫度越高,生成的氧化亞鐵越多,說明溫度升高有利于離子擴散.共析組織逆轉(zhuǎn)變時,鐵離子進入到四氧化三鐵晶格中.消耗掉鐵離子和四氧化三鐵,形成氧化亞鐵晶核.晶核持續(xù)長大,形成氧化亞鐵.先共析四氧化三鐵屬于貧鐵區(qū),因此在逆轉(zhuǎn)變的速率較慢,因此在氧化鐵皮層中仍有部分先共析的四氧化三鐵殘留.

氧化鐵皮; 共析組織; 逆轉(zhuǎn)變; 先共析四氧化三鐵

在熱軋過程中,由于在高溫條件下,鋼板表面會形成一層氧化鐵皮[1-2].氧化鐵皮組織在降溫過程中會發(fā)生先共析和共析轉(zhuǎn)變[3-6],這方面已有大量的研究.一般情況下,熱軋鋼板在冷軋、退火前,先經(jīng)過酸洗,將鋼板表面的氧化鐵皮酸洗掉[7].酸洗過程產(chǎn)生的廢酸廢液嚴重污染環(huán)境,因此何永全[8]等研究了帶有熱軋氧化鐵皮的鋼板直接冷軋、退火.剪掉酸洗工序后,這樣節(jié)省了鋼材成本,還減小了廢酸廢液的排放.帶有氧化鐵皮的鋼板經(jīng)冷軋、退火后還要進行鍍鋅.對于鋼板表面的氧化鐵皮經(jīng)退火后組織結(jié)構(gòu)會發(fā)生怎樣的轉(zhuǎn)變,目前還不清楚.因此本文以帶有氧化鐵皮的鋼板為研究對象,通過模擬退火的升溫過程,考查氧化鐵皮在升溫過程的組織轉(zhuǎn)變,這一研究結(jié)果為生產(chǎn)實踐提供了一定的理論基礎.

1 實驗方法

本實驗采用的鋼種化學成分如表1所示.本實驗是將已有氧化鐵皮的試驗鋼,在氬氣保護下進行升溫,同時觀察氧化鐵皮組織結(jié)構(gòu)在升溫過程中發(fā)生的轉(zhuǎn)變行為.試驗鋼表面已有的氧化鐵皮的生成工藝方案如圖1所示,氧化鐵皮的保溫溫度為400和450 ℃.在室溫空氣條件下,將爐內(nèi)溫度以10 ℃/min速率升溫到1 050 ℃后加入試樣并保溫5 min,然后以10 ℃/min速率降溫到各氧化溫度,保溫6 000 s后取出試樣空冷到室溫.目標溫度分別為400、450、500和550 ℃.

表1 實驗鋼種的化學成分Table 1 Chemical compositions of the experimental steel

升溫實驗設備采用管式電阻爐.

用線切割將

圖1氧化鐵皮生成實驗
Fig.1 Generate experiment of oxide scale

試樣加工成27 mm×8 mm×7 mm.將試樣放入瓷舟內(nèi),并將瓷舟放在管式爐爐膛中間.抽真空后往爐腔內(nèi)充入氬氣,使得爐腔內(nèi)達到一標準大氣壓時停止充氬氣.然后以10 ℃/min的升溫速率升高到目標溫度后端淬.目標溫度設定為450、500、550和600 ℃.實驗工藝方案如圖2所示.采用線切割將端淬后的試樣切成尺寸為12 mm×6 mm×7 mm,然后進行熱鑲嵌,經(jīng)過800#～1 500#砂紙打磨后,進行機械拋光30 min.最后采用質(zhì)量分數(shù)為1% 鹽酸酒精[9]腐蝕試樣5 s后吹干. 采用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察氧化鐵皮的微觀形貌.

圖2氧化鐵皮升溫轉(zhuǎn)變實驗
Fig.2 Temperature increasing experiment of oxide scale

2 結(jié)果與分析

2.1氧化鐵皮升溫前后的微觀組織斷面形貌

圖3是在升溫實驗前,氧化溫度為400 ℃時試驗鋼表面氧化鐵皮的斷面形貌.從圖3a中可以看出氧化鐵皮由最外層的四氧化三鐵層和內(nèi)層的氧化亞鐵層組成.氧化亞鐵層中含有大量的先共析四氧化三鐵和共析組織.由于共析組織片層間距較小,所以在掃描電鏡下放大10 000倍后的斷面形貌如圖3b所示.圖3b中灰色標記出來的是由四氧化三鐵和鐵組成的共析組織.

將試樣升溫到450 ℃時,可看到氧化鐵皮層中大片狀的共析組織逐漸變小.說明已經(jīng)發(fā)生了共析反應的逆轉(zhuǎn)變,其化學方程式如下所示:

伴隨著升溫目標溫度的升高,氧化鐵皮中共析組織逐漸減少,生成的氧化亞鐵逐漸增大.當目標溫度為600 ℃時,如圖4d所示,共析組織基本消失,只有大量先共析的四氧化三鐵和生成的氧化亞鐵.

圖3 400 ℃時升溫前氧化鐵皮斷面形貌Fig.3 Cross-sectional topography of oxide scale before temperature increasing at 400 ℃

圖4 400 ℃的試樣升溫后氧化鐵皮層轉(zhuǎn)變斷面形貌Fig.4 Cross-sectional topography of the oxide scale after temperature increasing at 400 ℃(a)—450 ℃; (b)—500 ℃; (c)—550 ℃; (d)—600 ℃.

圖5 450 ℃時升溫前氧化鐵皮斷面形貌

Fig.5 Cross-sectional topography of the oxide scale before temperature increasing at 450 ℃

將氧化溫度為450 ℃時的試樣重新升溫到目標溫度后的氧化鐵皮斷面形貌如圖6所示.從圖6a中看出,內(nèi)部氧化鐵皮層仍然有少量的大片狀的共析組織存在,氧化鐵皮的形貌與升溫前變化不大.當目標溫度為500 ℃時,大片狀的共析組織消失,取而代之的是小塊的共析組織.當溫度升高到550 ℃時,部分共析組織的形狀繼續(xù)減小,甚至有的已完全消失.原共析組織已部分轉(zhuǎn)變成氧化亞鐵.當目標溫度升高到600 ℃時,氧化鐵皮層中的共析組織完全消失.大量的氧化亞鐵生成,在氧化亞鐵層中,還可觀察到少量的先共析四氧化三鐵.

圖6 450 ℃的試樣升溫后氧化鐵皮層轉(zhuǎn)變斷面形貌Fig.6 Cross-sectional topography of the oxide scale after temperature increasing at 450 ℃ (a)—450 ℃; (b)—500 ℃; (c)—550 ℃; (d)—600 ℃.

2.2共析組織向氧化亞鐵轉(zhuǎn)變

在升溫的過程中,由鐵和四氧化三鐵組成的共析產(chǎn)物中鐵優(yōu)先發(fā)生離子反應,其化學反應式為:Fe→Fe2++2e-,形成二價鐵離子.形成的鐵離子發(fā)生短程擴散,進入到四氧化三鐵的晶格中,當結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏達到氧化亞鐵的形核條件時,此時將發(fā)生如下轉(zhuǎn)變:Fe3O4+Fe→Fe1-yO.氧化亞鐵一旦在原共析產(chǎn)物中形核,將繼續(xù)消耗共析產(chǎn)物中的鐵離子導致形核不斷長大,直到鐵離子完全消耗完畢,氧化亞鐵的形成過程發(fā)生完畢.一般這種情況下,在氧化亞鐵層中仍然有四氧化三鐵的存在.

2.3先共析組織向氧化亞鐵轉(zhuǎn)變

在整個氧化亞鐵層中存在著兩種四氧化三鐵.一種是共析組織的組成物,還有一種是先共析的四氧化三鐵.由于共析組織中的四氧化三鐵與共析組織中的鐵位置相近,在發(fā)生逆轉(zhuǎn)變時只需要鐵離子的短程擴散就可以完成向氧化亞鐵的轉(zhuǎn)變.而對于先共析四氧化三鐵來說,如果它的位置是靠近基體側(cè)的,那么基體會源源不斷地提供給它鐵離子,因此靠近基體側(cè)的先共析的四氧化三鐵的逆轉(zhuǎn)變速度與共析組織中的四氧化三鐵的逆轉(zhuǎn)變速率相差無幾.但離基體較遠的先共析四氧化三鐵,既得不到共析組織中的鐵離子,也得不到基體提供的鐵離子,因此此處的先共析四氧化三鐵屬于貧鐵區(qū),在貧鐵區(qū)中的先共析的四氧化三鐵發(fā)生逆轉(zhuǎn)變的速率較慢,這也很好地解釋了為什么氧化鐵皮層中共析組織已完全轉(zhuǎn)變成氧化亞鐵后,部分氧化亞鐵中還有少量先共析四氧化三鐵殘留的原因了.

3 結(jié) 論

(1) 鋼板在熱軋過程中會經(jīng)過升溫的過程,在這個過程中氧化鐵皮結(jié)構(gòu)中的共析組織會發(fā)生逆轉(zhuǎn)變.根據(jù)對氧化鐵皮斷面形貌的觀察可以發(fā)現(xiàn)共析組織中的鐵和四氧化三鐵發(fā)生反應生成氧化亞鐵.

(2) 在模擬熱軋過程中的升溫實驗,本升溫實驗中通過對試樣的升溫處理,在氧化鐵皮斷面形貌中可以發(fā)現(xiàn)先共析組織四氧化三鐵和近基體處的鐵離子發(fā)生反應轉(zhuǎn)變成為氧化亞鐵.

(3) 根據(jù)本實驗目標溫度450和500 ℃的斷面形貌圖的對比下,可以發(fā)現(xiàn)在升溫實驗過程中的目標溫度越高,離子擴散速率越快,有利于共析組織和先共析組織逆轉(zhuǎn)變的反應過程.

[ 1 ] MUNTHER P A,LENARD J G. The effect of scaling on interfacial friction in hot rolling of steels[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1999,88(1/2/3):105-113.

[ 2 ] XIAN J,ZHANG B M,et al. Oxide scale growth on high carbon steel at high temperatures[J]. Journal of Iron and Steel Research, International, 2013,20(1):47-52.

[ 3 ] CHEN R Y,YUEN W Y D. Oxidation of low-carbon, low-silicon mild steel at 450～900 ℃ under-conditions relevant to hot-strip processing[J]. Oxidation of Metals, 2002,57(1):53-79.

[ 4 ] BAUER R,BACCALARO M,JEURGENS L P H,et al. Oxidation behavior of Fe-25Cr-20Ni-2.8Si during isothermal oxidation at 1 286 K; life-time prediction[J]. Oxidation of Metals, 2008,69(3):265-285.

[ 5 ] CHEN R Y,YUEN W Y D. Oxide-scale structures formed on commercial hot-rolled steel strip and their formation mechanisms[J]. Oxidation of Metals, 2001,56(1):89-118.

[ 6 ] CHEN R Y,YUEN W Y D. A study of the scale structure of hot-rolled steel strip by simulated coiling and cooling[J]. Oxidation of Metals, 2000,53(5):539-560.

[ 7 ] 孫彬,曹光明,鄒穎,等. 熱軋低碳鋼氧化鐵皮厚度的數(shù)值模擬及微觀形貌的研究[J]. 鋼鐵研究學報, 2011,23(5):34-38. (SUN B,CAO G M,ZOU Y,et al. Study on thickness numerical simulation and morphological of oxide scale on hot-rolled low carbon steel[J]. Journal of Iron and Steel Research, 2011,23(5):34-38.)

[ 8 ] 何永全. 熱軋帶鋼免酸洗還原熱鍍鋅工藝研究與應用[D]. 沈陽:東北大學, 2015. (HE Y Q. Research and application of hot dip galvanizing of hot-rolled steel strip without pickling[D]. Shenyang: Northeastern University, 2015.)

[ 9 ] CHEN R Y,YUEN W Y D. Short-time oxidation behavior of low-carbon, low-silicon steel in air at 850～1 180 ℃ Ⅱ: linear to parabolic transition determined using existing gas-phase transport and solid-phase diffusion theories[J]. Oxidation of Metals, 2010,73(3):353-373.

[10] KIYOSHI K,RYOKO W,TOMOHARU I. High-temperature oxidation behavior and scale morphology of Si-containing steels[J]. ISIJ International, 2007,47(9):1329-1334.

StructureDevelopmentofOxideScaleonFe-0.6SiSteelunderReheatingProcess

SunBin,ZhangLianyong,LiuXiaofeng,YuQian,CaoGuozhen

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University, Shenyang110044, China)

The sample of the existing oxide scale was reheated to the target temperature to observe the tissue transition of the oxide scale after the temperature rise. The experimental results show that the eutectoid is reduced or even disappeared after the temperature rising, and replaced by the formation of a large number of ferrous oxide, which indicating that in the process of heating up the eutectoid reaction occurred inversion. The higher the target temperature, the more ferrous oxide produced, indicating that the temperature rise is conducive to ion diffusion. When the eutectoid transformation occurs, the iron ions enter into the lattice of ferroferric oxide. It consumes iron ions and ferroferric oxide, and forms ferrous oxide nuclei. The nuclei continues to grow, and forms ferrous oxide. The proeutectoid ferroferric oxide is iron-poor area, so that its transform rate is slow. As a result, the proeutectoid ferroferric oxide precipitates is retained inside the oxide scale layer. The transform rate of magnetite is slow. As a result, the magnetite precipitates is retained inside thewustite layer.

oxide scale; eutectoid structure; reverse transformation; proeutectoid magnetite

TG 172.3

: A

【責任編輯:肖景魁】

2017-01-22

國家自然科學基金青年基金資助項目(51301111); 遼寧省自然科學基金資助項目(201602523).

孫 彬(1982-),女,遼寧錦州人,沈陽大學副教授,博士.

2095-5456(2017)04-0283-04