卷取温度对热轧搪瓷钢板抗鳞爆性能的影响

曹 红 徐 春 赵曼羚

(上海应用技术大学材料科学与工程学院，上海 201418)

搪瓷制品因无毒性、美观、稳定性良好和容易清洁等优点而被广泛应用于家电、建筑、化工等行业[1]。但搪烧层的鳞爆是生产中常见和难以解决的问题。研究发现，搪瓷钢板的抗鳞爆性能主要取决于钢板中不可逆氢陷阱的多少[2- 5]。目前，通常认为含Ti析出相与氢原子的结合能高，能有效阻止氢原子的扩散[6]，是一种不可逆氢陷阱。因此，增加钢中含Ti析出相的数量是提高搪瓷钢板抗鳞爆性能的有效措施。

有研究表明[7- 8]，钢中绝大部分析出相是在热轧过程中析出的，其数量和尺寸主要受热轧工艺参数的影响。夏兆所等[9]研究发现，板坯加热温度越高，固溶的析出相越多，热轧过程中析出相的数量越多、越细小。赵辉等[8]发现，热轧压下率越大，析出相析出越快。李晓林等[10]认为，终轧温度越低析出相数量越多。此外，Challa等[11]发现，析出相的分布和数量与钢板的卷取温度存在函数关系。李秋寒等[12]指出，卷取温度越低，过冷度越大，则形核驱动力越大，析出相形核率增加，但同时因温度较低合金元素扩散较慢，析出相难以聚集长大，尺寸较小。蔡宁[13]研究发现，钢板等温卷取后含Ti析出相的数量取决于卷取温度，且远多于粗轧和精轧后析出的数量。显然，通过控制卷取温度可有效控制第二相的析出，从而提高搪瓷用钢的抗鳞爆性能。本文研究了卷取温度对热轧搪瓷钢板的析出相种类、数量及其对抗鳞爆性能的影响，可为企业生产工艺参数的制定提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用钢采用50 kg真空炉熔炼，化学成分如表1所示。铸锭经1 250 ℃保温2 h后热轧，终轧温度为850 ℃，钢板厚度为5 mm，轧后卷取，卷取温度分别为550、600和640 ℃。

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

1.2 试验方法

分别从不同温度卷取的钢板侧面截取宽10 mm、高5 mm的试块并制备金相试样，用4%(体积分数，下同)硝酸酒精溶液腐蚀，采用Axio- observer A1型光学显微镜观察组织特征。

透射电镜试样采用电解双喷和碳膜复型两种方法制备，尺寸均为10 mm×10 mm，取自钢板的表面。电解双喷制样过程为：先将试样机械减薄至50 μm，然后用双喷减薄仪进一步减薄制成薄膜试样。碳膜复型制样是将镶嵌后的试样打磨、抛光，然后在4%硝酸酒精溶液中腐蚀，再真空喷碳，用刀片将碳膜划分成3 mm×3 mm的小格，将其置于8%硝酸酒精溶液中侵蚀一定时间后放入去离子水中，待碳膜脱落后取出。采用H- 800型透射电子显微镜进行微观组织分析。

按欧洲标准EN 10209∶2013进行钢板的氢渗透试验，获得TH值并评价钢板的抗鳞爆性能。将在不同温度卷取的钢板切成100 mm×70 mm试样，EN 10209∶2013规定钢板的最大测试厚度为3 mm，由于被测钢板厚度为5 mm，因此将550、600和640 ℃卷取的钢板试样沿平行于轧制方向分别线切割成1.83、2.37和2.45 mm厚。用600目(23 μm)砂纸打磨试样表面，然后用10%盐酸溶液酸洗试样1 min，清水冲洗30 s，再放入70～75 ℃的(30±5) g/l的硅酸钠溶液中脱脂处理5 min，清水冲洗30 s，重复清洗脱脂2次后吹干。

2 试验结果

2.1 微观组织与析出相

图1为在550、600和640 ℃卷取的试验钢板的显微组织。从图1可以发现，热轧钢板卷取后的微观组织均为铁素体、珠光体和少量金黄色颗粒状的含钛析出相。随着卷取温度的升高，铁素体晶粒尺寸和形状发生变化，在550 ℃卷取的钢板的铁素体晶粒大多呈长条状，少量为多边形，采用截点法评定其晶粒度约为13级。而在600 ℃卷取的钢板的铁素体晶粒更接近等轴晶，晶粒度也为13级。640 ℃卷取的钢板，铁素体晶粒较粗大，约为11级，且大小极不均匀。此外，随着卷取温度的升高，珠光体数量增加、尺寸明显增大。

图1 在550 (a)、600 (b)和640 ℃(c)卷取的钢板的显微组织Fig.1 Microstructures of the steel plates coiled at 550 ℃ (a), 600 ℃ (b) and 640 ℃(c)

图2为不同温度卷取的试验钢板的透射电镜组织。图2(a)为550 ℃卷取的钢板的显微组织，除条状组织外还有较多细小的亚晶胞结构，说明热轧板发生了回复。600 ℃卷取的钢板，如图2(b)所示，其组织主要由等轴晶粒构成，晶粒内位错极少，说明钢板发生了再结晶。如图3(c)所示，640 ℃卷取的钢板晶粒明显长大，与600 ℃卷取的钢板类似，晶内位错也很少。

图2 在550 (a)、600 (b)和640 ℃(c)卷取的钢板的TEM形貌Fig.2 TEM morphologies of the steel plates coiled at 550 ℃ (a), 600 ℃(b) and 640 ℃ (c)

图3为不同温度卷取的试验钢板中析出相的透射电镜形貌及分布。图3表明，卷取温度影响析出相的尺寸和数量。600 ℃卷取的钢板单位体积内小颗粒析出相的数量最多，而550和640 ℃卷取的钢板中小颗粒析出相的数量相近，大颗粒析出相的尺寸和数量变化不大。

图3 在550 (a)、600 (b)和640 ℃(c)卷取的钢板的析出相Fig.3 Precipitates in the steel plates coiled at 550 ℃ (a), 600 ℃ (b) and 640 ℃ (c)

图4为550 ℃卷取的试验钢板中尺寸约1 μm方形颗粒状析出相的明场、暗场像以及衍射斑点。图5为尺寸大于6μm的类椭圆形析出相的明场、暗场像以及衍射斑点，衍射斑点标定显示其为Ti4C2S2析出相。

图4 550 ℃卷取的钢板中方形析出相的明场(a)、暗场(b)像及衍射斑点标定(c)Fig.4 Bright (a) and dark (b) field images and diffraction spot calibration (c) of square precipitate in the steel plate coiled at 550 ℃

图6和图7分别为600 ℃卷取的试验钢板中尺寸约1.5和4 μm的矩形析出相的明场、暗场像以及衍射斑点。衍射斑点标定表明，1.5 μm矩形颗粒为TiC相，4 μm颗粒则是Ti4C2S2相。

图5 550 ℃卷取的钢板中椭圆形析出相的明场(a)、暗场(b)像及衍射斑点标定(c)Fig.5 Bright (a) and dark (b) field images and diffraction spot calibration (c) of elliptical precipitate in the steel plate coiled at 550 ℃

图6 600 ℃卷取的钢板中1.5 μm矩形析出相的明场(a)、暗场(b)像及衍射斑点标定Fig.6 Bright (a) and dark (b) field images and diffraction spot calibration (c) of rectangular precipitate measuring 1.5 μm in the steel plate coiled at 600 ℃

图7 600 ℃卷取的钢板中4 μm矩形析出相的明场(a)、暗场(b)像及衍射斑点标定Fig.7 Bright (a) and dark (b) field images and diffraction spot calibration (c) of rectangular precipitate measuring of 4 μm in the steel plate coiled at 600 ℃

图8和图9分别为640 ℃卷取的试验钢板中椭圆形和长条棒状析出相的明场、暗场像及衍射斑点。椭圆形相长径约1.5 μm，而长条棒状相长约4 μm，衍射斑标定表明，椭圆形小颗粒为TiC相，长条颗粒为Ti4C2S2相。

钢板热轧后水冷至卷取温度，在这一过程中会产生一定的过冷度，温度越低过冷度越大，因此550 ℃卷取的钢板中小颗粒析出相最细小，640 ℃卷取的钢板因温度高，小颗粒析出相最粗大。550 ℃卷取的钢板的显微组织主要为变形铁素体，其长大速度较快，界面移动快，以至于小颗粒析出相较少，Sha等[14]的研究也证实了这一点。因此，550 ℃卷取的钢板中小颗粒析出相的数量比600 ℃卷取的钢板少。与600 ℃卷取的钢板相比，640 ℃卷取的钢板过冷度较小，析出相的形核驱动力小，所以析出相较少。黄学启等[15]在研究搪瓷用热轧钢板中析出物对其抗鳞爆性能的影响时也发现，600 ℃卷取的钢板中析出相比650 ℃卷取的钢板多。以上试验结果表明，无论卷取温度高低，析出相都是TiC和Ti4C2S2。

图8 640 ℃卷取的钢板中椭圆形析出相的明场(a)、暗场(b)像及衍射斑点标定(c)Fig.8 Bright (a) and dark(b)field images and diffraction spot calibration (c) of elliptical precipitate in the steel plate coiled at 640 ℃

图9 640 ℃卷取的钢板中棒状析出相的明场(a)、暗场(b)像及衍射斑点标定(c)Fig.9 Bright (a) and dark (b) field images and diffraction spot calibration (c) of rod- shaped precipitate in the steel plate coiled at 640 ℃

为了定量分析不同温度卷取的钢板中的析出相，在相同倍数下选取5个有较多析出相的视野进行统计，然后采用普通定量金相分析法，根据析出相形貌图片测量粒子的平均直径d和单位面积的质点数，按Fullman公式计算析出相粒子的体积分数和单位体积内析出相数量。表2为不同温度卷取的试验钢板中析出相的定量分析结果。由表2可知，600 ℃卷取的钢板中小颗粒和大颗粒析出相的数量最多。小颗粒析出相尺寸随着卷取温度的升高而增大，但600 ℃卷取的钢板中大颗粒析出相最粗大。550和640 ℃卷取的钢板的析出相数量相近。

表2 试验钢板中析出相的定量分析结果Table 2 Quantitative analysis results of precipitated phases in the investigated steel plates

2.2 氢渗透性能测试

按EN 10209:2013对在550、600和640 ℃卷取的钢板进行氢渗透试验，结果如图10所示。利用切线法对图10曲线进行分析得出TH值，如图11所示。即在550、600 和640 ℃卷取的钢板的氢渗透时间分别为21.83、25.83和12.35 min，而TH值分别为3.64、7.71和2.20。这些结果说明，热轧工艺相同，600 ℃卷取的钢板的TH值最大(大于6.7)，具有较好的抗搪瓷鳞爆性能，而550和640 ℃卷取的钢板的TH值均小于6.7，抗搪瓷鳞爆性能较差。

图10 渗透钢板的氢气体积随时间的变化Fig.10 Volume of hydrogen penetrating into the steel plates as a function of time

图11 卷取温度对钢板的氢渗透值TH的影响Fig.11 Effect of coiling temperatures on the hydrogen permeation value TH of the steel plates

3 讨论

已有研究表明，卷取温度影响热轧钢板的回复和再结晶行为[16]。由于550 ℃卷取时，钢板中的合金元素和晶界因温度低而动能较小，因此扩散和迁移速率较低，抑制了晶粒的长大，钢板仅发生了回复，晶粒内存在着大量位错及亚晶胞结构。但当600 ℃以上温度卷取时，已经达到钢的0.4T熔点，因此发生再结晶，铁素体成为等轴晶。但当卷取温度进一步提高到640 ℃时，再结晶晶粒长大。晶粒大小和位错数量也影响TH值，小晶粒由于晶界较多，使TH值增大；位错较多也使TH值增大，晶界和位错均是可逆氢陷阱[17]。

此外，一般钢的卷取温度越低，它的过冷度越大，而过冷度影响析出相的尺寸和数量[18- 19]。与600 ℃卷取的钢板相比，550 ℃卷取的钢板中小颗粒析出相较少。640 ℃卷取，因温度较高钢板过冷度较小，析出相的形核驱动力小，析出相也较少。

已有研究表明[20- 21]，搪瓷用钢的抗鳞爆性能与钢板单位体积内析出相的数量有关，钢板单位体积内析出相的数量越多，氢渗透时间越长，钢板的贮氢性能越好。为此，将表2中3种温度卷取的钢板的大、小析出相数量相加，也将钢板单位体积内大、小析出相数量相加，并对比所测得的TH值，得到如表3所示的数据。分别将钢板单位体积内析出相数量与TH值、钢板总析出相数量与TH值之间的关系绘制如图12和图13所示的散点图，可以发现，TH值与钢板单位体积内析出相的数量呈线性比例关系，TH值也与钢板总的析出相数量有关，即随钢板总析出相数量增加而增加，但不是线性关系。这说明TH值受钢板单位体积内析出相数量的影响较大。由于600 ℃卷取的钢板单位体积内析出相数量和总析出相数量均最多，因此从提高钢板抗鳞爆性能的角度看，600 ℃是最佳的卷取温度。

表3 不同温度卷取的钢板中析出相的数量和TH值Table 3 Amount of precipitates and TH value for the steel plates coiled at different temperatures

4 结论

(1)卷取温度对热轧钢板的晶粒尺寸和形貌有重要影响，550 ℃卷取的钢板有大量变形铁素体，600 ℃卷取的钢板为均匀细小的等轴状再结晶晶粒，640 ℃卷取的钢板中等轴状铁素体晶粒长大。

图12 氢渗透值TH与钢板单位体积内析出相数量之间的关系Fig.12 Relation of the hydrogen permeation value TH to the amount of precipitates per unit volume of the steel plate

图13 氢渗透值TH与钢板总析出相数量之间的关系Fig.13 Relation of the hydrogen permeation value TH to the total amount of precipitates in the steel plate

(2)不同温度卷取的热轧钢板中都存在析出相TiC和Ti4C2S2，前者较细小，但数量较多，后者较粗大，但数量较少。卷取温度影响小颗粒析出相的尺寸和数量，600 ℃卷取的钢板单位体积内析出相的数量最多，640 ℃卷取的钢板最少。

(3)卷取温度影响热轧钢板的氢渗透值TH，600 ℃卷取的钢板的氢渗透值最大。

(4)氢渗透值TH与钢板单位体积内析出相数量呈线性比例关系，但不随钢板总析出相数量的增加而线性增加，即钢板单位体积内析出相数量对TH值的影响较大。