硅含量對焊接用鋼氧化鐵皮結(jié)構(gòu)和厚度的影響

侯建偉，唐 慶，崔貴博，亓奉友，董 強(qiáng)

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島266409）

1 前 言

硅是焊接用鋼中最常用的脫氧元素，可在熔池中還原FeO，防止鐵與氧的結(jié)合，還可以增加熔敷金屬的流動(dòng)性及焊絲的抗銹蝕性，因此，一般焊接用鋼中均會(huì)添加硅元素。焊絲的制備一般是通過焊接用鋼熱軋盤條拉拔而來，在拉拔前需要去除盤條表面的氧化鐵皮。焊接用鋼中添加較高含量的硅元素，易導(dǎo)致熱軋盤條表面的氧化鐵皮嵌入基體中。目前大部分用戶采用機(jī)械剝殼聯(lián)合砂帶除銹的方式去除鐵皮，鐵皮嵌入基體后難以通過機(jī)械剝離方式去除，在拉拔時(shí)刮傷模具和鋼絲表面，使?jié)櫥Ч陆?，影響拉絲模壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起斷絲。因此，減輕硅元素對氧化鐵皮嵌入基體的影響，提高機(jī)械除鱗效果，改善后續(xù)工序加工性能，具有重要的意義。

2 試驗(yàn)材料和方法

低合金鋼氧化皮生成的基本規(guī)律：當(dāng)氧擴(kuò)散進(jìn)入基體時(shí)，合金元素按照與氧結(jié)合能力的先后順序依次被氧化，Si 和 Mn 與 O 的結(jié)合能力比 Fe 強(qiáng)，因此優(yōu)先被氧化，而Si 生成的氧化物難溶于Fe 的氧化物中，因而在氧化皮/基體界面上富集，Mn 的氧化物可與Fe 的氧化物互溶，故未在氧化皮中富集［1］，對盤條氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)和厚度影響較小，與Si 元素相比，對盤條氧化鐵皮結(jié)構(gòu)的厚度的影響可忽略不計(jì)。

試驗(yàn)選取青島特殊鋼鐵有限公司（簡稱青島特鋼）焊接用鋼盤條H08Mn、EH12K 等盤條，主要化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)盤條軋制均采用850 ℃的吐絲溫度，全過程蓋保溫罩緩冷工藝生產(chǎn)。對試驗(yàn)盤條采用4%硝酸酒精溶液作為腐蝕劑，利用Quanta200型掃描電鏡、德國ZEISS ImagerA1m 型顯微鏡對氧化皮形貌結(jié)構(gòu)和厚度進(jìn)行觀察和測量。

表1 H08Mn、EM12K等焊接用鋼盤條的化學(xué)成分（ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3 試驗(yàn)及分析

3.1 氧化鐵皮生成機(jī)理和Fe2SiO4對基體/氧化皮界面的影響

一般來說，焊接用鋼鑄坯軋制過程中的氧化鐵皮分為3種。鑄坯加熱過程中，鋼坯高溫下與氧接觸，表面形成一層很厚的氧化鐵皮，稱為一次氧化鐵皮。在粗中軋區(qū)域，鋼坯溫度超過900 ℃，表面仍繼續(xù)氧化，生成二次氧化鐵皮。隨后，進(jìn)入精軋機(jī)和減定徑區(qū)域，溫度在900 ℃左右，生成三次氧化鐵皮。目前焊接用鋼盤條一般采用緩冷工藝生產(chǎn)，在隨后的斯太爾摩緩冷線冷卻過程中，三次氧化鐵皮進(jìn)一步生長并發(fā)生結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。因此，三次氧化鐵皮影響盤條表面最終的氧化皮厚度，具體情況見圖1。

圖1 鐵氧系相圖

盤條表面的氧化鐵皮由 Fe2O3、Fe3O4、Fe1-yO 三種物相組成。氧化鐵皮中包含：先共析Fe3O4、共析組織各相Fe3O4/Fe和殘余Fe1-yO等組織，SiO2與FeO相圖見圖2，盤條氧化鐵皮分層結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 SiO2與FeO相圖

圖3 氧化皮分層結(jié)構(gòu)

從圖2和圖3看出，F(xiàn)eO/SiO2共晶產(chǎn)物－Fe2SiO4在Fe1-xO中溶解度較低，不斷在基體/氧化皮界面析出，在氧化皮生長過程中，逐漸積累。Fe2SiO4和SiO2對Fe2+擴(kuò)散有阻礙作用，且Fe2SiO4越致密阻礙作用越明顯［2］。氧化皮生長過程中，F(xiàn)e2SiO4向內(nèi)擴(kuò)散和Fe2+向外遷移是相互競爭模式。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過對青島特鋼生產(chǎn)的H08Mn、EM12K 等焊接用鋼盤條進(jìn)行金相檢測，盤條表面氧化鐵皮形貌如圖4所示。

圖4 盤條氧化鐵皮形貌 1 000×

從圖4中對比可以看出，發(fā)現(xiàn)不同硅元素含量對盤條氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)和形貌均產(chǎn)生較大影響，隨著Si 含量的提高，盤條氧化鐵皮總厚度逐漸減薄，但鐵皮嵌入基體深度逐漸增加，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同Si含量焊接用鋼盤條氧化鐵皮厚度和鐵皮嵌入基體深度

3.3 分析討論

H08Mn中基本不含Si元素，盤條的氧化鐵皮厚度在30 μm 左右，且氧化皮/基體界面較平整，氧化皮明顯分為3 層結(jié)構(gòu)，但隨著Si 含量的提高，盤條表面形成一定面積的SiO2薄膜，阻礙氧元素向基體擴(kuò)算，進(jìn)而使盤條氧化皮的厚度逐漸變薄，當(dāng)Si 含量達(dá)到ER50-6E的0.85%時(shí)，盤條的氧化鐵皮厚度＜10 μm。

EH12K 中的Si 含量達(dá)到0.35%，盤條基體表面開始形成不規(guī)則的FeO/Fe2SiO4相，氧化皮/基體界面凹凸化，界面絕對長度增加；Si含量進(jìn)一步增加，ER70S-3A（Si 為0.60%）盤條表面的氧化皮內(nèi)部有裂紋及孔洞存在，根據(jù) Fe、O 相圖和 SiO2與 FeO 相圖分析，在Fe1-yO 鐵皮層中析出先共析Fe3O4，使鐵皮層內(nèi)出現(xiàn)裂紋和孔洞。

對氧化鐵皮錨狀嵌入基體狀況進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析，發(fā)現(xiàn)在氧化鐵皮錨狀嵌入位置，存在Fe2SiO4將FeO 晶粒包裹的現(xiàn)象，具體情況見圖5、圖6。

圖5 錨狀形貌

圖6 Fe2SiO4將FeO晶粒包裹

與 H08Mn 鋼相比，ER50-6E 鋼中 Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.01%增加到0.85%，內(nèi)層氧化皮與基體間出現(xiàn)明顯的富Si層，氧化鐵皮由三層結(jié)構(gòu)變?yōu)樗膶咏Y(jié)構(gòu)，靠近基體位置出現(xiàn)FeO/Fe2SiO4相，且在Fe1-yO鐵皮層中出現(xiàn)先共析Fe3O4相（圖7、圖8）。

圖7 H08Mn氧化鐵皮分層結(jié)構(gòu) 1 000×

圖8 ER50-6E氧化鐵皮分層結(jié)構(gòu) 1 000×

總體來看，氧化鐵皮的生成依靠鐵原子的擴(kuò)散，而Si 元素并不跟隨鐵原子共同遷移，經(jīng)過長時(shí)間的氧化后，Si元素參與基體和氧化皮交界面的氧化反應(yīng)，且在氧化皮中溶解度較低，從而在基體和氧化皮交界面處富集，在試樣表面形成一定面積的膜狀SiO2，則對該區(qū)域后續(xù)的內(nèi)部氧化具有一定的抑制作用，這也是ER50-6E 較H08Mn 氧化皮厚度大幅降低的原因；反之，如果形成的是顆粒狀的SiO2，則抑制作用明顯減弱，并與后續(xù)氧化生成的Fe1-yO 結(jié)合呈尖晶石型 Fe2SiO4［3］。由于 Fe2SiO4在Fe1-yO溶解度低，在內(nèi)層氧化皮析出，導(dǎo)致Fe2SiO4富集。所以，氧化初期SiO2的形態(tài)差異會(huì)導(dǎo)致不同區(qū)域后續(xù)內(nèi)部氧化速率不同，使得最終形成的氧化皮/基體界面粗糙度較大。

焊接用鋼盤條中適當(dāng)添加一定的硅元素，有利于控制盤條中氧化鐵皮的厚度，但Si 含量過高時(shí)，易在盤條表面形成氧化鐵皮嵌入基體情況，下游拉絲廠家通過機(jī)械剝殼等方式難以將氧化鐵皮去除。因此，在軋制高Si 焊接用鋼時(shí)，需要采取相關(guān)措施對氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。

4 結(jié) 論

4.1 焊接用鋼盤條中Si 含量超過0.35%時(shí)，易在基體表面形成的不規(guī)則的FeO/Fe2SiO4相，盤條表面開始出現(xiàn)氧化鐵皮嵌入基體狀況，Si 含量達(dá)到0.65%后，氧化皮/基體界面凹凸化嚴(yán)重。

4.2 隨著盤條中Si 含量的提高，試樣表面會(huì)形成膜狀SiO2，抑制盤條表面氧化鐵皮的生成，使盤條的氧化鐵皮厚度減薄。

4.3 Si元素含量的提高，會(huì)導(dǎo)致盤條氧化鐵皮分層結(jié)構(gòu)的改變，內(nèi)層出現(xiàn)FeO/Fe2SiO4層，在Fe1-yO鐵皮層中析出先共析Fe3O4，使鐵皮層內(nèi)出現(xiàn)裂紋和孔洞。