谷 杰， 吳彥欣， 劉 榮， 王 淼， 張 彬

(1.江蘇永鋼集團(tuán)有限公司, 江蘇 蘇州 215600； 2.北京科技大學(xué)工程技術(shù)研究院, 北京 100083)

引 言

高碳鋼熱軋盤條在斯太爾摩風(fēng)冷線冷卻過程中所形成的氧化鐵皮保留在盤條表面，在盤條的出廠運送途中對基體有一定的保護(hù)作用，但在用戶進(jìn)一步加工使用前需要通過機(jī)械除鱗等方法進(jìn)行去除[1-3]；若除鱗不徹底，會在后續(xù)的拉拔加工過程中壓入產(chǎn)品表面造成缺陷，這種缺陷不僅影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量，還會大大增加模具的損耗，提高生產(chǎn)成本[4-7]。因此，對氧化鐵皮的形成機(jī)理進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的控制措施就顯得尤為重要。目前已有諸多學(xué)者對其進(jìn)行了相關(guān)研究，如魏天賦[8]研究了氧化鐵皮的形成成因，結(jié)果表明，隨著溫度的升高和加熱時間的延長，氧化鐵皮的生成絕對量逐漸增多；付松岳[9]分析了高碳鋼盤條氧化鐵皮剝離性及生產(chǎn)工藝改進(jìn)，結(jié)果表明，通過適當(dāng)降低高溫段的冷卻速度可以有效剝離殘留的氧化鐵皮。張全剛[10]揭示了高碳鋼盤條表面氧化鐵皮厚度控制與研究，結(jié)果表明，盤條冷卻速度不超過13 ℃/s時，盤條表面可形成一層硬且脆的適合機(jī)械拉拔的氧化鐵皮層。

1 研究材料與方法

本實驗所采用的LX80A盤條主要化學(xué)成分：w(C)=0.70%-1.0%，w(Si)=0.15%-0.30%，w(Mn)=0.40%-0.80%，簾線鋼試樣的尺寸為Φ5 mm×10 mm。

對LX80A盤條采用機(jī)械除鱗方法去除氧化鐵皮，并用稀鹽酸進(jìn)行進(jìn)一步清洗。對殘留的氧化鐵皮，首先采用FEI Quatanta FEG450掃描電鏡和激光共聚焦顯微鏡對其形貌進(jìn)行觀察；然后利用XPS進(jìn)行元素的定性和定量分析，以及進(jìn)行EDS能譜檢測；最后通過高溫?zé)崤蛎泝x模擬原生產(chǎn)簾線鋼工藝，分別在500，400和300 ℃溫度下進(jìn)行氧化處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 殘留氧化鐵皮的成分確定

圖1為LX80A盤條表面照片。從圖中可知，經(jīng)機(jī)械除鱗和稀鹽酸清洗后的LX80A表面仍有褐色斑塊狀氧化鐵皮殘留。

圖1 LX80A盤條表面照片

為了分析殘留氧化鐵皮成分，采用掃描電鏡和激光共聚焦顯微鏡對其表面形貌和截面進(jìn)行觀察，如圖2所示。從圖中可知，在掃描電鏡下能看到有薄薄的一層氧化鐵皮，其界限清晰，如圖2(a)所示；從截面方向觀察其厚度大約為2-3 μm，如圖2(b)所示。

圖2 褐色氧化鐵皮的形貌

為了進(jìn)一步分析殘留氧化鐵皮的組成成分，采用XPS對盤條的基體、剝離后的表面和褐色氧化鐵皮殘留三個位置(如圖3所示)進(jìn)行表面掃描，其元素含量和譜線分別如表1和圖4所示。由表1可知，3個位置的C元素含量均偏高，這是該測試方法本身所造成的，為必然干擾項。通過對比基體與褐色氧化皮殘留中的Fe和O元素含量，可以初步判斷褐色物質(zhì)以鐵氧化物為主。

圖3 XPS選點位置示意圖

表1 XPS檢測結(jié)果(元素含量分析)

對于Fe的2p峰來說，從原理上可以通過分峰擬合的方式來確認(rèn)Fe2+和Fe3+的離子比例[11]。但是Fe3O4本身是一個特例，其特殊的比例導(dǎo)致衛(wèi)星峰消失，影響判斷。從圖4可知，褐色殘留物的XPS結(jié)果比較接近Fe3O4。

圖4 LX80 A盤條不同位置的XPS譜線圖

為了進(jìn)一步確認(rèn)褐色氧化鐵皮的成分，對其進(jìn)行了EDS能譜檢測，結(jié)果如圖2(a)左上角和表2所示。從表2可知，褐色氧化鐵皮成分主要為Fe和O，且原子百分比為45.19∶36.37，更接近Fe3O4。

表2 EDS能譜檢測結(jié)果

綜上所述，基于掃描電鏡、激光共聚焦顯微鏡、XPS和EDS等檢測手段，確定了褐色殘留氧化物的成分為Fe3O4。

2.2 殘留氧化鐵皮的產(chǎn)生機(jī)理

利用高溫?zé)崤蛎泝x將打磨光潔的簾線鋼試樣在300，400，500 ℃分別氧化30 s。如圖5所示，試樣表面在不同氧化溫度下呈現(xiàn)不同的顏色。從圖可知，當(dāng)簾線鋼試樣在 500 ℃氧化時，其試樣表面的顏色呈現(xiàn)褐色，與機(jī)械除鱗后觀察到的氧化鐵皮殘留一致。這說明，LX80A盤條表面殘留的氧化鐵皮是在400-550 ℃左右條件下產(chǎn)生的。

圖5 300，400，500 ℃氧化30 s的試樣表面顏色

綜上所述，經(jīng)機(jī)械除鱗和酸洗后觀察到的褐色氧化鐵皮是400-550 ℃左右形成新的氧化層，為一層致密的Fe3O4氧化膜，是材料外層二次氧化鐵皮疏松或脫落后內(nèi)部基體發(fā)生氧化形成的三次氧化鐵皮。其產(chǎn)生機(jī)理如圖6所示：由于氧化膜熱應(yīng)力與金屬和氧化物的線膨脹系數(shù)有關(guān)，且氧化物的線膨脹系數(shù)比金屬基體要小，導(dǎo)致在簾線鋼盤條軋后的斯太爾摩線冷卻過程中，氧化皮與基體收縮量存在差異，二次氧化鐵皮出現(xiàn)“起泡”現(xiàn)象。在風(fēng)冷輥道顛簸作用下，二次氧化皮發(fā)生破裂或脫落，使得基體暴露在空氣中，發(fā)生氧化產(chǎn)生三次氧化鐵皮。在577 ℃以下產(chǎn)生的三次氧化鐵皮，其成分以Fe3O4為主，與基體結(jié)合緊密，在后續(xù)的機(jī)械除鱗變形中，難以脫落。

圖6 褐色氧化鐵皮殘留產(chǎn)生機(jī)理示意圖

2.3 控制方案

基于以上所述三次氧化鐵皮的產(chǎn)生機(jī)理，提出了相應(yīng)的控制方案：通過縮短冷卻過程中中溫段時間，使得簾線鋼迅速通過中溫段(400-570 ℃左右)。在更高的溫度下，簾線鋼尚未發(fā)生“起泡”；在更低的溫度下，由于氧化動力學(xué)中溫度的影響，三次氧化鐵皮的厚度大大降低。最終生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)過機(jī)械除鱗后，盤條表面十分干凈，基本無殘留。

3 結(jié)束語

(1)通過掃描電鏡、激光共聚焦、XPS和EDS等檢測手段，確定了機(jī)械除鱗和酸洗之后所殘留褐色氧化鐵皮的組成成分是Fe3O4。

(2)殘留褐色氧化鐵皮是原有二次氧化皮在中溫段(400-550 ℃左右)脫落后，所形成新的致密的Fe3O4三次氧化鐵皮。

(3)通過減少冷卻過程中中溫段時間，使得簾線鋼迅速通過中溫段，可以使三次氧化鐵皮的厚度大大降低，最終盤條在機(jī)械除鱗后無明顯殘留。