退火溫度和保溫時(shí)間對高強(qiáng)IF鋼氧化層的影響

魏文龍,陳斌鍇

(北京鋼研新冶工程設(shè)計(jì)有限公司，北京 100081)

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退火溫度和保溫時(shí)間對高強(qiáng)IF鋼氧化層的影響

魏文龍,陳斌鍇

(北京鋼研新冶工程設(shè)計(jì)有限公司，北京 100081)

通過掃描電鏡(SEM)和輝光放電光發(fā)射光譜儀(GDOES)研究了退火溫度和保溫時(shí)間對高強(qiáng)IF鋼氧化層的影響。結(jié)果表明：退火后，高強(qiáng)IF鋼氧化層表面以錳和硼的氧化物為主，磷的氧化物也富集在氧化層表面，鋁的氧化物主要在氧化層內(nèi)部；隨著退火溫度的升高和保溫時(shí)間的延長，氧化層表面上錳的氧化物增加，硼的氧化物減少，磷在表面的富集程度加大，鋁的氧化物在鋼基體內(nèi)部和氧化層中均有生成。

高強(qiáng)IF鋼；退火溫度；保溫時(shí)間；氧化層

鋼板在還原保護(hù)氣氛中退火時(shí)，只有與氧親和力較強(qiáng)的元素發(fā)生氧化，而鐵不發(fā)生氧化，這種氧化現(xiàn)象稱之為選擇性氧化。高強(qiáng)IF鋼中添加了錳、磷、硅等合金強(qiáng)化元素，這些元素很容易在鋼板表面形成氧化物，并在隨后的鍍鋅過程中影響鋼板的浸潤性[1-6]。

采用不同的退火工藝進(jìn)行選擇性氧化控制，使合金元素的氧化形式從外氧化轉(zhuǎn)變成內(nèi)氧化,可以改善鋼板的浸潤性[7-12]。本工作通過分析高強(qiáng)IF鋼氧化層的形貌及元素深度分布特點(diǎn)來研究退火溫度和保溫時(shí)間對其氧化層的影響，為生產(chǎn)高強(qiáng)IF鋼鍍鋅板提供理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)

試驗(yàn)用高強(qiáng)IF鋼的化學(xué)成分見表1。將高強(qiáng)IF鋼在H2、N2混合保護(hù)氣(其中H2體積分?jǐn)?shù)為10%)中進(jìn)行退火。在保溫時(shí)間為90 s的條件下，退火溫度分別取780，830，850 ℃；在退火溫度為850 ℃條件下，保溫時(shí)間分別取30，60，120 s。用掃描電鏡(SEM)和附帶的能譜儀(EDS)觀察試驗(yàn)鋼表面氧化層形貌和化學(xué)成分；用輝光放電發(fā)射光譜儀(GDOES)分析氧化層中元素分布。

表1　高強(qiáng)IF鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1　Chemical composition of high strength IF steel (mass)　%

2　結(jié)果與討論

2.1高強(qiáng)IF鋼氧化層形貌及成分

通過對退火后的高強(qiáng)IF鋼試樣進(jìn)行SEM觀察發(fā)現(xiàn)，在不同的退火溫度和保溫時(shí)間條件下退火，得到的試樣表面都分布著許多細(xì)小的氧化物顆粒，氧化物的形貌隨著退火溫度的升高和保溫時(shí)間的延長變化不大，氧化物形貌如圖1所示,氧化物EDS能譜分析結(jié)果如表2所示。

通過對氧化物顆粒進(jìn)行EDS分析發(fā)現(xiàn)，氧化物主要為錳、磷和硅的氧化物。其中以錳和磷的氧化物在試樣表面存在較多，硅的氧化物較少；而檢測到的鈮元素為鋼基體中的元素。

2.2高強(qiáng)IF鋼氧化層中的元素分布

SEM和EDS只能分析氧化物的形貌特征和粗略地得到退火試樣表面的氧化物類型，為了更好地了解氧化層中各元素分布情況，本工作通過GDOES分析了不同退火條件對合金元素在氧化層中深度分布的影響。試驗(yàn)采用的濺射速度為20 nm/s，濺射時(shí)間與深度成正比，并以鐵元素和氧元素的交匯處的深度作為氧化層的厚度。

2.2.1 退火溫度的影響

由表3～5可知，在保溫時(shí)間90 s,退火溫度780、830、850 ℃條件下，試驗(yàn)鋼表面氧化層的厚度變化不大，在20 nm左右。

由表3可知，當(dāng)退火溫度為780 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼板表面主要為錳和硼元素，這說明錳和硼在試驗(yàn)鋼表面偏聚、富集；隨著深度增大，錳和硼含量先急劇降低，而后硼含量隨著深度的增大基本不變，錳含量在深度為40 nm處降到最低，然后又會隨著深度的增大而逐漸增加，并趨于溫度；鋁含量的峰值出現(xiàn)在氧化層與試驗(yàn)鋼基體界面位置，說明鋁的氧化物主要存在于氧化層與基界面位置；磷元素主要在表面偏聚，隨著深度的增大磷含量急劇降低，從界面往后，基本保持穩(wěn)定；硅元素在表面只存在極少量的富集，隨著深度的增大,硅元素含量緩慢降低，從界面層往后基本不變。

表3　780 ℃下退火90 s后高強(qiáng)IF鋼中各元素 GDOES分析結(jié)果(強(qiáng)度)Tab. 3　GDOES analysis results of elements in high strength IF steel after annealing at 780 ℃ for 90 s (intensity)

表4　830 ℃下退火90 s后高強(qiáng)IF鋼中各元素 GDOES分析結(jié)果(強(qiáng)度)Tab. 4　GDOES analysis results of elements in high strength IF steel after annealing at 830 ℃ for 90 s (intensity)

表5　850 ℃下退火90 s后高強(qiáng)IF鋼中各元素 GDOES分析結(jié)果(強(qiáng)度)Tab. 5　GDOES analysis results of elements in high strength IF steel after annealing at 850 ℃ for 90 s (intensity)

由表4可知，當(dāng)退火溫度為830 ℃時(shí)，氧化層表面仍以錳和硼的氧化物為主；磷仍在氧化層的表面發(fā)生偏聚，但其含量較780 ℃時(shí)有所下降；鋁含量的峰值出現(xiàn)的位置較780 ℃時(shí)稍有提前，從氧化層與基體界面處向氧化層表面移動(dòng)，逐漸形成外氧化的趨勢，即鋁的氧化物出現(xiàn)在氧化層表面；與780 ℃條件下退火相比，硅元素分布基本沒有變化。隨著深度的增加，錳、硼、磷、硅等元素的變化與780 ℃退火時(shí)基本一致。

由表5可知，當(dāng)退火溫度上升到850 ℃時(shí)，試驗(yàn)鋼表面形成的氧化物主要以錳的氧化物為主，而硼含量則明顯降低，且其峰值出現(xiàn)在氧化層與鋼基體界面處，說明硼的氧化有從外氧化向內(nèi)氧化的轉(zhuǎn)變趨勢；另外氧化層表面的磷含量明顯增加，說明磷在850 ℃退火時(shí)有向表面偏聚加大的趨勢；鋁含量出現(xiàn)兩個(gè)峰值，其中一個(gè)形成于氧化層中，而另一個(gè)形成于界面層以下的鋼基體中，這說明在氧化層和鋼基體中都存在鋁的氧化物，而試驗(yàn)鋼基體中出現(xiàn)鋁含量峰值，說明鋁的氧化物已經(jīng)發(fā)生了內(nèi)氧化；硅仍以很少量氧化物的形式存在于氧化層中。隨著深度的增大，錳、硼、磷、硅等元素的變化與780 ℃退火時(shí)基本一致。

分析可知，退火溫度的變化對磷、硅元素的影響不大。磷在上述三種退火溫度下，都明顯富集于表面，而在氧化層內(nèi)部很少；而硅基本上存在于氧化層內(nèi)部，表面含量很少，說明氧化層表面形成的硅的氧化物很少。退火溫度的變化對錳、硼和鋁的影響較大。隨著退火溫度的升高，錳含量先下降而后升高，硼含量則剛好相反，呈先升高而后降低的趨勢。這可能與錳和硼向表面擴(kuò)散的速率和在鋼中的含量有關(guān)。在較低的退火溫度下，錳可以實(shí)現(xiàn)表面富集，完成外氧化反應(yīng)；而硼擴(kuò)散到表面的速率較慢，而且硼在鋼中的含量也較少，因此在較低的退火溫度下，硼在氧化層表面的富集也較少，形成的硼氧化物較少。隨著退火溫度的升高，錳的外氧化進(jìn)行到一定程度而減緩，硼的擴(kuò)散速率則加快，因此表面硼含量隨之增加，硼氧化物在表面快速形成。退火溫度進(jìn)一步升高，錳的氧化物顆粒逐漸增大，有的甚至連接成膜，阻礙了硼與氧的擴(kuò)散過程，硼的氧化物減少。因此，高溫退火條件下，形成的主要是錳的氧化物。

2.2.2 保溫時(shí)間的影響

由表6可知，在850 ℃，30 s條件下退火后試驗(yàn)鋼板的氧化層較薄，厚度為10～15 nm。錳含量最高值出現(xiàn)在表面附近，說明錳元素在試驗(yàn)鋼表面發(fā)生富集；隨著深度的增加，錳含量急劇降低，而后又會緩慢升高直至穩(wěn)定不變，這說明錳在試驗(yàn)鋼表面富集形成氧化物導(dǎo)致了表面附近的錳急劇減少，而后隨著深度的增加，錳含量才接近于基體中的。只有很少量硼元素在表面富集，并且隨深度的增大硼含量緩慢下降。磷元素主要集中于氧化層表面，在氧化層和基體界面處磷含量降到最低，但在基體內(nèi)部也出現(xiàn)了一個(gè)富集區(qū)。鋁含量最高值出現(xiàn)在氧化層中，氧化反應(yīng)屬于外氧化，隨著深度的增大，鋁含量先逐漸下降，后又逐漸升高直至穩(wěn)定。硅元素仍只在氧化層表面極少量地富集，而后隨深度的增大而緩慢降低。

表6　850 ℃下退火30 s后高強(qiáng)IF鋼中各元素 GDOES分析結(jié)果(強(qiáng)度)Tab. 6　GDOES analysis results of elements in high strength IF steel after annealing at 850 ℃ for 30 s (intensity)

由表7可見，在850 ℃，60 s條件下退火后試驗(yàn)鋼板氧化層的厚度為10 nm。與保溫時(shí)間為30 s時(shí)相比，保溫時(shí)間為60 s時(shí)錳元素在氧化層表面富集程度加劇，這說明退火過程中,保溫時(shí)間的延長使表面錳的偏析量加大，形成更多錳的氧化物。隨著深度的增大，錳含量先逐漸減小，而后又逐漸升高至穩(wěn)定；而錳含量從最低值到達(dá)平衡值的深度范圍比保溫時(shí)間為30 s時(shí)的大，因?yàn)榇罅垮i在表面富集，導(dǎo)致氧化層和基體界面附近的錳消耗嚴(yán)重，只有在更深的位置錳含量才能達(dá)到正常值。硼含量最高值出現(xiàn)在氧化層與鋼基界面處，說明硼的氧化物從氧化層表面向更深的方向移動(dòng)。磷元素的偏聚依然發(fā)生于氧化層的表面，其氧化物主要在氧化層的外層。磷含量在鋼基體中沒有出現(xiàn)第二個(gè)峰值，說明鋼基體中沒有出現(xiàn)磷的偏聚。鋁在氧化層表面的富集程度明顯增加，其產(chǎn)生的氧化物主要在氧化層中，發(fā)生的是外氧化。硅元素在表面偏聚程度與30 s時(shí)相比有所增加，隨深度的增大，硅含量急劇減少直至平穩(wěn)。

表7　850 ℃下退火60 s后高強(qiáng)IF鋼中各元素 GDOES分析結(jié)果(強(qiáng)度)Tab. 7　GDOES analysis results of elements in high strength IF steel after annealing at 850 ℃ for 60 s (intensity)

由表8可知，在850 ℃，120 s條件下退火后，試驗(yàn)鋼板氧化層的厚度為5～10 nm。當(dāng)保溫時(shí)間延長至120 s時(shí)，錳和磷含量隨深度的變化規(guī)律與保溫時(shí)間60 s條件下的變化規(guī)律基本一致。鋁元素在氧化層表面仍發(fā)生明顯的偏聚，這說明鋁的氧化物主要在氧化層表面；但是，當(dāng)深度達(dá)氧化層和基體界面以下時(shí)，鋁又會出現(xiàn)一定的富集現(xiàn)象，這說明在基體中也形成了鋁的氧化物，即發(fā)生了一定的內(nèi)氧化。而硼含量最高值出現(xiàn)在氧化層與基體界面附近，并且富集程度較保溫時(shí)間30 s和60 s時(shí)的更明顯，而在界面以下硼含量降低更為緩慢,這說明隨著保溫時(shí)間的延長，硼的氧化物趨向于在更深的位置形成。硅元素在表面的偏聚強(qiáng)度和在氧化層中的下降趨勢均與保溫60 s時(shí)的相近，但在氧化層和基體界面以下的深度，硅含量在一定深度范圍內(nèi)基本保持不變，而后才緩慢下降。

表8　850 ℃下退火120 s后高強(qiáng)IF鋼中各元素 GDOES分析結(jié)果(強(qiáng)度)Tab. 8　GDOES analysis results of elements in high strength IF steel after annealing at 850 ℃ for 120 s (intensity)

由以上分析可知，退火保溫時(shí)間在30～120 s范圍內(nèi)，試驗(yàn)鋼表面形成的氧化物主要以錳的氧化物為主，且隨著保溫時(shí)間延長，在表面偏析的量有增大趨勢。硼元素在試驗(yàn)鋼表面偏聚的量會減少，其氧化物形成的深度隨保溫時(shí)間的延長而有所增加。另外，鋁在試驗(yàn)鋼表面的偏聚量在長時(shí)保溫條件下維持在較高的水平，并且隨著保溫時(shí)間的延長出現(xiàn)內(nèi)氧化現(xiàn)象。

3　結(jié)論

(1) 退火后，高強(qiáng)IF鋼氧化層表面以錳和硼的氧化物為主，磷氧化物也富集在氧化層表面，鋁的氧化物主要在氧化層內(nèi)部。

(2) 隨著退火溫度的升高和保溫時(shí)間的延長，氧化層表面錳的氧化物增加，硼的氧化物減少，磷在表面的富集程度加大，鋁的氧化物在鋼基內(nèi)部和氧化層中均有生成。

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Effects of Annealing Temperature and holding Time on Oxide Scale of High Strength IF Steel

WEI Wen-long, CHEN Bin-kai

(Beijing Gangyan Xinye Engineering Designing Co., Ltd., Beijing 100081, China)

Effects of annealing temperature and holding time on the oxide scale of high strength IF steel were studied by scanning electron microscopy (SEM) and glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES). The results show that the surface of oxide scale of high strength IF steel after annealing was mainly composed of Mn and B oxides. P oxides were enriched in the surface of oxide scale, Al oxides were mainly formed in the inside of oxides scale. With the increase of annealing temperature and holding time, Mn oxide increased but B oxide decreased in the surface of oxide scale, the enrichment of P increased, Al oxide generated in both the steel substrate and the oxide scale.

high strength IF steel; annealing temperature; holding time; oxide scale

10.11973/fsyfh-201608004

2015-05-08

北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(D07010300700702)

魏文龍(1981-),工程師,碩士,從事熱鍍鋅、連續(xù)退火工藝研究,13810695506,wwlbit@sohu.com

TG142.1

A

1005-748X(2016)08-0627-04