热轧搪瓷钢板的显微组织与氢渗透特性

郭　锐，柳东明，袁晓敏，张庆安（安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山243002）

热轧搪瓷钢板的显微组织与氢渗透特性

郭锐，柳东明，袁晓敏，张庆安
（安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山243002）

采用金相显微镜与电镜观察并分析种热轧搪瓷钢板的夹杂、显微组织和析出物，采用电化学方法探讨其氢渗透特性。研究表明：实验钢具有良好的冲压成型性，但其显微组织比较粗大、均匀性较差；钢中存在大量细小弥散的TiC析出物，能够很大程度地提高不可逆陷阱的贮氢容量；25℃时氢在钢中的扩散系数为1.039×10-6cm2·s-1，1 mm厚实验钢的氢穿透时间为10.5 min，呈现出良好的抗鳞爆性能。

热轧搪瓷钢板；氢渗透；抗鳞爆性能

随着社会需求的不断增加，我国搪瓷工业有了很大的发展。尽管国内搪瓷钢板的生产已达一定规模，但在产量、质量上都迫切需要提高。除要求搪瓷钢板具有良好的深冲性能外，还要求钢板与瓷釉密着性好，烧成时瓷层不产生“起泡”缺陷、烧成后不产生“鱼鳞”缺陷等［1-2］。鳞爆是搪瓷材料中最严重、最常见、也是最难克服的缺陷之一，其不仅发生于制品刚烧成之后，而且经过一段时间后仍出现，危害严重［3-5］。为降低成本，市场上出现了以热轧搪瓷钢板代替冷轧搪瓷钢板的发展趋势，但鳞爆缺陷仍是必须解决的核心技术问题［6］。目前国内不少钢铁企业能生产热轧搪瓷钢板，但其抗鳞爆性能差异较大，这给生产厂家和用户带来很大的困扰。氢是导致搪瓷钢板产生鳞爆现象的罪魁祸首，因而对其氢渗透特性进行研究非常必要。关于氢在金属材料中的扩散渗透行为，通常采用超高真空气相渗透法和电化学氢渗透法进行研究。其中电化学氢渗透法的实验设备简单，操作简便，而且氢渗透测量的灵敏度高，更加适合氢渗透研究［7-8］。鉴于此，笔者选择国内某企业的热轧搪瓷钢板，采用电化学法研究其氢渗透特性，分析其抗鳞爆性能，为厂家生产和用户使用提供指导。

1　实验材料及实验方法

表1　实验钢的化学成分（w/%）Tab.1 Chemicalcompositionoftheinvestigatedsteel（w/%）

1.1实验材料

实验钢采用国内某钢铁企业生产的热轧搪瓷钢板，主要化学成分如表1。热轧搪瓷钢板以酸洗板表面状态交货，其生产工艺流程为：冶炼—真空脱气—连铸—热轧—酸洗—平整—剪切—涂油和包装。

1.2实验方法

利用金相显微镜对实验钢的夹杂物和显微组织进行观察与分析，并在JEM-2010FX型电镜上对钢中析出物进行观察。

实验钢板分2批，一批切割成Φ16 mm×1.3 mm的圆形薄片，薄片试样经逐级打磨、抛光（要求试样双面具有相同的抛光效果），抛光后测量试样厚度为1 mm左右。然后用无水乙醇和蒸馏水清洗，在室温下进行单面镀镍，镀镍溶液为NiSO4·7H2O，NiCl2·6H2O和H3BO4的水溶液。镀镍时，试样为阴极，铂电极为阳极，电流密度J为10 mA·cm-2，时间为60 s。试样从镀镍溶液中取出，立即用去离子水和酒精清洗表面，吹干后采用电化学方法［9］测量其氢渗透曲线，实验温度均为25℃。薄片试样两边是2个不相通的电解池，试样的未镀镍面作为充氢面，溶液为0.5 mol·L-1的H2SO4；镀镍面作为扩散面，电解液采用0.2 mol·L-1的NaOH。测量前在扩散面与参比电极间加上200 mV的电压，当残余电流稳定不变后接通充氢电源，记录不同时刻试样扩散面的阳极电流，绘出氢渗透曲线。

另一批实验钢板经单面打磨抛光后放入1 mol·L-1的H2SO4中，并在不同电流密度下充氢24 h，然后在偏光显微镜下观察试样是否产生鼓泡，确定产生鼓泡的临界电流密度Jc。以Jc重新对5个未充氢的样品充氢24 h，获得1组氢鼓泡试样［10］。样品清洗后放置30 d，再用定氢仪（设备型号为H-404）测量残留在钢中不可逆陷阱处的氢含量。

2　实验结果与讨论

2.1实验钢的夹杂物与金相组织

实验钢中典型的夹杂物形貌如图1所示，钢中夹杂物为细系D类（球状氧化物类）。根据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，对其进行夹杂物评级，得出实验钢的夹杂平均级别为0.58。为适应复杂形状零部件的冲压成型，搪瓷钢板中夹杂平均级别应在0.5～1级［11］，据此可看出该企业生产的热轧搪瓷钢板具有良好的冲压成型性。

实验钢中典型的金相组织如图2所示。从图2可以看出，该实验钢由多边形铁素体和少量珠光体组成，但钢中组织较粗大，且均匀性较差。由于热轧搪瓷钢板在搪烧过程中组织会进一步粗化，粗大且不均匀的显微组织会对其力学性能产生不利影响，因此要求热轧搪瓷钢板在搪烧前具有细小而均匀的组织［12-13］。

图1　实验钢的夹杂物形貌Fig.1 Morphology of inclusions in the investigated steel

图2　实验钢的显微组织Fig.2 Microstructure of the investigated steel

2.2实验钢的氢渗透特性

在试样的一侧进行电化学充氢，进入试样中的氢原子不断向另一侧渗透；而穿过试样从另一侧扩散出来的氢原子在阳极电位下会被电离，从而产生阳极电流［14］。试样在25℃充氢时阳极电流随时间变化的曲线如图3。从图3中发现：充氢开始阶段，随着氢渗透时间增加，试样的阳极电流ia逐渐增大；但到充氢后期，阳极电流达到一个稳定值；充氢电流密度越大，阳极电流达到稳定值所需的时间越短。

通常情况下，氢渗透曲线中Ia/Imax=0.63对应的时间称为氢渗透滞后时间t0.63。氢在钢中的表观扩散系数D通过式（1）［9］计算

其中L为试样的厚度。实验钢在25℃时表观扩散系数D随充氢电流密度变化曲线如图4。由图4可以看出：氢在钢中的表观扩散系数随充氢电流密度的增大而逐渐增大；当充氢电流密度大于5 mA·cm-2时，表观扩散系数的增长速率明显降低；增大到10 mA·cm-2时，表观扩散系数基本趋于稳定，达到1.039×10-6cm2·s-1，文中将这一稳定值定义为实验钢中氢的扩散系数D0。

2.3实验钢的抗鳞爆性能

在氢渗透曲线中，Ia/Imax=0.076时对应的时间称为氢穿透时间tb，可用以衡量氢在金属中扩散的快慢［9］，也可用来评判搪瓷钢板的抗鳞爆性能［15］。通常，根据氢渗透曲线通过作图的方法可得氢穿透时间［16］，严格地说，氢穿透时间tb是通过下式计算［9］

为便于比较不同材料的抗鳞爆性能，计算搪瓷钢板氢穿透时间时，厚度L一般取1 mm。将实验钢中氢扩散系数D0=1.039×10-6cm2·s-1代入式（2）可得，实验钢在25℃时的氢穿透时间为10.5 min。Papp等［17］认为，在25℃下，当氢在钢板中的氢穿透时间（以厚度L=1 mm为标准）不小于6～8 min、扩散系数不大于2.0×10-6cm2·s-1时，钢板具有良好的抗鳞爆性能。由此表明，实验钢呈现良好的抗鳞爆性能。

一般地，氢进入钢板后，除占据晶体点阵中的间隙位置，还可存在于氢陷阱中。氢陷阱分为可逆陷阱和不可逆陷阱，存在于可逆陷阱中的氢室温下就可扩散出来，不可逆陷阱中的氢却很难逸出［18-19］。因此，改善钢板抗鳞爆性能的重要途径是保证钢中具有大量不可逆氢陷阱，而钢中大量细小弥散分布的第二相TiC颗粒（如图5所示），可以形成很好的不可逆陷阱，能够很大程度地提高不可逆陷阱的贮氢容量［20-21］。

为了确定实验钢中不可逆陷阱的贮氢容量，对5个未充氢试样在临界电流密度Jc下充氢24 h，结果发现试样表面均存在氢鼓泡，其形貌如图6所示。试样放置1个月后，晶格中和可逆陷阱中的氢均已完全扩散。经测量，试样中不可逆陷阱中氢浓度为18.4 mol·m-3，即为实验钢中不可逆陷阱的贮氢容量。孙全社等［22］发现，当搪瓷钢板中不可逆陷阱的贮氢浓度为12.6 mol·m-3时，其抗鳞爆性能优良。不可逆陷阱的贮氢容量越高，实验钢的抗鳞爆性能越好，因而实验钢具有良好的抗鳞爆性能。

图3　25℃时实验钢的氢渗透曲线Fig.3 Hydrogen permeation curves measured at 25℃

图4　表观扩散系数与充氢电流密度的关系Fig.4 Relationship between the apparent hydrogen diffusion coefficient and charging current density

3　结　论

图5　实验钢中TiC析出物Fig.5 TiC precipitates in the investigated steel

1）实验用热轧搪瓷钢板具有良好的冲压成型性，其显微组织是由多边形铁素体和少量珠光体组成，但组织比较粗大、均匀性较差。

2）实验钢中存在大量弥散细小的TiC析出物，其很大程度上提高了不可逆陷阱的贮氢容量。

3）25℃时氢在实验钢中的扩散系数为1.039×10-6cm2·s-1，1 mm厚实验钢的氢穿透时间为10.5 min，实验钢中不可逆陷阱的贮氢浓度为18.4 mol·m-3，因此该热轧搪瓷钢板具有良好的抗鳞爆性能。

图6　充氢后实验钢表面的氢鼓泡形貌Fig.6 Morphology of hydrogen blistering on the surface of steel after charging

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责任编辑：何莉

Microstructures and Hydrogen Permeation Characteristics of Hot Rolled Steel Sheet for Enameling

GUO Rui，LIU Dongming，YUAN Xiaomin，ZHANG Qingan
（School of Materials Science and Engineering，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243002，China）

The inclusions，microstructures and precipitates of a hot rolled steel sheet for enameling were observed and analyzed with metallurgical microscope and electron microscope.And its hydrogen permeation characteristics were investigated with an electrochemical method.The results show that，the investigated steel has a good stamping formability，but shows a coarse and heterogeneous microstructure；A large number of fine and dispersive TiC precipitates can greatly increase the hydrogen storage capacity of the irreversible trap；At 25℃，the hydrogen diffusion coefficient in the investigated steel is 1.039×10-6cm2·s-1，and the hydrogen breakthrough time in the sheet with a thickness of 1 mm is 10.5 min，indicating a good fish scale resistance.

hot rolled steel sheet for enameling；hydrogen permeation；fish scale resistance

TG142.1

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.01.005

1671-7872（2016）-01-0019-04

2015-12-03

国家自然科学基金项目（50901001）

郭锐（1992-），男，安徽巢湖人，硕士生，研究方向为金属材料的氢渗透。

柳东明（1975-），男，江苏姜堰人，博士，教授，研究方向为金属功能材料。