搪瓷厚板的抗鳞爆性能

杨 铭 徐 春 曹 红

(上海应用技术大学材料科学与工程学院，上海 201418)

搪瓷钢板具有强度高、光洁、耐用等优点，在生活及生产中均有广泛应用。然而，搪瓷制品的主要缺点是易发生鳞爆，而且鳞爆不仅发生在制品刚烧成后，也可能在一段时间后出现，毫无征兆甚至无规律可循[1- 3]。研究发现，钢板的抗鳞爆性能与不可逆氢陷阱密切有关，不可逆陷阱能永久储存氢，使氢不易再逸出。钢中常见的不可逆陷阱主要是第二相粒子。

Valentini等[4]研究发现，Ti(C,N)等析出相是常见的不可逆陷阱，影响氢在钢中的扩散。研究铸态、热轧、冷轧及退火状态的超低碳钢发现，TiN及Ti4C2S2为主要的不可逆陷阱，在铸态，热轧和冷轧试样中存在TiS相，在含钛析出相中有微量铌存在，这些析出相大大提高了钢板的抗鳞爆性能[5- 7]。

目前，国内外大量研究了不同成形状态的搪瓷钢板的微观组织对其抗鳞爆性能的影响。然而关于搪瓷用钢厚度的报道较少，鳞爆现象虽然发生在钢板表面的搪瓷层，但由于其延迟性和隐蔽性，对于厚板而言，表面以下1/4和1/2厚度处也应具有良好的抗鳞爆性能。因此，本文研究了厚板不同部位的微观组织及氢穿透时间，分析搪瓷钢板的抗鳞爆性能，为企业生产提供指导。

1 试验材料与方法

试验用钢板的厚度大于15 mm，将其编为1、2、3号，化学成分如表1所示。

用线切割按图1所示位置，即钢板表面、表面以下1/4和1/2厚度处切割尺寸为5 mm×5 mm的试样，将其镶嵌、打磨、抛光，并用体积分数为4%的硝酸酒精腐蚀，用光学显微镜观察与分析。将腐蚀后的试样进行喷碳，再用硝酸酒精腐蚀，捞取碳膜后用透射电镜观察析出相。

表1 试验用钢板的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of the investigated plates (mass fraction) %

图1 从钢板上取样的示意图Fig.1 Illustration of cutting samples from the plates

按上述位置加工尺寸为100 mm×70 mm的试片，其中1号钢板表面和表面以下1/4、1/2厚度处的试片厚度分别为1.86、1.81、1.83 mm，2号钢板试片的厚度依次为2.27、2.27、2.24 mm，3号钢板试片的厚度为2.27、2.26、2.27 mm，按欧洲标准(EN 10209:2013)对钢板进行抗鳞爆性检测[8]。首先将试片放在盐酸溶液中进行酸洗，再进行脱脂处理，烘干后固定在上、下两个玻璃容器中，密封后用注射器将蒸馏水注入下侧玻璃容器，上侧加入事先配制的析氢液(6%H2SO4,0.25 g/L的HgCl2和0.5 g/L的As2O3)。将铂电极放入上侧玻璃容器中，用导线将铂电极和试片分别连接到恒电流仪的负极与正极，析氢电流为1.57 A，待析氢液与试样反应5 min左右后接通试验记录仪，记下反应开始的时间。当检测到的压力信号达到最大值并稳定后，关闭试验仪器并记录试验结束时间。

根据试验获得的曲线，采用切线法得到渗氢时间，钢板抗鳞爆性敏感值TH按式(1)计算：

TH=tb/d2

(1)

式中：tb为渗氢时间，min(精确到0.1 min)；d为试样厚度，mm(精确到0.01 mm)。本文通过测量钢板中扩散出的氢气体积随时间变化而求得tb。大量试验研究表明[9- 10]：TH值大于6.7的钢板不发生鳞爆，因此欧洲标准规定搪瓷钢的TH>6.7。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

图2分别是1、2、3号试验用钢板表面和表面以下1/4、1/2厚度处的显微组织，主要为铁素体、少量珠光体及呈弥散分布的细小析出相，其中3号钢板的珠光体数量最多且最粗大。试验用钢板中的晶粒大小不均匀，不同部位的晶粒大小有一定差异，表面的晶粒最细小，其次是表面以下1/4厚度处，中部即1/2厚度处的晶粒最粗大。

2.2 抗鳞爆性能

图3(a)为1号试样在表面、表面以下1/4和1/2厚度处的氢渗透试验结果，利用切线法对含氢量随渗氢时间变化的曲线进行分析，在钢板表面、表面以下1/4和1/2厚度处的渗氢时间分别为1 398、1 352、861 s，TH值分别为6.73、6.88、4.28。根据欧洲标准，该试样除1/2厚度处渗氢时间较短、抗鳞爆性较差外，表面与表面以下1/4厚度处均大于6.7，且在表面以下1/4厚度处的TH值最大，渗氢时间最长，抗鳞爆性能最好。

图3(b)和图3(c)分别为2、3号钢板的含氢量随渗氢时间的变化，其中2号钢板表面和表面以下1/4、1/2厚度处的渗氢时间分别为1 061、995、810 s，对应的TH值依次为3.52、3.22、2.62。3号钢板在3个取样部位的渗氢时间分别为1 592、1 088、773 s，TH值为5.15、3.55、2.50。由此可见，厚板1/2厚度处的渗氢时间最短，随着从钢板表面至心部距离的增加，TH值逐渐减小，且两个钢板的TH值均小于欧洲标准的规定值，因此该钢板的抗鳞爆性能不合格。这是因为2号钢板的晶粒太粗大，而3号钢板含有珠光体。研究发现[11]，搪瓷用钢板必须具有为7～8级的晶粒度和尽量少的珠光体。

2.3 析出相

图2 1～3号试验用钢板表面(a、d、g)、表面以下1/4(b、e、h)和1/2(c、f、i)厚度处的显微组织Fig.2 Microstructures at surface (a,d,g), 1/4 (b,e,h) and 1/2 (c,f,i) thickness below surface of the investigated plates No.1 to No.3

图3 试验用1～3号钢板不同部位的氢含量随渗氢时间的变化Fig.3 Hydrogen contents in different parts of the investigated plates No.1 to No.3 as a function of hydrogenation times

为了揭示上述3种厚板表面以下1/2厚度处的渗氢时间最短的原因，对1号钢板进行了透射电镜分析。图4为1号钢板中的析出相形貌，由能谱分析可知，主要析出相为TiC、Ti4C2S2。表2为析出相的定量分析结果，通过电镜照片测出粒子的平均粒径d和单位面积上的质点数N0,根据Fullman公式，析出相的体积分数Vf=(π/6)×N0×d2,单位体积内的析出相粒子数Nv=N0/d。统计结果表明,1号钢板表面以下1/2厚度处的析出相数量及平均粒径均小于表面及表面以下1/4厚度处，表面与表面以下1/4厚度处的析出相数量与大小相差不大。研究表明，Ti原子对氢陷阱的影响很大，大量弥散分布的TiC、Ti4C2S2析出相能大大增加氢扩散激活能，且析出物与氢有较强的交互作用，可增加钢中不可逆氢陷阱的数量，从而提高钢的抗鳞爆性能。研究表明，TiC、Ti4C2S2析出相是不可逆氢陷阱[12]，因此析出相数量越多越有利于提高抗鳞爆性能。

图4 1号钢板表面(a)、表面以下1/4(b)和1/2(c)厚度处的析出相Fig.4 Precipitated phases at surface (a), 1/4 (b) and 1/2 (c) thickness below surface of the investigated plate No.1

表2 1号钢板中析出相的定量分析结果Table 2 Quantity analysis of precipitated phases in the investigated plate No.1

3 结论

(1)搪瓷用厚钢板不同厚度处的抗鳞爆性能不同，氢渗透试验表明，3种厚板中均为表面以下1/2厚度处的抗鳞爆性敏感值(TH值)最低。

(2)搪瓷用厚钢板的晶粒尺寸也随着厚度的不同存在差异，3种试验用厚钢板均为随着板厚增加晶粒逐渐增大。

(3)对1号钢板进行碳膜覆型，在透射电镜下分析，结果显示其析出相主要为TiC、Ti4C2S2，但表面以下1/2厚度处的析出相数量与平均粒径最小，这是搪瓷用厚钢板表面以下1/2厚度处的TH值最低的原因。