熱軋無縫鋼管表面狀態(tài)對后續(xù)氧化鐵皮形成的影響

孫徠博，李志群，趙 強

（天津鋼管集團股份有限公司，天津300301）

1 前言

目前，鋼管產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝愈加成熟，質(zhì)量越來越高，鋼管表面質(zhì)量是用戶要求不斷提高的重要指標之一。鋼管的氧化鐵皮對鋼管的抗腐蝕性能、可焊接性以及力學(xué)性能都有影響，因此對氧化鐵皮的研究也就越來越多，越來越深入。影響氧化鐵皮形成的因素有很多[1]，如材料的化學(xué)成分、加熱溫度、保溫時間、加熱時的環(huán)境等等[2-4]，針對這些因素的分析已經(jīng)較為全面，但是針對鋼管的表面狀態(tài)及對氧化鐵皮形成的影響的分析較少，因此本文針對鋼管表面質(zhì)量對氧化鐵皮形成的影響進行了一系列的對比和分析。

2 熱軋鋼管氧化鐵皮的成分及特點

氧化鐵皮的形成機理是：Fe→FeO→Fe3O4→Fe2O3，具體形貌見圖1。高溫下熱軋鋼管表面產(chǎn)生的氧化鐵皮是各種相的混合體，只是因環(huán)境不同，組成的比例略有差異。取一典型試樣進行成分分析，在3種顏色層上分別取4點進行掃描，SEM上得到的成分原子百分比見表1。從表1中可見，F(xiàn)e2O3、Fe3O4和FeO[5]三層的原子百分數(shù)與物質(zhì)組成的分子式有偏離，由于Fe2O3與氧接觸充分，有利于氧的擴散，因此處于富氧的狀態(tài)，氧化鐵皮的外層到內(nèi)層氧原子含量逐漸降低，鐵原子含量漸升高。

圖1 氧化鐵皮結(jié)構(gòu)

表1 氧化鐵皮的成分組成

熱軋管從管坯在環(huán)形爐中加熱到熱軋再到后續(xù)熱處理工藝過程中一直伴隨著氧化。根據(jù)熱軋管氧化鐵皮形成的不同階段可以將氧化鐵皮分為3種：環(huán)形爐加熱時形成的一次氧化鐵皮、熱軋及冷卻時形成的二次氧化鐵皮以及后續(xù)熱處理時形成的三次氧化鐵皮。

由于環(huán)形爐加熱溫度較高（1 250～1 300℃）且加熱時間長，因此在此階段形成的一次氧化鐵皮較厚，存在大量的氣孔及間隙，極脆易剝落，在除磷或者運輸?shù)倪^程中完全的掉落，因此在后續(xù)的分析中只針對二次氧化鐵皮和三次氧化鐵皮。

3 表面狀態(tài)對氧化鐵皮的影響

實驗選取的鋼種為27MnCr6，對軋態(tài)料進行取樣，將表面狀態(tài)分為兩部分進行分析，一部分為鋼管表面氧化鐵皮的初始狀態(tài)對后續(xù)氧化鐵皮狀態(tài)的影響，另一部分為鋼管表面平整度對氧化鐵皮的影響。（注:試樣的熱處理、制樣過程均保持一致。）

3.1 不同致密程度的二次氧化鐵皮對三次氧化鐵皮的影響

分別選擇內(nèi)表面（不受外界刮蹭、碰撞影響）氧化鐵皮較完整致密和較破碎的兩個試樣進行對比，對比完軋態(tài)階段的試樣后，放入加熱爐進行熱處理，淬火及回火階段繼續(xù)進行比較，觀察不同熱處理后對原始氧化鐵皮的影響。

3.1.1 軋態(tài)試樣氧化鐵皮對比

選取氧化鐵皮相對較完整、致密的軋態(tài)1#試樣及氧化鐵皮相對破碎的2#試樣為研究對象，圖2為1#試樣軋態(tài)的氧化鐵皮金相照片，可以發(fā)現(xiàn)軋態(tài)時氧化鐵皮厚度較薄，但相對較完整致密，圖10為2#試樣軋態(tài)的氧化鐵皮金相照片，可以發(fā)現(xiàn)與1#試樣相比較2#試樣的氧化鐵皮更為破碎。

3.1.2 淬火態(tài)氧化鐵皮對比

將1#和2#試樣進行淬火處理，熱處理工藝為920℃×60 min水淬，1#試樣淬火后的氧化鐵皮顯微鏡下的形貌如圖4所示，2#試樣淬火后的氧化鐵皮顯微鏡下的形貌如圖5所示。

圖2 1#試樣軋態(tài)金相照片

圖3 2#試樣軋態(tài)金相照片

圖4 1#試樣淬火態(tài)金相照片

圖5 2#試樣淬火態(tài)金相照片

從圖中1#試樣和2#試樣淬火后的照片可見，2#試樣淬火后的氧化鐵皮依然較不完整，相比較軋態(tài)時的2#試樣來說，基體與氧化鐵皮出現(xiàn)較為明顯的分離，該狀態(tài)下的氧化鐵皮可去除性較高。通過SEM對1#和2#試樣的氧化鐵皮整體形貌進行比較，1#試樣形貌見圖6，2#試樣形貌見圖7，從圖中對比可見低倍形貌觀察下2#試樣氧化鐵皮大部分脫落，氧化鐵皮與基體之間已經(jīng)出現(xiàn)明顯的縫隙，較為容易去除。

3.1.3 回火態(tài)氧化鐵皮對比

將1#和2#淬火后的試樣進行回火處理，處理制度為640℃×60 min，1#試樣回火后的氧化鐵皮顯微鏡下的形貌如圖8，2#試樣回火后的氧化鐵皮顯微鏡下的形貌如圖9。

從圖中1#試樣和2#試樣回火后的照片可見，2#試樣回火后的氧化鐵皮依然較不完整，相比較淬火態(tài)的2#試樣來說，氧化鐵皮有一定的修復(fù)，但基體與氧化鐵皮仍然存在一定的縫隙，氧化鐵皮部分脫落，該狀態(tài)下的氧化鐵皮可去除性較高。通過SEM對1#和2#試樣的氧化鐵皮整體形貌進行比較，1#試樣形貌見圖10，2#試樣形貌見圖11，從圖中對比可見低倍形貌觀察下2#試樣氧化鐵皮大部分脫落，1#試樣氧化鐵皮保存較為完整、致密。

3.2 不同表面粗糙度對氧化鐵皮形成的影響

在軋態(tài)料上選取兩塊表面狀態(tài)不同的試樣，一個為表面較為粗糙的3#試樣，一個為表面較為光滑的4#試樣，兩個試樣粗糙度具體情況見圖12、13，從圖12中可見3#試樣表面存在一定數(shù)量的小凹坑表面粗糙，絕大部分區(qū)域未發(fā)現(xiàn)有氧化鐵皮，個別凹坑處存在很薄的氧化層；從圖13中可見4#試樣表面光滑，表面較為平整，絕大部分區(qū)域未發(fā)現(xiàn)有氧化鐵皮，存在的個別小凹溝內(nèi)有一定的氧化鐵皮。

圖6 1#試樣淬火態(tài)氧化鐵皮形貌

圖7 2#試樣淬火態(tài)氧化鐵皮形貌

圖8 1#試樣回火態(tài)金相照片

圖9 2#試樣回火態(tài)金相照片

圖10 1#試樣回火態(tài)形貌

圖11 2#試樣回火態(tài)形貌

圖12 3#試樣表面照片

圖13 4#試樣表面照片

將3#和4#試樣進行淬火處理，淬火后3#試樣的氧化鐵皮情況如圖14，從圖中可見3#試樣淬火后形成明顯的氧化鐵皮，厚度、面積較軋態(tài)時有較明顯的增加；4#試樣的氧化鐵皮情況如圖15，從圖中可見4#試樣淬火后無明顯氧化鐵皮或氧化鐵皮已經(jīng)完全脫落。說明在淬火階段，原始表面狀態(tài)光滑的試樣并不容易形成氧化鐵皮或者形成的氧化鐵皮更容易脫落。

將淬火后的試樣進行回火處理，回火后3#的情況如圖16，試樣表面仍然存在明顯的氧化鐵皮，且相對于淬火后的試樣更為完整致密；4#試樣回火后的情況如圖17，從圖中僅能發(fā)現(xiàn)很薄的一層氧化鐵皮。

從以上實驗可以看出，試樣的原始表面狀態(tài)直接影響后續(xù)熱處理過程中氧化鐵皮的生成及可去除性，表面越光滑則形成的氧化鐵皮越少或越容易被去除，表面越粗糙則越容易形成氧化鐵皮，且形成的氧化鐵皮不易脫落。

4 總結(jié)

圖14 3#試樣淬火后照片

圖15 4#試樣淬火后照片

圖16 3#試樣回火后照片

圖17 4#試樣回火后照片

根據(jù)本文所得到的實驗結(jié)果，歸結(jié)出熱軋鋼管的表面狀態(tài)對氧化鐵皮生成的影響因素主要有以下幾點：

1）氧化鐵皮的組成主要為 Fe2O3、Fe3O4和FeO，三者的組成比例受外界加熱環(huán)境所影響。

2）淬火時氧化鐵皮急冷收縮，對生成的氧化鐵皮有一定的破壞作用，但在回火加熱時會產(chǎn)生部分新的氧化鐵皮，會在一定程度上的修復(fù)破碎的氧化鐵皮。

3）軋態(tài)鋼管表面存在氧化鐵皮越完整、致密，在后續(xù)的熱處理過程中更容易形成氧化鐵皮或使氧化鐵皮的結(jié)合力更強。

4）鋼管表面越光滑，在熱處理過程中產(chǎn)生的氧化鐵皮就越少或越容易脫落。

[1]孫徠博，張冰，李志群，等.熱軋無縫鋼管氧化鐵皮可去除性的研究[C].中國金屬學(xué)會軋鋼學(xué)會鋼管學(xué)術(shù)委員會六屆四次年會論文集，2014；

[2]常大勇，郭宏偉，陳傳玉，等.淺析熱軋氧化鐵皮的成因及改善措施[C].山東金屬學(xué)會壓力加工學(xué)術(shù)交流會論文集.2008；300-365.

[3]崔衛(wèi)中.熱軋帶鋼表面氧化鐵皮成因及去除方法[J].山西：山西冶金，2010（3）:25-27.

[4]Vladimir V Basabe，Jerzy A Szpunar．Eftect of O2 in Heating Amaosphere on Hydraulic Descaling in Hot Rolling of Low Carbon Steel[J].ISIJ International，2008，48(4):467-474.

[5]楊峰，歐鵬.熱軋產(chǎn)品紅色氧化鐵皮成因及消除方法的研究[J].北京：鋼鐵，2006（12）:380-385.