卷取溫度對熱軋?zhí)麓射摪蹇棍[爆性能的影響

曹 紅 徐 春 趙曼羚

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201418)

搪瓷制品因無毒性、美觀、穩(wěn)定性良好和容易清潔等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于家電、建筑、化工等行業(yè)[1]。但搪燒層的鱗爆是生產(chǎn)中常見和難以解決的問題。研究發(fā)現(xiàn)，搪瓷鋼板的抗鱗爆性能主要取決于鋼板中不可逆氫陷阱的多少[2- 5]。目前，通常認(rèn)為含Ti析出相與氫原子的結(jié)合能高，能有效阻止氫原子的擴散[6]，是一種不可逆氫陷阱。因此，增加鋼中含Ti析出相的數(shù)量是提高搪瓷鋼板抗鱗爆性能的有效措施。

有研究表明[7- 8]，鋼中絕大部分析出相是在熱軋過程中析出的，其數(shù)量和尺寸主要受熱軋工藝參數(shù)的影響。夏兆所等[9]研究發(fā)現(xiàn)，板坯加熱溫度越高，固溶的析出相越多，熱軋過程中析出相的數(shù)量越多、越細小。趙輝等[8]發(fā)現(xiàn)，熱軋壓下率越大，析出相析出越快。李曉林等[10]認(rèn)為，終軋溫度越低析出相數(shù)量越多。此外，Challa等[11]發(fā)現(xiàn)，析出相的分布和數(shù)量與鋼板的卷取溫度存在函數(shù)關(guān)系。李秋寒等[12]指出，卷取溫度越低，過冷度越大，則形核驅(qū)動力越大，析出相形核率增加，但同時因溫度較低合金元素擴散較慢，析出相難以聚集長大，尺寸較小。蔡寧[13]研究發(fā)現(xiàn)，鋼板等溫卷取后含Ti析出相的數(shù)量取決于卷取溫度，且遠多于粗軋和精軋后析出的數(shù)量。顯然，通過控制卷取溫度可有效控制第二相的析出，從而提高搪瓷用鋼的抗鱗爆性能。本文研究了卷取溫度對熱軋?zhí)麓射摪宓奈龀鱿喾N類、數(shù)量及其對抗鱗爆性能的影響，可為企業(yè)生產(chǎn)工藝參數(shù)的制定提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用鋼采用50 kg真空爐熔煉，化學(xué)成分如表1所示。鑄錠經(jīng)1 250 ℃保溫2 h后熱軋，終軋溫度為850 ℃，鋼板厚度為5 mm，軋后卷取，卷取溫度分別為550、600和640 ℃。

表1 試驗用鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the investigated plate (mass fraction) %

1.2 試驗方法

分別從不同溫度卷取的鋼板側(cè)面截取寬10 mm、高5 mm的試塊并制備金相試樣，用4%(體積分?jǐn)?shù)，下同)硝酸酒精溶液腐蝕，采用Axio- observer A1型光學(xué)顯微鏡觀察組織特征。

透射電鏡試樣采用電解雙噴和碳膜復(fù)型兩種方法制備，尺寸均為10 mm×10 mm，取自鋼板的表面。電解雙噴制樣過程為：先將試樣機械減薄至50 μm，然后用雙噴減薄儀進一步減薄制成薄膜試樣。碳膜復(fù)型制樣是將鑲嵌后的試樣打磨、拋光，然后在4%硝酸酒精溶液中腐蝕，再真空噴碳，用刀片將碳膜劃分成3 mm×3 mm的小格，將其置于8%硝酸酒精溶液中侵蝕一定時間后放入去離子水中，待碳膜脫落后取出。采用H- 800型透射電子顯微鏡進行微觀組織分析。

按歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10209∶2013進行鋼板的氫滲透試驗，獲得TH值并評價鋼板的抗鱗爆性能。將在不同溫度卷取的鋼板切成100 mm×70 mm試樣，EN 10209∶2013規(guī)定鋼板的最大測試厚度為3 mm，由于被測鋼板厚度為5 mm，因此將550、600和640 ℃卷取的鋼板試樣沿平行于軋制方向分別線切割成1.83、2.37和2.45 mm厚。用600目(23 μm)砂紙打磨試樣表面，然后用10%鹽酸溶液酸洗試樣1 min，清水沖洗30 s，再放入70～75 ℃的(30±5) g/l的硅酸鈉溶液中脫脂處理5 min，清水沖洗30 s，重復(fù)清洗脫脂2次后吹干。

2 試驗結(jié)果

2.1 微觀組織與析出相

圖1為在550、600和640 ℃卷取的試驗鋼板的顯微組織。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，熱軋鋼板卷取后的微觀組織均為鐵素體、珠光體和少量金黃色顆粒狀的含鈦析出相。隨著卷取溫度的升高，鐵素體晶粒尺寸和形狀發(fā)生變化，在550 ℃卷取的鋼板的鐵素體晶粒大多呈長條狀，少量為多邊形，采用截點法評定其晶粒度約為13級。而在600 ℃卷取的鋼板的鐵素體晶粒更接近等軸晶，晶粒度也為13級。640 ℃卷取的鋼板，鐵素體晶粒較粗大，約為11級，且大小極不均勻。此外，隨著卷取溫度的升高，珠光體數(shù)量增加、尺寸明顯增大。

圖1 在550 (a)、600 (b)和640 ℃(c)卷取的鋼板的顯微組織Fig.1 Microstructures of the steel plates coiled at 550 ℃ (a), 600 ℃ (b) and 640 ℃(c)

圖2為不同溫度卷取的試驗鋼板的透射電鏡組織。圖2(a)為550 ℃卷取的鋼板的顯微組織，除條狀組織外還有較多細小的亞晶胞結(jié)構(gòu)，說明熱軋板發(fā)生了回復(fù)。600 ℃卷取的鋼板，如圖2(b)所示，其組織主要由等軸晶粒構(gòu)成，晶粒內(nèi)位錯極少，說明鋼板發(fā)生了再結(jié)晶。如圖3(c)所示，640 ℃卷取的鋼板晶粒明顯長大，與600 ℃卷取的鋼板類似，晶內(nèi)位錯也很少。

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

圖3為不同溫度卷取的試驗鋼板中析出相的透射電鏡形貌及分布。圖3表明，卷取溫度影響析出相的尺寸和數(shù)量。600 ℃卷取的鋼板單位體積內(nèi)小顆粒析出相的數(shù)量最多，而550和640 ℃卷取的鋼板中小顆粒析出相的數(shù)量相近，大顆粒析出相的尺寸和數(shù)量變化不大。

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

圖4為550 ℃卷取的試驗鋼板中尺寸約1 μm方形顆粒狀析出相的明場、暗場像以及衍射斑點。圖5為尺寸大于6μm的類橢圓形析出相的明場、暗場像以及衍射斑點，衍射斑點標(biāo)定顯示其為Ti4C2S2析出相。

圖4 550 ℃卷取的鋼板中方形析出相的明場(a)、暗場(b)像及衍射斑點標(biāo)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 ℃

圖6和圖7分別為600 ℃卷取的試驗鋼板中尺寸約1.5和4 μm的矩形析出相的明場、暗場像以及衍射斑點。衍射斑點標(biāo)定表明，1.5 μm矩形顆粒為TiC相，4 μm顆粒則是Ti4C2S2相。

圖5 550 ℃卷取的鋼板中橢圓形析出相的明場(a)、暗場(b)像及衍射斑點標(biāo)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 ℃

圖6 600 ℃卷取的鋼板中1.5 μm矩形析出相的明場(a)、暗場(b)像及衍射斑點標(biāo)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 ℃

圖7 600 ℃卷取的鋼板中4 μm矩形析出相的明場(a)、暗場(b)像及衍射斑點標(biāo)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 ℃

圖8和圖9分別為640 ℃卷取的試驗鋼板中橢圓形和長條棒狀析出相的明場、暗場像及衍射斑點。橢圓形相長徑約1.5 μm，而長條棒狀相長約4 μm，衍射斑標(biāo)定表明，橢圓形小顆粒為TiC相，長條顆粒為Ti4C2S2相。

鋼板熱軋后水冷至卷取溫度，在這一過程中會產(chǎn)生一定的過冷度，溫度越低過冷度越大，因此550 ℃卷取的鋼板中小顆粒析出相最細小，640 ℃卷取的鋼板因溫度高，小顆粒析出相最粗大。550 ℃卷取的鋼板的顯微組織主要為變形鐵素體，其長大速度較快，界面移動快，以至于小顆粒析出相較少，Sha等[14]的研究也證實了這一點。因此，550 ℃卷取的鋼板中小顆粒析出相的數(shù)量比600 ℃卷取的鋼板少。與600 ℃卷取的鋼板相比，640 ℃卷取的鋼板過冷度較小，析出相的形核驅(qū)動力小，所以析出相較少。黃學(xué)啟等[15]在研究搪瓷用熱軋鋼板中析出物對其抗鱗爆性能的影響時也發(fā)現(xiàn)，600 ℃卷取的鋼板中析出相比650 ℃卷取的鋼板多。以上試驗結(jié)果表明，無論卷取溫度高低，析出相都是TiC和Ti4C2S2。

圖8 640 ℃卷取的鋼板中橢圓形析出相的明場(a)、暗場(b)像及衍射斑點標(biāo)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 ℃

圖9 640 ℃卷取的鋼板中棒狀析出相的明場(a)、暗場(b)像及衍射斑點標(biāo)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 ℃

為了定量分析不同溫度卷取的鋼板中的析出相，在相同倍數(shù)下選取5個有較多析出相的視野進行統(tǒng)計，然后采用普通定量金相分析法，根據(jù)析出相形貌圖片測量粒子的平均直徑d和單位面積的質(zhì)點數(shù)，按Fullman公式計算析出相粒子的體積分?jǐn)?shù)和單位體積內(nèi)析出相數(shù)量。表2為不同溫度卷取的試驗鋼板中析出相的定量分析結(jié)果。由表2可知，600 ℃卷取的鋼板中小顆粒和大顆粒析出相的數(shù)量最多。小顆粒析出相尺寸隨著卷取溫度的升高而增大，但600 ℃卷取的鋼板中大顆粒析出相最粗大。550和640 ℃卷取的鋼板的析出相數(shù)量相近。

表2 試驗鋼板中析出相的定量分析結(jié)果Table 2 Quantitative analysis results of precipitated phases in the investigated steel plates

2.2 氫滲透性能測試

按EN 10209:2013對在550、600和640 ℃卷取的鋼板進行氫滲透試驗，結(jié)果如圖10所示。利用切線法對圖10曲線進行分析得出TH值，如圖11所示。即在550、600 和640 ℃卷取的鋼板的氫滲透時間分別為21.83、25.83和12.35 min，而TH值分別為3.64、7.71和2.20。這些結(jié)果說明，熱軋工藝相同，600 ℃卷取的鋼板的TH值最大(大于6.7)，具有較好的抗搪瓷鱗爆性能，而550和640 ℃卷取的鋼板的TH值均小于6.7，抗搪瓷鱗爆性能較差。

圖10 滲透鋼板的氫氣體積隨時間的變化Fig.10 Volume of hydrogen penetrating into the steel plates as a function of time

圖11 卷取溫度對鋼板的氫滲透值TH的影響Fig.11 Effect of coiling temperatures on the hydrogen permeation value TH of the steel plates

3 討論

已有研究表明，卷取溫度影響熱軋鋼板的回復(fù)和再結(jié)晶行為[16]。由于550 ℃卷取時，鋼板中的合金元素和晶界因溫度低而動能較小，因此擴散和遷移速率較低，抑制了晶粒的長大，鋼板僅發(fā)生了回復(fù)，晶粒內(nèi)存在著大量位錯及亞晶胞結(jié)構(gòu)。但當(dāng)600 ℃以上溫度卷取時，已經(jīng)達到鋼的0.4T熔點，因此發(fā)生再結(jié)晶，鐵素體成為等軸晶。但當(dāng)卷取溫度進一步提高到640 ℃時，再結(jié)晶晶粒長大。晶粒大小和位錯數(shù)量也影響TH值，小晶粒由于晶界較多，使TH值增大；位錯較多也使TH值增大，晶界和位錯均是可逆氫陷阱[17]。

此外，一般鋼的卷取溫度越低，它的過冷度越大，而過冷度影響析出相的尺寸和數(shù)量[18- 19]。與600 ℃卷取的鋼板相比，550 ℃卷取的鋼板中小顆粒析出相較少。640 ℃卷取，因溫度較高鋼板過冷度較小，析出相的形核驅(qū)動力小，析出相也較少。

已有研究表明[20- 21]，搪瓷用鋼的抗鱗爆性能與鋼板單位體積內(nèi)析出相的數(shù)量有關(guān)，鋼板單位體積內(nèi)析出相的數(shù)量越多，氫滲透時間越長，鋼板的貯氫性能越好。為此，將表2中3種溫度卷取的鋼板的大、小析出相數(shù)量相加，也將鋼板單位體積內(nèi)大、小析出相數(shù)量相加，并對比所測得的TH值，得到如表3所示的數(shù)據(jù)。分別將鋼板單位體積內(nèi)析出相數(shù)量與TH值、鋼板總析出相數(shù)量與TH值之間的關(guān)系繪制如圖12和圖13所示的散點圖，可以發(fā)現(xiàn)，TH值與鋼板單位體積內(nèi)析出相的數(shù)量呈線性比例關(guān)系，TH值也與鋼板總的析出相數(shù)量有關(guān)，即隨鋼板總析出相數(shù)量增加而增加，但不是線性關(guān)系。這說明TH值受鋼板單位體積內(nèi)析出相數(shù)量的影響較大。由于600 ℃卷取的鋼板單位體積內(nèi)析出相數(shù)量和總析出相數(shù)量均最多，因此從提高鋼板抗鱗爆性能的角度看，600 ℃是最佳的卷取溫度。

表3 不同溫度卷取的鋼板中析出相的數(shù)量和TH值Table 3 Amount of precipitates and TH value for the steel plates coiled at different temperatures

4 結(jié)論

(1)卷取溫度對熱軋鋼板的晶粒尺寸和形貌有重要影響，550 ℃卷取的鋼板有大量變形鐵素體，600 ℃卷取的鋼板為均勻細小的等軸狀再結(jié)晶晶粒，640 ℃卷取的鋼板中等軸狀鐵素體晶粒長大。

圖12 氫滲透值TH與鋼板單位體積內(nèi)析出相數(shù)量之間的關(guān)系Fig.12 Relation of the hydrogen permeation value TH to the amount of precipitates per unit volume of the steel plate

圖13 氫滲透值TH與鋼板總析出相數(shù)量之間的關(guān)系Fig.13 Relation of the hydrogen permeation value TH to the total amount of precipitates in the steel plate

(2)不同溫度卷取的熱軋鋼板中都存在析出相TiC和Ti4C2S2，前者較細小，但數(shù)量較多，后者較粗大，但數(shù)量較少。卷取溫度影響小顆粒析出相的尺寸和數(shù)量，600 ℃卷取的鋼板單位體積內(nèi)析出相的數(shù)量最多，640 ℃卷取的鋼板最少。

(3)卷取溫度影響熱軋鋼板的氫滲透值TH，600 ℃卷取的鋼板的氫滲透值最大。

(4)氫滲透值TH與鋼板單位體積內(nèi)析出相數(shù)量呈線性比例關(guān)系，但不隨鋼板總析出相數(shù)量的增加而線性增加，即鋼板單位體積內(nèi)析出相數(shù)量對TH值的影響較大。