卷曲温度对热轧510L带钢氧化铁皮腐蚀行为的影响

高立军 杨建炜 曹建平 于东云 刘立伟 王胜荣

(首钢集团总公司技术研究院，北京 100043)

卷曲温度对热轧510L带钢氧化铁皮腐蚀行为的影响

高立军 杨建炜 曹建平 于东云 刘立伟 王胜荣

(首钢集团总公司技术研究院，北京 100043)

通过热模拟、暴露试验、扫描电镜和电化学阻抗测试等方法和设备研究了卷曲温度对热轧510L带钢表面氧化铁皮耐腐蚀性能的影响。结果表明，在适当高于600 ℃的温度卷曲可以改善热轧510L带钢表面氧化铁皮的结构，提高氧化铁皮的致密性，有效阻碍腐蚀性介质的渗透，增强氧化铁皮对基体金属的保护作用，从而提高热轧510L带钢在储运期间的耐大气腐蚀性能。

热轧510L带钢 卷曲温度 氧化铁皮 腐蚀

热轧510L带钢产品主要用于制造汽车大梁及其他结构件，其成品表面会覆盖一层氧化铁皮，对基体有一定的保护作用[1]。510L带钢在用户使用之前通常需要运输和存储，氧化铁皮防护性能的优劣对储运期间钢板的腐蚀状况有着重要的影响，甚至会因钢板表面质量问题而影响用户的后续加工和使用，造成质量异议[2- 3]。

吝章国等[4]研究了卷曲温度对热轧510L带钢氧化皮结构的影响，不同卷曲温度下，FeO层发生不同程度的共析反应，最终形成不同结构的氧化铁皮。何永全等[5]研究了氧化铁皮对低碳钢大气腐蚀行为的影响，指出，氧化铁皮的完整性是保护带钢基体不被腐蚀的前提，如果氧化层被破坏，在破损处氧化铁皮将与钢基体接触发生电偶腐蚀，从而加速腐蚀反应的进行。因此，研究氧化铁皮结构及其在储运期间的耐腐蚀性能具有重要的意义[6]。

本文从控制氧化铁皮结构出发，采用热模拟法和室外大气腐蚀挂片试验研究了卷曲温度对大梁钢表面氧化铁皮孔隙率及其在储运期间的耐腐蚀性能的影响。

1 试验材料及方法

试验材料为热连轧510L大梁钢，化学成分(质量分数，%)为C 0.05～0.10，Si 0.02～0.05，Mn 1.0～1.5，P ≤0.02，S ≤0.002，Nb 0.01～0.05，Ti 0.01～0.03，余为Fe。

将510L大梁钢试样切割成尺寸为20 mm×10 mm和50 mm×100 mm的试样，其中20 mm×10 mm试样用于电化学试验，50 mm×100 mm试样用于室外大气腐蚀挂片试验。所有试样切割后均用砂纸打磨掉表面的氧化铁皮。

热模拟试验在Gleeble- 2000热模拟试验机上进行，试样在真空炉中加热至1 000 ℃，模拟始轧温度，保温30 s后充入空气，降温至900 ℃，模拟终轧温度。然后将试样快冷至不同的卷曲温度(640、600、560 ℃)，保温10 min。最后将试样快冷至室温。整个试验的温度控制如图1所示。

图1 热模拟热轧510L带钢卷曲温度的方案图Fig.1 Scheme of thermal simulating the coiling temperature for the hot rolled 510L strip

采用JSM- 7001F型环境扫描电镜观察氧化铁皮的微观形貌。在PARSTAT2273电化学工作站采用三电极体系进行锈层电化学阻抗测试，测试溶液含3.5%NaCl，辅助电极为Pt片，参比电极为Ag/AgCl电极，试样为工作电极，交流阻抗的扫描频率为100 kHz～10 MHz，室温下进行。

室外大气挂片试验在北京地区进行，时间为60天。分别在试验进行15、30、45和60天时取样，对挂片试验前和试验结束后的试样进行称重，每个卷曲温度每次测量3个平行试样，计算腐蚀增重，取平均值。

2 试验结果与讨论

2.1 不同温度卷曲的带钢的氧化铁皮结构

热模拟不同温度卷曲的带钢的氧化铁皮如图2所示。可以看到，在不同温度卷曲后，带钢氧化铁皮的结构均由外层的Fe3O4和内层的FeO构成。卷曲温度为640 ℃时，氧化铁皮厚度约为11 μm，整个氧化铁皮层致密无裂纹，FeO共析层体积约占整个锈层体积的2/3。卷曲温度为600 ℃时，氧化铁皮较薄，厚度约为8 μm，整个氧化铁皮层内出现较多裂纹，FeO共析层体积约占锈层体积的1/2。卷曲温度为560 ℃时，氧化铁皮厚度约为11 μm，整个氧化铁皮层内也出现较多的裂纹，FeO共析层体积约占锈层体积的1/2。随着卷曲温度从600 ℃左右升高，热轧510L带钢表面氧化铁皮中FeO共析层体积增大，裂纹减少。

图2 (a)640 ℃、(b)600 ℃和(c)560 ℃卷曲的热轧510L带钢氧化铁皮的断面形貌Fig.2 Cross- section patterns of iron scale on the hot rolled 510L strip coiled at temperature of (a) 640 ℃,(b) 600 ℃ and (c) 560 ℃

2.2 不同温度卷曲的带钢的氧化铁皮孔隙率

相关研究表明，热轧带钢表面氧化铁皮主要起物理屏蔽作用。由于轧制过程导致氧化铁皮本身存在大量裂纹、孔洞等缺陷，热轧钢板的电化学腐蚀是腐蚀性介质通过这些缺陷与金属基体反应而形成的[7]。如果表面氧化铁皮完整无缺陷，可近似认为其表面为完全绝缘状态，孔隙率为0，因此可以用去除氧化铁皮试样的电化学交流阻抗谱拟合得到的极化电阻值与带氧化铁皮试样的极化电阻值的比值来表示钢板表面氧化铁皮的孔隙率。

将热模拟得到的不同温度卷曲的带氧化铁皮试样分别用砂纸打磨，完全去除氧化铁皮后与带氧化铁皮试样一起进行电化学交流阻抗测试，结果如图3所示。从图中可以看出，所有试样在3.5%NaCl溶液中阻抗谱的Nyquist图上都呈现为相似的下偏的容抗弧。利用图4所示的等效电路对阻抗谱进行拟合，其中RS为溶液电阻，Rt为电荷转移电阻，Cdl为双电层电容。拟合结果及计算得到的孔隙率如表1所示。可以看到，卷曲温度为640 ℃时，计算得到的孔隙率为51.3%，卷曲温度为600 ℃时，孔隙率为67.3%，卷曲温度为560 ℃时，孔隙率为64.4%。

2.3 不同温度卷曲的510L带钢氧化铁皮的耐腐蚀性能

图3 不同温度卷曲的带氧化铁皮和无氧化铁皮 带钢试样的交流阻抗谱Fig.3 Nyquist plots of the 510L strip test pieces with and without oxide scale coiled at different temperatures

图4 热轧510L带钢在NaCl溶液中的等效电路Fig.4 Equivalent circuit for the hot rolled 510L strip in NaCl solution

表1 电化学阻抗谱拟合结果Table 1 Fitting results of electrochemical impedance spectrum

不同温度卷曲的热轧510L带钢的腐蚀增重随时间的变化如图5所示。可以看到，不同温度卷曲的带钢的腐蚀增重随时间的延长而递增。从增重量的相互对比看，三种温度卷曲的带钢在前30天的腐蚀增重相差不大，挂片30天后开始出现差异。其中卷曲温度为640 ℃的带钢腐蚀增重增加缓慢，在60天试验结束时的腐蚀增重为4.8 g/m2，是三种温度卷曲的带钢增重最小的。卷曲温度为600 ℃的带钢腐蚀增重增加较快，在60天时腐蚀增重达到最大值，为5.9 g/m2。卷曲温度为560 ℃的带钢腐蚀增重在30天到45天期间增加较快，在60天试验结束时达到5.5 g/m2。

图5 不同温度卷曲的510L带钢的腐蚀增重Fig.5 Corrosion- induced mass gain of the 510L strip coiled at different temperatures

2.4 讨论

热轧带钢表面氧化铁皮结构的完整是对钢基体起保护作用的前提，这种保护主要体现在对外界腐蚀性介质的阻碍作用。不同温度卷曲的热轧510L带钢表面的FeO层发生不同程度的共析反应，使表面氧化层中Fe3O4层和FeO层的体积比发生变化。如果氧化铁皮中FeO层共析反应充分，则可减缓带钢的大气腐蚀速度，更好地保护带钢不受侵蚀。

带钢表面氧化铁皮结构的不同主要体现在氧化铁皮孔隙率的差异。而氧化铁皮孔隙率的大小会影响储运过程中腐蚀性介质的渗透程度，孔隙率越大，腐蚀介质越容易向铁皮内部渗透。反之，孔隙率越小，氧化铁皮结构越致密，腐蚀介质越不容易渗透，发生电偶腐蚀的几率越小，耐腐蚀性能越好。

综上所述，热轧510L带钢在600～650 ℃范围内提高卷曲温度，可以减小氧化铁皮的孔隙率，提高氧化铁皮的致密性和完整性，阻碍外界腐蚀性介质的渗透，提高510L大梁钢的耐大气腐蚀性能。

3 结论

(1)在适当高于600 ℃的温度卷曲可以有效降低热轧510L带钢表面氧化铁皮的孔隙率，阻碍外界腐蚀性介质向铁皮内的基体渗透。

(2)在600～650 ℃范围内提高卷曲温度可以提高热轧510L带钢表面氧化铁皮的致密性和对基体金属的保护性，改善带钢在储运期间的耐大气腐蚀性能。

[1] CHEN R Y, YUEN W Y D. Review of the high temperature oxidation of iron and carbon steels in air and oxygen [J]. Oxidation of Metals, 2003, 59(4):433- 468.

[2] 刘振宇, 于洋, 郭晓波, 等. 板带热连轧中氧化铁皮的控制技术[J]. 轧钢, 2009, 26(1):5- 9.

[3] 杨奕, 刘振宇, 谭文, 等. 终轧温度和卷曲后冷却方式对汽车大梁用钢氧化铁皮特征的影响[J]. 钢铁研究学报, 2013, 25(5):45- 48.

[4] 吝章国, 贾耿伟, 李守华, 等. 卷曲温度对510L钢氧化皮结构的影响[J]. 材料热处理技术, 2011, 40(24):78- 81.

[5] 何永全, 孙彬, 刘振宇, 等. 氧化铁皮对低碳钢大气腐蚀行为的影响[J]. 东北大学学报,2013, 34(10):1417- 1419.

[6] 符明含. 热轧带钢氧化皮结构及耐腐蚀性研究[D]. 南昌：南昌航空大学, 2000.

[7] 何爱花, 孟洁, 王佳, 等. 表面氧化膜对B510L热轧钢板腐蚀行为的影响[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2008, 28(4): 198- 200.

收修改稿日期：2016- 12- 01

EffectofCoilingTemperatureonCorrosionBehaviorofHotRolled510LStrip

Gao Lijun Yang Jianwei Cao Jianping Yu Dongyun Liu Liwei Wang Shengrong

(Shougang Research Institute of Technology, Shougang Group Corporation, Beijing 100043, China)

Effect of coiling temperature on the corrosion resistance of hot rolled 510L strip was investigated by thermal simulation, exposure test, SEM and electrochemical impedance measurements. The results indicated that coiling at a temperature appropriately exceeding 600 ℃ can improve the structure of oxide scale on the hot rolled 510L strip, and enhance the density of oxide scale, which can effectively prevent corrosive substances from penetrating into the substrate and strengthen the protection of oxide scale for base metal, thus improving the corrosion resistance of hot rolled 510L strip during the storage and transportation.

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高立军，男，工程师，硕士，研究方向为材料的腐蚀与防护，Email：gaolijun@shougang.com.cn