碳元素及加熱溫度對SCM435鋼氧化行為的影響

劉 苗，胡萬卿，戚 桓，高乙元，龐啟航

（1.遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

螺栓鋼作為汽車組裝過程中的重要材料，其需求量隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展而與日俱增。高強(qiáng)螺栓一般采用低碳合金鋼或中碳鋼，經(jīng)淬火和高溫回火的調(diào)質(zhì)處理，可獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，從而能夠服役于較復(fù)雜、惡劣的環(huán)境［1-4］。

早期高強(qiáng)螺栓的研究主要從強(qiáng)度方面考慮。Shiozaw 等［5］系統(tǒng)研究不同元素對AISI4340 鋼的影響，認(rèn)為Ti 元素能提高鋼的耐延遲斷裂抗力?；菪l(wèi)軍等［6-7］認(rèn)為微合金元素V、Ti、Nb 等與碳、氮元素有很強(qiáng)的親和力，能夠形成穩(wěn)定的第二相，從而改善鋼的力學(xué)性能。Sumitomo等［8］通過添加V、Nb和其他控制手段開發(fā)了1 200～1 400 MPa系列螺栓鋼。肖丙政等［9］對耐候螺栓鋼盤條的終軋溫度和吐絲溫度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，改善其顯微組織構(gòu)成，將其斷面收縮率由47%提升至60.25%。

熱軋過程中產(chǎn)生的氧化鐵皮會(huì)影響最終成品的質(zhì)量。由于線材的生產(chǎn)流程復(fù)雜，各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的氧化鐵皮構(gòu)成各不相同，表現(xiàn)出來的力學(xué)性能也各不相同。如FeO 的硬度最小，僅有460 HV，F(xiàn)e2O3的硬度最高，可達(dá)到1 050 HV；而就熱塑性來說，F(xiàn)eO最好，F(xiàn)e3O4基本沒有熱塑性［10-11］。大量生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，F(xiàn)eO 含量高的鐵皮易脫落，但并不是完整地脫落，而是局部脫落，造成整卷盤條表面氧化鐵皮不均勻，嚴(yán)重影響美觀以及后續(xù)加工使用性能。

本文以高強(qiáng)度螺栓用鋼SCM435為研究對象，利用OM、SEM、XRD 等檢測手段，研究碳含量和加熱溫度對SCM435表面氧化行為的影響，分析不同工藝下氧化鐵皮的形貌、厚度、結(jié)構(gòu)及成分，以揭示其氧化行為的控制機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本文所用兩種螺栓鋼的化學(xué)成分如表1 所示。軋制前采取預(yù)熱-加熱-均熱的加熱方式，均熱段溫度為（1 150±10）℃，保溫時(shí)間為80～120 min，進(jìn)精軋溫度為（850±15）℃，吐絲溫度為（850±10）℃，軋制22 道次，得到直徑為10 mm 的實(shí)驗(yàn)鋼。將1號與2號實(shí)驗(yàn)鋼軋制后的氧化鐵皮削掉，再進(jìn)行加熱，加熱制度如表2 所示，從而獲得3～6號實(shí)驗(yàn)鋼。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of tested steel

表2 加熱工藝表Tab.2 Table of heating process

將6個(gè)試件的氧化鐵皮機(jī)械剝落后研磨，進(jìn)行XRD 檢測，以獲得6 個(gè)試樣的氧化鐵皮物相組成。分別將6 個(gè)試件制成金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕。使用Axio Vert.A1金相顯微鏡、蔡司EVO MA 10 掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對實(shí)驗(yàn)鋼的顯微組織形貌進(jìn)行觀察和能譜分析。從原始線材上線切割截得長度為9 cm、受力段寬度為6 mm 的拉伸試樣，以2 mm/min的速率進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，重復(fù)三次，得到實(shí)驗(yàn)鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單向拉伸試驗(yàn)

拉伸試樣分別取自1 號和2 號高強(qiáng)螺栓鋼軋制的尾部，拉伸結(jié)果如圖1所示。試樣1的抗拉強(qiáng)度是406.27 MPa，斷后伸長率是0.123；試樣2的抗拉強(qiáng)度是436.79 MPa，斷后伸長率是0.115。兩個(gè)試樣抗拉強(qiáng)度均為410 MPa，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of tensile specimens

拉伸斷口形貌如圖2 所示。斷口中存在大量的韌窩，可以判定為韌性斷裂。

圖2 拉伸斷口形貌Fig.2 Tensile fracture morphology

2.2 含碳量對氧化鐵皮的影響

圖3為含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.35%的1號實(shí)驗(yàn)鋼與含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的2號實(shí)驗(yàn)鋼的氧化鐵皮顯微形貌。1號鋼的氧化鐵皮厚度明顯小于2號鋼。1號實(shí)驗(yàn)鋼的氧化鐵皮層厚度分布不均勻，平均厚度約為9.67 μm，分界層厚度約為1.51 μm，中間層約為2.85 μm。2 號鋼的氧化鐵皮層平均厚度約為34.39 μm，分界層厚度約為3.85 μm，中間層約為30.71 μm。由此可知，實(shí)驗(yàn)鋼的含碳量越高，氧化鐵皮的厚度越薄。

圖3 不同含碳量螺栓鋼氧化鐵皮的微觀形貌Fig.3 Microstructure of bolt steel oxide sheet with different carbon content

對不同含碳量的1 號實(shí)驗(yàn)鋼和2 號實(shí)驗(yàn)鋼的氧化鐵皮進(jìn)行XRD物相分析，結(jié)果如圖4所示。1號鋼的氧化鐵皮主要成分為Fe3O4，同時(shí)含有一定量的Fe2O3；2號鋼的氧化鐵皮主要成分為Fe2O3，同時(shí)只含有少量Fe3O4和FeO。兩種螺栓鋼中的含碳量不同，實(shí)驗(yàn)鋼在加熱氧化過程中，碳原子在氧化鐵皮中發(fā)生富集，阻礙鐵離子的擴(kuò)散。含碳量越高的螺栓鋼，阻礙鐵離子擴(kuò)散的能力越強(qiáng)，越能顯著提高鋼的抗氧化性能。

圖4 不同含碳量螺栓鋼的氧化鐵皮的XRD檢測Fig.4 XRD detection of oxide sheet of bolt steel with different carbon content

為進(jìn)一步研究含碳量對螺栓鋼氧化鐵皮的影響，對1號與2號實(shí)驗(yàn)鋼的氧化鐵皮特定位置進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖5所示。特定點(diǎn)分別選在氧化鐵皮近外處、與基體分層邊緣處、分層處及基體上，成分分析結(jié)果如表3 所示。在同一層上，黑色裂紋區(qū)域出現(xiàn)碳元素聚集，在2號實(shí)驗(yàn)鋼的裂紋處碳含量達(dá)到峰值，可以確定是C 原子的聚集引發(fā)應(yīng)力集中，從而萌生裂紋。根據(jù)表3中氧化鐵皮的鐵氧比，再次證明：1號實(shí)驗(yàn)鋼中Fe3O4較多，2號實(shí)驗(yàn)鋼中Fe2O3較多。由此表明，實(shí)驗(yàn)鋼的含碳量越低，其氧化鐵皮主要由Fe2O3組成，且分布越均勻，與鋼的結(jié)合力越好；而含碳量越高，其氧化鐵皮主要由Fe3O4組成，且分布不均勻，甚至?xí)霈F(xiàn)斷帶和裂紋。

表3 不同位置處的成分定量分析Tab.3 Quantitative analysis of components at different locations

圖5 氧化鐵皮能譜圖Fig.5 Energy spectrum of oxide sheet

2.3 加熱溫度對氧化鐵皮的影響

分別將1 號和2 號實(shí)驗(yàn)鋼加熱至850 ℃和750 ℃，得到3～6號樣品，氧化鐵皮的XRD檢測結(jié)果如圖6 所示。圖6a～c 中，1 號實(shí)驗(yàn)鋼的氧化鐵皮中，F(xiàn)e3O4的含量高于Fe2O3；加熱至750 ℃時(shí)，5號實(shí)驗(yàn)鋼的氧化鐵皮中Fe2O3的含量高于Fe3O4；加熱至850 ℃時(shí)，3 號實(shí)驗(yàn)鋼的氧化鐵皮中Fe2O3的含量遠(yuǎn)高于Fe3O4。這表明，含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%的螺栓鋼的氧化鐵皮經(jīng)過加熱之后Fe3O4的含量減少，亞鐵離子轉(zhuǎn)化為鐵離子。圖6d～f中，2號實(shí)驗(yàn)鋼的氧化鐵皮中，F(xiàn)e2O3的含量高于Fe3O4；加熱至750 ℃時(shí)，6 號實(shí)驗(yàn)鋼的氧化鐵皮中，F(xiàn)e3O4的含量高于Fe2O3；加熱至850 ℃時(shí)，4 號實(shí)驗(yàn)鋼的氧化鐵皮中，F(xiàn)e3O4的含量高于Fe2O3。這表明，含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的螺栓鋼的氧化鐵皮在加熱后Fe3O4的含量增多。

圖6 不同加熱溫度后產(chǎn)生的氧化鐵皮的XRD分析Fig.6 XRD analysis of oxide sheet produced at different heating temperatures

兩種螺栓鋼在不同加熱溫度下的顯微組織如圖7 所示。圖7a～c 中，1 號鋼的氧化鐵皮層厚度約為9.67 μm，分界層厚度約為1.51 μm，中間層厚度約為2.85 μm；3 號鋼的氧化鐵皮層厚度約為14.96 μm；5號鋼的氧化鐵皮層厚度約為34.72 μm，其中上層的氧化鐵皮層厚度約為3.35 μm，下層的氧化鐵皮層厚度約為31.37 μm。這說明1 號鋼的氧化鐵皮厚度最小，且分布不均；5 號實(shí)驗(yàn)鋼的厚度最大，且氧化鐵皮分層明顯。因此，在含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%的螺栓鋼中，隨著溫度的升高，螺栓鋼產(chǎn)生的氧化鐵皮厚度降低，且溫度越高氧化鐵皮層越不均勻。圖7d～f 中，4 號實(shí)驗(yàn)鋼的氧化鐵皮厚度最大，約為123.5 μm，其中上層氧化鐵皮厚度約為96.91 μm，下層氧化鐵皮厚度約為16.97 μm；6 號試件的氧化鐵皮厚度最小，約為9.83 μm，且有明顯分層現(xiàn)象，上層厚度約為8.76 μm，下層厚度約為1.12 μm。這表明，含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的螺栓鋼，隨著溫度的升高，氧化鐵皮的厚度增大，但當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，氧化鐵皮的厚度反而會(huì)減小。

3 結(jié) 論

（1）含碳量較高的35CrMoV鋼抗拉強(qiáng)度略低于含碳量較低的10CrMoV 鋼，兩種成分鋼均滿足國標(biāo)性能要求。

（2）碳原子能夠阻礙鐵離子遷移，提高鋼的抗氧化性能，含碳量較高的螺栓鋼更易產(chǎn)生較薄的氧化鐵皮。對于含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.35%的螺栓鋼，隨著加熱溫度的升高其氧化鐵皮厚度降低，且加熱溫度越高氧化鐵皮層越不均勻，與基體的結(jié)合力較差，易剝落。對于含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的螺栓鋼，隨著溫度的升高，存在臨界溫度，使氧化鐵皮的厚度先增加后減小。

（3）不同含碳量的螺栓鋼，軋制后氧化鐵皮的成分組成不同。含碳量較低時(shí)，氧化鐵皮主要由Fe2O3組成，且分布均勻，與基體的結(jié)合力較好，加熱后Fe3O4的含量增多；而含碳量較高時(shí)其氧化鐵皮主要由Fe3O4組成，分布不均勻，甚至?xí)霈F(xiàn)斷帶和裂紋，隨加熱溫度的升高，亞鐵離子轉(zhuǎn)化為鐵離子，F(xiàn)e3O4的含量減少。