Fe-0.6Si钢氧化铁皮在升温过程的组织转变

孙 彬, 张连永, 刘晓凤, 于 茜, 曹国珍

(沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

Fe-0.6Si钢氧化铁皮在升温过程的组织转变

孙 彬, 张连永, 刘晓凤, 于 茜, 曹国珍

(沈阳大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

将已有氧化铁皮的试样重新升温到目标温度,观察在升温后氧化铁皮的组织转变.实验结果表明:氧化铁皮经升温后共析组织减少,甚至消失.取而代之的是形成了大量的氧化亚铁.说明在升温的过程中发生了共析反应的逆转变.目标温度越高,生成的氧化亚铁越多,说明温度升高有利于离子扩散.共析组织逆转变时,铁离子进入到四氧化三铁晶格中.消耗掉铁离子和四氧化三铁,形成氧化亚铁晶核.晶核持续长大,形成氧化亚铁.先共析四氧化三铁属于贫铁区,因此在逆转变的速率较慢,因此在氧化铁皮层中仍有部分先共析的四氧化三铁残留.

氧化铁皮; 共析组织; 逆转变; 先共析四氧化三铁

在热轧过程中,由于在高温条件下,钢板表面会形成一层氧化铁皮[1-2].氧化铁皮组织在降温过程中会发生先共析和共析转变[3-6],这方面已有大量的研究.一般情况下,热轧钢板在冷轧、退火前,先经过酸洗,将钢板表面的氧化铁皮酸洗掉[7].酸洗过程产生的废酸废液严重污染环境,因此何永全[8]等研究了带有热轧氧化铁皮的钢板直接冷轧、退火.剪掉酸洗工序后,这样节省了钢材成本,还减小了废酸废液的排放.带有氧化铁皮的钢板经冷轧、退火后还要进行镀锌.对于钢板表面的氧化铁皮经退火后组织结构会发生怎样的转变,目前还不清楚.因此本文以带有氧化铁皮的钢板为研究对象,通过模拟退火的升温过程,考查氧化铁皮在升温过程的组织转变,这一研究结果为生产实践提供了一定的理论基础.

1 实验方法

本实验采用的钢种化学成分如表1所示.本实验是将已有氧化铁皮的试验钢,在氩气保护下进行升温,同时观察氧化铁皮组织结构在升温过程中发生的转变行为.试验钢表面已有的氧化铁皮的生成工艺方案如图1所示,氧化铁皮的保温温度为400和450 ℃.在室温空气条件下,将炉内温度以10 ℃/min速率升温到1 050 ℃后加入试样并保温5 min,然后以10 ℃/min速率降温到各氧化温度,保温6 000 s后取出试样空冷到室温.目标温度分别为400、450、500和550 ℃.

表1 实验钢种的化学成分Table 1 Chemical compositions of the experimental steel

升温实验设备采用管式电阻炉.

用线切割将

图1氧化铁皮生成实验
Fig.1 Generate experiment of oxide scale

试样加工成27 mm×8 mm×7 mm.将试样放入瓷舟内,并将瓷舟放在管式炉炉膛中间.抽真空后往炉腔内充入氩气,使得炉腔内达到一标准大气压时停止充氩气.然后以10 ℃/min的升温速率升高到目标温度后端淬.目标温度设定为450、500、550和600 ℃.实验工艺方案如图2所示.采用线切割将端淬后的试样切成尺寸为12 mm×6 mm×7 mm,然后进行热镶嵌,经过800#～1 500#砂纸打磨后,进行机械抛光30 min.最后采用质量分数为1% 盐酸酒精[9]腐蚀试样5 s后吹干. 采用金相显微镜和扫描电镜观察氧化铁皮的微观形貌.

图2氧化铁皮升温转变实验
Fig.2 Temperature increasing experiment of oxide scale

2 结果与分析

2.1氧化铁皮升温前后的微观组织断面形貌

图3是在升温实验前,氧化温度为400 ℃时试验钢表面氧化铁皮的断面形貌.从图3a中可以看出氧化铁皮由最外层的四氧化三铁层和内层的氧化亚铁层组成.氧化亚铁层中含有大量的先共析四氧化三铁和共析组织.由于共析组织片层间距较小,所以在扫描电镜下放大10 000倍后的断面形貌如图3b所示.图3b中灰色标记出来的是由四氧化三铁和铁组成的共析组织.

将试样升温到450 ℃时,可看到氧化铁皮层中大片状的共析组织逐渐变小.说明已经发生了共析反应的逆转变,其化学方程式如下所示:

伴随着升温目标温度的升高,氧化铁皮中共析组织逐渐减少,生成的氧化亚铁逐渐增大.当目标温度为600 ℃时,如图4d所示,共析组织基本消失,只有大量先共析的四氧化三铁和生成的氧化亚铁.

图3 400 ℃时升温前氧化铁皮断面形貌Fig.3 Cross-sectional topography of oxide scale before temperature increasing at 400 ℃

图4 400 ℃的试样升温后氧化铁皮层转变断面形貌Fig.4 Cross-sectional topography of the oxide scale after temperature increasing at 400 ℃(a)—450 ℃; (b)—500 ℃; (c)—550 ℃; (d)—600 ℃.

图5 450 ℃时升温前氧化铁皮断面形貌

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

将氧化温度为450 ℃时的试样重新升温到目标温度后的氧化铁皮断面形貌如图6所示.从图6a中看出,内部氧化铁皮层仍然有少量的大片状的共析组织存在,氧化铁皮的形貌与升温前变化不大.当目标温度为500 ℃时,大片状的共析组织消失,取而代之的是小块的共析组织.当温度升高到550 ℃时,部分共析组织的形状继续减小,甚至有的已完全消失.原共析组织已部分转变成氧化亚铁.当目标温度升高到600 ℃时,氧化铁皮层中的共析组织完全消失.大量的氧化亚铁生成,在氧化亚铁层中,还可观察到少量的先共析四氧化三铁.

图6 450 ℃的试样升温后氧化铁皮层转变断面形貌Fig.6 Cross-sectional topography of the oxide scale after temperature increasing at 450 ℃ (a)—450 ℃; (b)—500 ℃; (c)—550 ℃; (d)—600 ℃.

2.2共析组织向氧化亚铁转变

在升温的过程中,由铁和四氧化三铁组成的共析产物中铁优先发生离子反应,其化学反应式为:Fe→Fe2++2e-,形成二价铁离子.形成的铁离子发生短程扩散,进入到四氧化三铁的晶格中,当结构起伏和能量起伏达到氧化亚铁的形核条件时,此时将发生如下转变:Fe3O4+Fe→Fe1-yO.氧化亚铁一旦在原共析产物中形核,将继续消耗共析产物中的铁离子导致形核不断长大,直到铁离子完全消耗完毕,氧化亚铁的形成过程发生完毕.一般这种情况下,在氧化亚铁层中仍然有四氧化三铁的存在.

2.3先共析组织向氧化亚铁转变

在整个氧化亚铁层中存在着两种四氧化三铁.一种是共析组织的组成物,还有一种是先共析的四氧化三铁.由于共析组织中的四氧化三铁与共析组织中的铁位置相近,在发生逆转变时只需要铁离子的短程扩散就可以完成向氧化亚铁的转变.而对于先共析四氧化三铁来说,如果它的位置是靠近基体侧的,那么基体会源源不断地提供给它铁离子,因此靠近基体侧的先共析的四氧化三铁的逆转变速度与共析组织中的四氧化三铁的逆转变速率相差无几.但离基体较远的先共析四氧化三铁,既得不到共析组织中的铁离子,也得不到基体提供的铁离子,因此此处的先共析四氧化三铁属于贫铁区,在贫铁区中的先共析的四氧化三铁发生逆转变的速率较慢,这也很好地解释了为什么氧化铁皮层中共析组织已完全转变成氧化亚铁后,部分氧化亚铁中还有少量先共析四氧化三铁残留的原因了.

3 结 论

(1) 钢板在热轧过程中会经过升温的过程,在这个过程中氧化铁皮结构中的共析组织会发生逆转变.根据对氧化铁皮断面形貌的观察可以发现共析组织中的铁和四氧化三铁发生反应生成氧化亚铁.

(2) 在模拟热轧过程中的升温实验,本升温实验中通过对试样的升温处理,在氧化铁皮断面形貌中可以发现先共析组织四氧化三铁和近基体处的铁离子发生反应转变成为氧化亚铁.

(3) 根据本实验目标温度450和500 ℃的断面形貌图的对比下,可以发现在升温实验过程中的目标温度越高,离子扩散速率越快,有利于共析组织和先共析组织逆转变的反应过程.

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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

【责任编辑:肖景魁】

2017-01-22

国家自然科学基金青年基金资助项目(51301111); 辽宁省自然科学基金资助项目(201602523).

孙 彬(1982-),女,辽宁锦州人,沈阳大学副教授,博士.

2095-5456(2017)04-0283-04