高碳鋼氧化鐵皮

1、前言前言我國(guó)一些大型的盤(pán)條深加工生產(chǎn)企業(yè)，對(duì)熱軋盤(pán)條進(jìn)行拉拔之前，往往要把盤(pán)條表面的氧化鐵皮通過(guò)機(jī)械除鱗的方式剝離去除。當(dāng)氧化鐵皮的剝離性能不好時(shí)，殘留在盤(pán)條表面的氧化鐵皮會(huì)使高碳鋼盤(pán)條與拉絲模具摩擦?xí)r表面接觸點(diǎn)的局部熔化[1]，可能導(dǎo)致拉拔過(guò)程中的斷絲，甚至是刮傷拉絲模具。生產(chǎn)企業(yè)越來(lái)越重視熱軋盤(pán)條表面氧化鐵皮的剝離性能，而熱軋盤(pán)條的氧化鐵皮剝離性能受其厚度、微觀(guān)形貌以及相的成分比例等因素的影響[2]。本文著重探討高碳鋼盤(pán)條氧化鐵皮剝

2、離后，其剝落內(nèi)表面的微觀(guān)形貌皺褶的形成原因，以及與剝離性能之間的關(guān)系。1實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1.1試樣材料試樣材料實(shí)驗(yàn)選用的是高碳鋼盤(pán)條，試樣直徑為Φ5.5mm，長(zhǎng)度為300mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。表1高碳鋼盤(pán)條化學(xué)成分高碳鋼盤(pán)條化學(xué)成分%Table1Thechemicalcompositionofthehighcarbonsteelwire%元素CSiMnPSAl其他元素含量0.70.03≤0.300.50.06≤0.02≤0.015≤0.005

3、≤0.0101.2氧化實(shí)驗(yàn)氧化實(shí)驗(yàn)用濃鹽酸腐蝕去除高碳鋼盤(pán)條試樣表面的氧化鐵皮，然后將試樣用輻射加熱電爐在900℃氧化，快速冷卻到氧化鐵皮的共析反應(yīng)溫度區(qū)間，保溫1~6分鐘后快冷到室溫，制備新的氧化鐵皮。1.3剝離實(shí)驗(yàn)剝離實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)試樣兩端100mm長(zhǎng)的氧化鐵皮，用5%的烏洛托品調(diào)配的鹽酸溶液進(jìn)行腐蝕。腐蝕過(guò)的試樣先用高精度天平稱(chēng)重，然后在拉伸試驗(yàn)機(jī)上用夾具固定兩端后，分別用不同的拉伸量來(lái)剝離氧化鐵皮，再用高精度天平稱(chēng)重后，計(jì)算其剝離率

4、。1.4電鏡實(shí)驗(yàn)電鏡實(shí)驗(yàn)將拉伸實(shí)驗(yàn)剝離的氧化鐵皮收集起來(lái)，用導(dǎo)電膠帶將其固定好后編號(hào)，然后讓其放在無(wú)水酒精中用超聲波清洗器清洗5分鐘，然后用熱風(fēng)機(jī)吹干。這樣制備好的試樣就可以在掃描電鏡下觀(guān)測(cè)其內(nèi)表面的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析2.1形貌及產(chǎn)生原因形貌及產(chǎn)生原因圖1為二次電子掃描（SEM），放大倍數(shù)為1000倍得到的高碳鋼盤(pán)條氧化鐵皮內(nèi)表面微觀(guān)形貌。從電鏡掃描結(jié)果可以觀(guān)測(cè)到，氧化鐵皮內(nèi)表面普遍存在著的皺褶狀形貌，而且還比較均

5、勻、平行的分布。這種高低起伏的皺褶改變了氧化鐵皮與基體的接觸面積，這將對(duì)高碳鋼盤(pán)條氧化鐵皮的剝離性能發(fā)生影響。非常平整，沒(méi)有任何起伏，說(shuō)明這種機(jī)制是適用于高碳鋼盤(pán)條的。圖3凸表面膜內(nèi)應(yīng)力機(jī)制圖4外表面形貌Fig.3MechanismofinternalstressofconvexsurfacefilmFig.4Mphologyofoutsidesurface另外，試樣氧化膜內(nèi)表面的皺褶狀形貌可能還與氧化膜的生長(zhǎng)應(yīng)力和熱應(yīng)力有關(guān)。生長(zhǎng)應(yīng)力

6、的產(chǎn)生是由于生成氧化膜和產(chǎn)生該膜所消耗的相應(yīng)的金屬的體積不同（PillingBedwthRatio簡(jiǎn)稱(chēng)PBR）。PBR等于氧化物的體積除以所耗金屬的體積，如果PBR的值大于1，說(shuō)明生成氧化物的體積要大于消耗金屬的體積，則氧化物中產(chǎn)生壓應(yīng)力[6]116。查閱文獻(xiàn)[7]136可知，F(xiàn)eO(αFe)的PBR值為1.68，F(xiàn)e3O4(αFe)的PBR值為2.10，F(xiàn)e2O3(αFe)的PBR值為2.14。雖然應(yīng)力的大小不總是與PBR值的大小有關(guān)

7、，但是體積比是產(chǎn)生生長(zhǎng)應(yīng)力的原因之一，依然具有參考價(jià)值。氧化膜熱應(yīng)力僅僅起因于金屬與氧化物的線(xiàn)膨脹系數(shù)的不同[8]205，表2[7]138給出了Fe與氧化物的線(xiàn)膨脹系數(shù)，氧化物的線(xiàn)膨脹系數(shù)比金屬基體要小。在高碳鋼盤(pán)條冷卻過(guò)程中，由于線(xiàn)材的直徑比較小，并且斯太爾摩風(fēng)冷線(xiàn)的風(fēng)量很大，線(xiàn)材的冷卻強(qiáng)度就非常大，而氧化膜收縮程度要比金屬基體要小，氧化膜若要保持與基體之間的粘附性，氧化膜內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。表2金屬與氧化物的線(xiàn)膨脹系數(shù)金屬與氧化

8、物的線(xiàn)膨脹系數(shù)Table2Linearexpansioncoefficientofmetaloxidescale體系氧化物的線(xiàn)膨脹系數(shù)106金屬的線(xiàn)膨脹系數(shù)106比值FeFeO12.215.31.25FeFe2O314.915.31.032.2剝離機(jī)制剝離機(jī)制前面已經(jīng)闡述了由于高碳鋼盤(pán)條氧化膜內(nèi)存在著內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)生波浪皺褶狀形貌，雖然是由于多種因素導(dǎo)致其產(chǎn)生這種物理缺陷，但是氧化膜的應(yīng)力的釋放機(jī)制主要有3種[8]208：(1)氧化膜的塑

9、性變形；(2)氧化膜的開(kāi)裂或剝落；(3)金屬基體的塑性變形。通過(guò)電鏡實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到高碳鋼盤(pán)條中主要是發(fā)生的是氧化膜的塑性變形，產(chǎn)生皺褶狀形貌。只有當(dāng)應(yīng)力超過(guò)氧化膜的臨界破壞應(yīng)力時(shí)，才會(huì)發(fā)生氧化膜的開(kāi)裂或剝落。如果此時(shí)外界的溫度較高的話(huà)，暴露出來(lái)的金屬基體會(huì)繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化膜，此時(shí)應(yīng)力得到了釋放，殘余的應(yīng)力依然是通過(guò)新氧化膜發(fā)生蠕變來(lái)降低應(yīng)力水平。至于金屬基體是否發(fā)生塑性變形，由于其氧化膜的厚度一般只有幾個(gè)微米（見(jiàn)圖2），而高碳鋼盤(pán)條