退火温度和保温时间对高强IF钢氧化层的影响

魏文龙,陈斌锴

(北京钢研新冶工程设计有限公司，北京 100081)



退火温度和保温时间对高强IF钢氧化层的影响

魏文龙,陈斌锴

(北京钢研新冶工程设计有限公司，北京 100081)

通过扫描电镜(SEM)和辉光放电光发射光谱仪(GDOES)研究了退火温度和保温时间对高强IF钢氧化层的影响。结果表明：退火后，高强IF钢氧化层表面以锰和硼的氧化物为主，磷的氧化物也富集在氧化层表面，铝的氧化物主要在氧化层内部；随着退火温度的升高和保温时间的延长，氧化层表面上锰的氧化物增加，硼的氧化物减少，磷在表面的富集程度加大，铝的氧化物在钢基体内部和氧化层中均有生成。

高强IF钢；退火温度；保温时间；氧化层

钢板在还原保护气氛中退火时，只有与氧亲和力较强的元素发生氧化，而铁不发生氧化，这种氧化现象称之为选择性氧化。高强IF钢中添加了锰、磷、硅等合金强化元素，这些元素很容易在钢板表面形成氧化物，并在随后的镀锌过程中影响钢板的浸润性[1-6]。

采用不同的退火工艺进行选择性氧化控制，使合金元素的氧化形式从外氧化转变成内氧化,可以改善钢板的浸润性[7-12]。本工作通过分析高强IF钢氧化层的形貌及元素深度分布特点来研究退火温度和保温时间对其氧化层的影响，为生产高强IF钢镀锌板提供理论依据。

1　试验

试验用高强IF钢的化学成分见表1。将高强IF钢在H2、N2混合保护气(其中H2体积分数为10%)中进行退火。在保温时间为90 s的条件下，退火温度分别取780，830，850 ℃；在退火温度为850 ℃条件下，保温时间分别取30，60，120 s。用扫描电镜(SEM)和附带的能谱仪(EDS)观察试验钢表面氧化层形貌和化学成分；用辉光放电发射光谱仪(GDOES)分析氧化层中元素分布。

表1　高强IF钢的化学成分(质量分数)Tab. 1　Chemical composition of high strength IF steel (mass)　%

2　结果与讨论

2.1高强IF钢氧化层形貌及成分

通过对退火后的高强IF钢试样进行SEM观察发现，在不同的退火温度和保温时间条件下退火，得到的试样表面都分布着许多细小的氧化物颗粒，氧化物的形貌随着退火温度的升高和保温时间的延长变化不大，氧化物形貌如图1所示,氧化物EDS能谱分析结果如表2所示。

通过对氧化物颗粒进行EDS分析发现，氧化物主要为锰、磷和硅的氧化物。其中以锰和磷的氧化物在试样表面存在较多，硅的氧化物较少；而检测到的铌元素为钢基体中的元素。

2.2高强IF钢氧化层中的元素分布

SEM和EDS只能分析氧化物的形貌特征和粗略地得到退火试样表面的氧化物类型，为了更好地了解氧化层中各元素分布情况，本工作通过GDOES分析了不同退火条件对合金元素在氧化层中深度分布的影响。试验采用的溅射速度为20 nm/s，溅射时间与深度成正比，并以铁元素和氧元素的交汇处的深度作为氧化层的厚度。

2.2.1 退火温度的影响

由表3～5可知，在保温时间90 s,退火温度780、830、850 ℃条件下，试验钢表面氧化层的厚度变化不大，在20 nm左右。

由表3可知，当退火温度为780 ℃时，试验钢板表面主要为锰和硼元素，这说明锰和硼在试验钢表面偏聚、富集；随着深度增大，锰和硼含量先急剧降低，而后硼含量随着深度的增大基本不变，锰含量在深度为40 nm处降到最低，然后又会随着深度的增大而逐渐增加，并趋于温度；铝含量的峰值出现在氧化层与试验钢基体界面位置，说明铝的氧化物主要存在于氧化层与基界面位置；磷元素主要在表面偏聚，随着深度的增大磷含量急剧降低，从界面往后，基本保持稳定；硅元素在表面只存在极少量的富集，随着深度的增大,硅元素含量缓慢降低，从界面层往后基本不变。

表3　780 ℃下退火90 s后高强IF钢中各元素 GDOES分析结果(强度)Tab. 3　GDOES analysis results of elements in high strength IF steel after annealing at 780 ℃ for 90 s (intensity)

表4　830 ℃下退火90 s后高强IF钢中各元素 GDOES分析结果(强度)Tab. 4　GDOES analysis results of elements in high strength IF steel after annealing at 830 ℃ for 90 s (intensity)

表5　850 ℃下退火90 s后高强IF钢中各元素 GDOES分析结果(强度)Tab. 5　GDOES analysis results of elements in high strength IF steel after annealing at 850 ℃ for 90 s (intensity)

由表4可知，当退火温度为830 ℃时，氧化层表面仍以锰和硼的氧化物为主；磷仍在氧化层的表面发生偏聚，但其含量较780 ℃时有所下降；铝含量的峰值出现的位置较780 ℃时稍有提前，从氧化层与基体界面处向氧化层表面移动，逐渐形成外氧化的趋势，即铝的氧化物出现在氧化层表面；与780 ℃条件下退火相比，硅元素分布基本没有变化。随着深度的增加，锰、硼、磷、硅等元素的变化与780 ℃退火时基本一致。

由表5可知，当退火温度上升到850 ℃时，试验钢表面形成的氧化物主要以锰的氧化物为主，而硼含量则明显降低，且其峰值出现在氧化层与钢基体界面处，说明硼的氧化有从外氧化向内氧化的转变趋势；另外氧化层表面的磷含量明显增加，说明磷在850 ℃退火时有向表面偏聚加大的趋势；铝含量出现两个峰值，其中一个形成于氧化层中，而另一个形成于界面层以下的钢基体中，这说明在氧化层和钢基体中都存在铝的氧化物，而试验钢基体中出现铝含量峰值，说明铝的氧化物已经发生了内氧化；硅仍以很少量氧化物的形式存在于氧化层中。随着深度的增大，锰、硼、磷、硅等元素的变化与780 ℃退火时基本一致。

分析可知，退火温度的变化对磷、硅元素的影响不大。磷在上述三种退火温度下，都明显富集于表面，而在氧化层内部很少；而硅基本上存在于氧化层内部，表面含量很少，说明氧化层表面形成的硅的氧化物很少。退火温度的变化对锰、硼和铝的影响较大。随着退火温度的升高，锰含量先下降而后升高，硼含量则刚好相反，呈先升高而后降低的趋势。这可能与锰和硼向表面扩散的速率和在钢中的含量有关。在较低的退火温度下，锰可以实现表面富集，完成外氧化反应；而硼扩散到表面的速率较慢，而且硼在钢中的含量也较少，因此在较低的退火温度下，硼在氧化层表面的富集也较少，形成的硼氧化物较少。随着退火温度的升高，锰的外氧化进行到一定程度而减缓，硼的扩散速率则加快，因此表面硼含量随之增加，硼氧化物在表面快速形成。退火温度进一步升高，锰的氧化物颗粒逐渐增大，有的甚至连接成膜，阻碍了硼与氧的扩散过程，硼的氧化物减少。因此，高温退火条件下，形成的主要是锰的氧化物。

2.2.2 保温时间的影响

由表6可知，在850 ℃，30 s条件下退火后试验钢板的氧化层较薄，厚度为10～15 nm。锰含量最高值出现在表面附近，说明锰元素在试验钢表面发生富集；随着深度的增加，锰含量急剧降低，而后又会缓慢升高直至稳定不变，这说明锰在试验钢表面富集形成氧化物导致了表面附近的锰急剧减少，而后随着深度的增加，锰含量才接近于基体中的。只有很少量硼元素在表面富集，并且随深度的增大硼含量缓慢下降。磷元素主要集中于氧化层表面，在氧化层和基体界面处磷含量降到最低，但在基体内部也出现了一个富集区。铝含量最高值出现在氧化层中，氧化反应属于外氧化，随着深度的增大，铝含量先逐渐下降，后又逐渐升高直至稳定。硅元素仍只在氧化层表面极少量地富集，而后随深度的增大而缓慢降低。

表6　850 ℃下退火30 s后高强IF钢中各元素 GDOES分析结果(强度)Tab. 6　GDOES analysis results of elements in high strength IF steel after annealing at 850 ℃ for 30 s (intensity)

由表7可见，在850 ℃，60 s条件下退火后试验钢板氧化层的厚度为10 nm。与保温时间为30 s时相比，保温时间为60 s时锰元素在氧化层表面富集程度加剧，这说明退火过程中,保温时间的延长使表面锰的偏析量加大，形成更多锰的氧化物。随着深度的增大，锰含量先逐渐减小，而后又逐渐升高至稳定；而锰含量从最低值到达平衡值的深度范围比保温时间为30 s时的大，因为大量锰在表面富集，导致氧化层和基体界面附近的锰消耗严重，只有在更深的位置锰含量才能达到正常值。硼含量最高值出现在氧化层与钢基界面处，说明硼的氧化物从氧化层表面向更深的方向移动。磷元素的偏聚依然发生于氧化层的表面，其氧化物主要在氧化层的外层。磷含量在钢基体中没有出现第二个峰值，说明钢基体中没有出现磷的偏聚。铝在氧化层表面的富集程度明显增加，其产生的氧化物主要在氧化层中，发生的是外氧化。硅元素在表面偏聚程度与30 s时相比有所增加，随深度的增大，硅含量急剧减少直至平稳。

表7　850 ℃下退火60 s后高强IF钢中各元素 GDOES分析结果(强度)Tab. 7　GDOES analysis results of elements in high strength IF steel after annealing at 850 ℃ for 60 s (intensity)

由表8可知，在850 ℃，120 s条件下退火后，试验钢板氧化层的厚度为5～10 nm。当保温时间延长至120 s时，锰和磷含量随深度的变化规律与保温时间60 s条件下的变化规律基本一致。铝元素在氧化层表面仍发生明显的偏聚，这说明铝的氧化物主要在氧化层表面；但是，当深度达氧化层和基体界面以下时，铝又会出现一定的富集现象，这说明在基体中也形成了铝的氧化物，即发生了一定的内氧化。而硼含量最高值出现在氧化层与基体界面附近，并且富集程度较保温时间30 s和60 s时的更明显，而在界面以下硼含量降低更为缓慢,这说明随着保温时间的延长，硼的氧化物趋向于在更深的位置形成。硅元素在表面的偏聚强度和在氧化层中的下降趋势均与保温60 s时的相近，但在氧化层和基体界面以下的深度，硅含量在一定深度范围内基本保持不变，而后才缓慢下降。

表8　850 ℃下退火120 s后高强IF钢中各元素 GDOES分析结果(强度)Tab. 8　GDOES analysis results of elements in high strength IF steel after annealing at 850 ℃ for 120 s (intensity)

由以上分析可知，退火保温时间在30～120 s范围内，试验钢表面形成的氧化物主要以锰的氧化物为主，且随着保温时间延长，在表面偏析的量有增大趋势。硼元素在试验钢表面偏聚的量会减少，其氧化物形成的深度随保温时间的延长而有所增加。另外，铝在试验钢表面的偏聚量在长时保温条件下维持在较高的水平，并且随着保温时间的延长出现内氧化现象。

3　结论

(1) 退火后，高强IF钢氧化层表面以锰和硼的氧化物为主，磷氧化物也富集在氧化层表面，铝的氧化物主要在氧化层内部。

(2) 随着退火温度的升高和保温时间的延长，氧化层表面锰的氧化物增加，硼的氧化物减少，磷在表面的富集程度加大，铝的氧化物在钢基内部和氧化层中均有生成。

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Effects of Annealing Temperature and holding Time on Oxide Scale of High Strength IF Steel

WEI Wen-long, CHEN Bin-kai

(Beijing Gangyan Xinye Engineering Designing Co., Ltd., Beijing 100081, China)

Effects of annealing temperature and holding time on the oxide scale of high strength IF steel were studied by scanning electron microscopy (SEM) and glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES). The results show that the surface of oxide scale of high strength IF steel after annealing was mainly composed of Mn and B oxides. P oxides were enriched in the surface of oxide scale, Al oxides were mainly formed in the inside of oxides scale. With the increase of annealing temperature and holding time, Mn oxide increased but B oxide decreased in the surface of oxide scale, the enrichment of P increased, Al oxide generated in both the steel substrate and the oxide scale.

high strength IF steel; annealing temperature; holding time; oxide scale

10.11973/fsyfh-201608004

2015-05-08

北京市科技计划项目(D07010300700702)

魏文龙(1981-),工程师,硕士,从事热镀锌、连续退火工艺研究,13810695506,wwlbit@sohu.com

TG142.1

A

1005-748X(2016)08-0627-04