高碳鋼氧化鐵皮

1、前言前言我國一些大型的盤條深加工生產(chǎn)企業(yè)，對熱軋盤條進行拉拔之前，往往要把盤條表面的氧化鐵皮通過機械除鱗的方式剝離去除。當(dāng)氧化鐵皮的剝離性能不好時，殘留在盤條表面的氧化鐵皮會使高碳鋼盤條與拉絲模具摩擦?xí)r表面接觸點的局部熔化[1]，可能導(dǎo)致拉拔過程中的斷絲，甚至是刮傷拉絲模具。生產(chǎn)企業(yè)越來越重視熱軋盤條表面氧化鐵皮的剝離性能，而熱軋盤條的氧化鐵皮剝離性能受其厚度、微觀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條氧化鐵皮剝

2、離后，其剝落內(nèi)表面的微觀形貌皺褶的形成原因，以及與剝離性能之間的關(guān)系。1實驗實驗1.1試樣材料試樣材料實驗選用的是高碳鋼盤條，試樣直徑為Φ5.5mm，長度為300mm，其化學(xué)成分見表1。表1高碳鋼盤條化學(xué)成分高碳鋼盤條化學(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氧化實驗氧化實驗用濃鹽酸腐蝕去除高碳鋼盤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剝離實驗剝離實驗將實驗試樣兩端100mm長的氧化鐵皮，用5%的烏洛托品調(diào)配的鹽酸溶液進行腐蝕。腐蝕過的試樣先用高精度天平稱重，然后在拉伸試驗機上用夾具固定兩端后，分別用不同的拉伸量來剝離氧化鐵皮，再用高精度天平稱重后，計算其剝離率

4、。1.4電鏡實驗電鏡實驗將拉伸實驗剝離的氧化鐵皮收集起來，用導(dǎo)電膠帶將其固定好后編號，然后讓其放在無水酒精中用超聲波清洗器清洗5分鐘，然后用熱風(fēng)機吹干。這樣制備好的試樣就可以在掃描電鏡下觀測其內(nèi)表面的微觀結(jié)構(gòu)。2實驗結(jié)果及分析實驗結(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倍得到的高碳鋼盤條氧化鐵皮內(nèi)表面微觀形貌。從電鏡掃描結(jié)果可以觀測到，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，這將對高碳鋼盤條氧化鐵皮的剝離性能發(fā)生影響。非常平整，沒有任何起伏，說明這種機制是適用于高碳鋼盤條的。圖3凸表面膜內(nèi)應(yīng)力機制圖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應(yīng)力和熱應(yīng)力有關(guān)。生長應(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簡稱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[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)生生長應(yīng)力的原因之一，依然具有參考價值。氧化膜熱應(yīng)力僅僅起因于金屬與氧化物的線膨脹系數(shù)的不同[8]205，表2[7]138給出了Fe與氧化物的線膨脹系數(shù)，氧化物的線膨脹系數(shù)比金屬基體要小。在高碳鋼盤條冷卻過程中，由于線材的直徑比較小，并且斯太爾摩風(fēng)冷線的風(fēng)量很大，線材的冷卻強度就非常大，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)就會產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。表2金屬與氧化物的線膨脹系數(shù)金屬與氧化

8、物的線膨脹系數(shù)Table2Linearexpansioncoefficientofmetaloxidescale體系氧化物的線膨脹系數(shù)106金屬的線膨脹系數(shù)106比值FeFeO12.215.31.25FeFe2O314.915.31.032.2剝離機制剝離機制前面已經(jīng)闡述了由于高碳鋼盤條氧化膜內(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)力的釋放機制主要有3種[8]208：(1)氧化膜的塑

9、性變形；(2)氧化膜的開裂或剝落；(3)金屬基體的塑性變形。通過電鏡實驗觀察到高碳鋼盤條中主要是發(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)力超過氧化膜的臨界破壞應(yīng)力時，才會發(fā)生氧化膜的開裂或剝落。如果此時外界的溫度較高的話，暴露出來的金屬基體會繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化膜，此時應(yīng)力得到了釋放，殘余的應(yīng)力依然是通過新氧化膜發(fā)生蠕變來降低應(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微米（見圖2），而高碳鋼盤條