Fe-2.2%Si鋼在不同氣氛下的高溫氧化行為
曹光明1，單文超1，劉小江2，王晨陽(yáng)1
(1. 東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819；2. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110870)
摘要：為了探究硅元素、加熱工藝參數(shù)(氣氛、溫度以及時(shí)間)對(duì)Fe-2.2%Si鋼表面氧化鐵皮形成過(guò)程的復(fù)合作用及影響機(jī)理，利用熱重分析儀(TGA)研究了Fe-2.2%Si鋼在600~1 150 ℃干燥空氣和水蒸氣條件下的高溫氧化行為，利用試驗(yàn)得到的氧化增重?cái)?shù)據(jù)計(jì)算出了氧化速率常數(shù)和氧化激活能，并建立了氧化動(dòng)力學(xué)模型。此外，還明確了在2種氣氛下氧化鐵皮的生長(zhǎng)機(jī)制與結(jié)瘤機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，在2種不同氧化氣氛下得到的氧化增重曲線(xiàn)均符合拋物線(xiàn)規(guī)律。當(dāng)氧化氣氛中含有水蒸氣時(shí)，試驗(yàn)鋼的氧化速率提高，氧化激活能降低，導(dǎo)致了試驗(yàn)鋼的氧化增重增加。在2種氧化氣氛下，試驗(yàn)鋼的氧化產(chǎn)物均由氧化鐵皮和氧化鐵皮與基體界面處的富硅層組成，但在水蒸氣下得到的試驗(yàn)鋼的富硅層疏松多孔，且氧化鐵皮中出現(xiàn)大量的孔洞以及裂紋。其氧化機(jī)制主要是氧化鐵皮生長(zhǎng)過(guò)程的生長(zhǎng)應(yīng)力以及水蒸氣的存在導(dǎo)致生成的H2向外擴(kuò)散，造成氧化鐵皮出現(xiàn)大量孔洞和裂紋，為氧化介質(zhì)的擴(kuò)散提供了通道，有利于氣相物質(zhì)擴(kuò)散，進(jìn)而促進(jìn)了試驗(yàn)鋼的氧化行為。此外，由于在氧化鐵皮與基體界面形成的富硅層消耗了基體中的硅元素，導(dǎo)致基體表層出現(xiàn)貧硅區(qū)，氧化介質(zhì)可以通過(guò)氧化鐵皮內(nèi)部的孔洞和裂紋與基體直接接觸，使得該區(qū)域基體的氧化速率迅速提高，氧化鐵皮厚度迅速增加，從而逐漸形成結(jié)瘤形態(tài)。
關(guān)鍵詞：硅鋼；氧化鐵皮；氧化動(dòng)力學(xué)；水蒸氣；結(jié)瘤
1 引言
硅鋼是電力、國(guó)防以及軍事等領(lǐng)域不可或缺的重要金屬材料，其硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，一般為0.5%~6.5%。由于硅鋼的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常常處于高溫有氧的環(huán)境下，因此會(huì)在鋼材的表面形成大量的氧化鐵皮，這不僅會(huì)造成材料燒損，同時(shí)嚴(yán)重的高溫腐蝕還會(huì)破壞鋼板表面的平直度，極大地影響了最終產(chǎn)品的表面質(zhì)量。
隨著中國(guó)鋼鐵工業(yè)不斷由大轉(zhuǎn)強(qiáng)，下游客戶(hù)對(duì)鋼材的表面質(zhì)量也有了更高的要求。由于硅鋼中的Si與O的親合力要強(qiáng)于Fe與O，在熱軋過(guò)程中鋼材的表面會(huì)優(yōu)先生成SiO2和Fe2SiO4，這將極大影響硅鋼的表面質(zhì)量和使役性能。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛的研究。Suarez L等研究了硅鋼的高溫氧化行為，發(fā)現(xiàn)硅鋼在熱軋過(guò)程中，由于形成熔融的共晶鐵橄欖石相直接導(dǎo)致紅色氧化鐵皮缺陷。另外，三次氧化鐵皮的性質(zhì)影響最終產(chǎn)品的表面質(zhì)量和后續(xù)加工，而且硅元素的加入對(duì)氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)有很大影響，尤其是硅元素其特殊的氧化性質(zhì)會(huì)影響氧化鐵皮與基體的界面區(qū)域進(jìn)而影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量。Adachi T等研究了Fe-5%Si和Fe-20%Si合金，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧化溫度為900~1 100 ℃時(shí)，合金在空氣條件下的氧化增重曲線(xiàn)符合拋物線(xiàn)規(guī)律，并且在相同的氧化條件下，F(xiàn)e-Si合金的氧化增重要明顯小于普碳鋼的氧化增重，其主要是由于Fe2+在Si氧化物中的擴(kuò)散系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鐵氧化物，因此阻礙了Fe2+向外擴(kuò)散，抑制了氧化物的生長(zhǎng)，使Fe-Si合金的氧化增重降低。目前，對(duì)硅鋼在水蒸氣氣氛下氧化行為的研究并不多，孫彬等研究了Fe-0.2%Si和Fe-2%Si鋼在空氣和水蒸氣混合氣體中的氧化動(dòng)力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)鋼的氧化初期，氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)形式為線(xiàn)性規(guī)律。當(dāng)生成的氧化鐵皮厚度達(dá)到一定程度時(shí)，氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)形式就會(huì)變?yōu)閽佄锞€(xiàn)規(guī)律。Fukumoto M等研究了Fe-1.5Si鋼在800 ℃和1 000 ℃時(shí)不同氧含量混合氣體中的氧化行為，研究結(jié)果表明，相比于干燥空氣來(lái)說(shuō)，當(dāng)混合氣體中含有水蒸氣時(shí)，合金的氧化速率就會(huì)提高，并且對(duì)于試驗(yàn)初期氧化產(chǎn)物的孕育期來(lái)說(shuō)，氣氛中水蒸氣含量越高，孕育期越短，氧化進(jìn)程越快。綜上所述，目前大部分研究主要集中在空氣條件下的硅鋼高溫氧化方面，但是由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大量除鱗水和冷卻水的使用，造成整個(gè)熱軋生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的空氣濕度很大，高濕度的氧化性氣氛會(huì)改變硅鋼表面氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)和厚度，從而會(huì)對(duì)后續(xù)產(chǎn)品的表面質(zhì)量造成影響。
因此，本文利用熱重分析儀(TGA)以Fe-2.2%Si鋼為研究對(duì)象，研究了溫度為600~1 150 ℃，在干燥空氣和水蒸氣條件下的高溫氧化行為，并借助場(chǎng)發(fā)射電子探針(EPMA)和X射線(xiàn)衍射儀(XRD)等設(shè)備分析試驗(yàn)得到的氧化鐵皮物相組成、顯微結(jié)構(gòu)以及元素分布，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立氧化動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)明確試驗(yàn)鋼在2種不同氧化氣氛下的氧化鐵皮的生長(zhǎng)機(jī)制，為硅鋼的實(shí)際生產(chǎn)提供理論支持。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)通過(guò)研究試驗(yàn)鋼在600~1 150 ℃時(shí)干燥空氣和水蒸氣條件下的高溫氧化動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，得到在不同溫度和不同氣氛下的氧化速率常數(shù)kw，同時(shí)還計(jì)算出了試驗(yàn)鋼種的氧化激活能。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化氣氛為水蒸氣時(shí)，能夠促進(jìn)試驗(yàn)鋼的氧化，提高氧化增重速率，降低氧化激活能，且隨著氧化溫度升高，促進(jìn)氧化的效果更加明顯。
(2)水蒸氣具有促進(jìn)氧化的作用。水蒸氣條件下的氧化以H2O分子向內(nèi)擴(kuò)散為主導(dǎo)，由于生成的H2向外擴(kuò)散，造成氧化鐵皮出現(xiàn)大量孔洞和裂紋，為H2和H2O的擴(kuò)散提供了擴(kuò)散通道，有利于氣相物質(zhì)擴(kuò)散，進(jìn)而促進(jìn)試驗(yàn)鋼的氧化行為。
(3)水蒸氣能進(jìn)一步惡化氧化鐵皮結(jié)瘤現(xiàn)象的發(fā)生。由于在氧化鐵皮生長(zhǎng)過(guò)程的生長(zhǎng)應(yīng)力以及水蒸氣的存在導(dǎo)致氧化鐵皮中產(chǎn)生裂紋，外界的氧化性氣氛通過(guò)裂紋直接與基體接觸，使得富硅層失去了保護(hù)基體的作用。并且由于富硅層的形成消耗了合金基體大量的硅元素，造成在基體表層形成了貧硅區(qū)，使得該區(qū)域的氧化鐵皮厚度迅速增加，從而逐漸形成氧化結(jié)瘤形態(tài)。
