轧制压下量对Fe-8Al合金板材耐蚀性的影响

郭 炜,史 茜,钟庆东,赵启亮,张俊良

(上海大学 材料科学与工程学院 省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海 200072)

轧制压下量对Fe-8Al合金板材耐蚀性的影响

郭 炜,史 茜,钟庆东,赵启亮,张俊良

(上海大学 材料科学与工程学院 省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海 200072)

采用真空电磁感应熔炼制备了Fe-8Al合金，采用80%、70%、63%和50%轧制压下量制成合金板材，最后对4种Fe-8Al合金板材进行900 ℃退火保温10 min后水冷的热处理。采用扫描电子显微镜(SEM)，拉伸试验和电化学试验对4种Fe-8Al合金板材的性能进行分析。结果表明：随着轧制压下量的增大，Fe-8Al合金板的晶粒尺寸逐渐减小；轧制压下量为80%时Fe-8Al合金板材的综合力学性能最好；轧制压下量为63%时Fe-8Al合金在5%(质量分数)Na2SO4溶液中的耐蚀性最好。80%为Fe-8Al合金轧制工艺制度的最佳轧制压下量。

Fe-8Al合金；轧制工艺；显微组织；力学性能；电化学性能

近年来，轻量化、低排放、低成本与节能等是汽车制造工艺的重点研究方向。轻量化是提高汽车燃油经济性的有效手段，铝合金的密度较小，可以满足汽车轻量化的要求，因此铁铝合金作为新一代的汽车用钢替代材料具有广泛的应用前景。当铝的原子分数小于10%时，具有无间隙结构，使其具有类似于无间隙原子钢(IF钢)的优良深冲性能[1-2]。常用的铁铝合金有冷轧或热轧带材，其主要特点是电阻率高、硬度高，密度小(6.5～7.2 g/cm3)，抗振动和抗冲击性能良好。同时，由于原材料价格低廉，所以铁铝合金作为汽车用钢具有广阔的应用前景。

轧制是钢材最常用的生产方式，轧件由摩擦力拉进旋转轧辊之间，受到压缩进行塑性变形，通过轧制可使金属获得一定形状、尺寸和性能。在轧制过程中，影响材料塑性的因素很多，如轧制压下量、轧制压力、轧制温度、轧辊辊型等。对于冷轧试验钢，轧制压下量是一个重要的影响因素。Fe-8Al合金为Fe-Al铁素体钢，具有较好的塑性[3-6]。本工作研究了锻造加热轧开坯之后，Fe-8Al合金在900 ℃下退火并保温10 min后淬火工艺条件下，不同轧制压下量对Fe-8Al合金显微组织、力学性能和电化学性能的影响。

1 试验

1.1 试样

将工业用99.999 9%(质量分数，下同)纯铁和99.999 9 %纯铝按照设定的体系配比，采用真空电磁感应熔炼制备Fe-8Al合金。熔炼过程中用C元素控制真空电磁感应炉中O元素含量，添加一定量的Ti元素进行精炼，Ti元素可以固定C、N等元素，形成碳化物、氮化物，以形成Fe-Al无间隙原子结构[7-9]。精炼一定时间之后，将熔化得到的液体进行浇注，冷却后得到Fe-8Al合金铸锭，其化学成分为：wAl7.81%,wC0.007 2%,wMn0.012%,wP0.006,wS0.000 5,wN0.002,余量为Fe。

铸锭冷却后去除表面氧化皮，经过热轧三道次得到厚度为4.2 mm的板材，终轧温度为900 ℃，空冷至85 ℃时进行酸洗，然后室温冷轧至0.87 mm、1.3 mm、1.6 mm、2.1 mm等4个目标厚度，即4种板材的轧制压下量分别为80%(A)、70%(B)、63%(C)和50%(D)。采用马弗炉对4种板材进行热处理，工艺为900 ℃下退火10 min后，水冷后备用。

1.2 试验方法

1.2.1 形貌表征

沿轧制方向切取试样，尺寸为1 cm×1 cm，将试样用水磨砂纸(240～2 000号)逐级打磨至镜面光亮，吹干后用8%(体积分数,下同)硝酸酒精和过量的苦味酸浸蚀。

用LEICA MICROSYSTENS DM6000M金相显微镜(OM)观察4种试样的金相组织和形貌。采用HITACHI SU-1500扫描电镜(SEM)、色散能谱(EDS)等方法研究其凝固组织的断口微观形貌、合金的化学成分分布和偏析情况。

1.2.2 力学试验

按照国家标准GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验第1部分:室温试验方法》切取拉伸非标准试样(试样总长32 mm，柄部宽4.2 mm，平行段长度为22 mm)，每种板材制备3个平行试样。用1 000号砂纸打磨，去除拉伸试样平行段表面及侧面氧化层。

常温状态下，在空气中利用Instron5848型微型拉伸仪进行拉伸试验，初始应变速率为2×10-3s-1，测量拉伸试样的流变应力和试样拉断时的延伸率。

1.2.3 电化学试验

电化学试验用试样的尺寸为1 cm×1 cm，试样工作面用水磨砂纸(240～2 000号)逐级打磨至镜面光亮，非工作面用环氧树脂封装后制成工作电极，将工作电极置于丙酮中超声清洗去除表面残余物，再用酒精和去离子水先后清洗后待用。电化学试验在CHI660C电化学工作站完成，采用三电极体系，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，工作电极为试样。考察4种Fe-8Al合金试样在5%(质量分数，下同)Na2SO4溶液中的电化学阻抗谱，频率为10-2～105Hz，利用ZSimpWin软件对阻抗谱进行等效电路拟合分析。

2 结果与讨论

2.1 显微组织

由图1可见，轧制压下量越大，合金再结晶的晶粒越小。这是因为压下量越大，材料受到的轧制力越大，组织形变越大，组织越均匀。

(a) 80% (b) 70%

(c) 63% (d) 50%图1 采用不同轧制压下量制备的Fe-8Al合金的微观形貌Fig. 1 Micro-morphology of Fe-8Al alloy prepared by different rolling reductions

金属的变形程度是表征材料变形前与变形后形状变化大小的参数，即材料变形量的大小，是决定再结晶温度的重要因素之一。金属的变形量越大，金属中的存储能越多，再结晶的温度越低，但当变形程度增加到一定数值后，再结晶的温度趋于稳定值。另外形变金属的晶粒越细小，单位体积内晶界总面积越大，位错在晶界附近塞积，导致晶格强烈扭曲的区域也越大，可以提供再结晶形核的场所越多，其再结晶温度也越低。

由图1可知，Fe-8Al合金试样的轧制压下量为63%及50%时，试样未发生完全再结晶仍存在带状的纤维组织，说明其再结晶温度高于900 ℃。且轧制压下量为63%的试样的带状组织明显宽于轧制压下量为50%的试样的。

Fe-8Al合金试样的形变越大，得到的晶粒越细小。在热处理过程中，轧制压下量越小，再结晶温度越高，在退火温度为900 ℃时，轧制压下量为63%及50%的Fe-8Al合金试样的变形量相对较小，未发生完全再结晶，仍存在带状的纤维组织。

2.2 力学性能

由表1和图2可知，轧制压下量为80%的Fe-8Al合金试样具有最好的力学性能，这是因为在900 ℃，轧制压下量为80%时Fe-8Al合金试样发生完全再结晶。由HALL-PETCH关系式可知：晶粒越细小，材料的屈服强度越大[10-11]。而轧制压下量为70%、63%、50%时Fe-8Al合金试样的断后伸长率相近，这是因为在900 ℃退火并保温10 min热处理得到的材料未发生完全再结晶。材料中存在大量的未完全再结晶的带状纤维组织，纤维组织的存在大大降低了材料的塑性。由于存在宽大的带状纤维组织，轧制压下量为63%时Fe-8Al合金试样的断后伸长率低于轧制压下量为50%Fe-8Al的合金试样的。孙扬善等[9]研究轧制工艺对Fe3Al金属间化合物塑性的影响时指出，冷变形形成的条带状纤维组织越宽，材料的塑性越低，这与本试验得到的结果一致。

表1 采用不同轧制压下量制备的Fe-8Al合金的拉伸试验结果

图2 采用不同轧制压下量制备的Fe-8Al合金的应力-应变曲线Fig. 2 Stress and strain curves of Fe-8Al alloy prepared by different rolling reductions

晶粒细化提高了材料的塑性，材料的断裂强度见式(1)。

(1)

式中:a为断裂面间距的原子间距;γ为单位面积表面能;E为弹性模量。

在多晶体的同一体积内，晶粒越细小，晶粒数越多。在断裂过程中，晶粒由于外加切应力的作用，其位错源开动，产生大量位错。当这些位错滑移到晶界附近时塞积，引起应力集中，使得其周围晶粒的距离为a的位错源也开动。由弹性理论得出，在与长度为c的裂纹相距a处的应力集中为(c/a)1/2。此裂纹长度正比于塞积位错的数量，因而也就正比于晶粒的直径a(-1/2)。因此，晶粒越细，断裂前的塑性越高，材料的塑性越好。

由HALL-PETCH关系式可知，金属的屈服强度与晶粒大小有如下关系：

(2)

式中:σ0表示晶内变形阻力，相当于单晶体的屈服强度；Ky表示晶界性质；d表示晶粒直径的大小。

式(2)表明，材料的屈服强度与晶粒直径的平方根倒数成正比。在常规晶粒范围内，晶粒越细，屈服强度越高，多晶体的强度随着晶粒的细化而提高，这就是细晶强化的原理。综上所述，细化晶粒能同时提高材料的强度和塑性。

由图3可见，轧制压下量为80%时，Fe-8Al合金试样(A试样)的断口存在纤维区，断口下端有倾斜角(接近45°)且存在大量韧窝；而上端小部分类似平齐的断口，也有少量的韧窝存在，且A试样的断后伸长率达34%，因此可以判断A试样的断裂形式为韧性断裂。

材料按照裂纹扩展路径分类，可分为穿晶断裂和沿晶断裂。穿晶断裂可能是韧性断裂也可能是脆性断裂。而沿晶断裂则多是脆性断裂，少数为韧性断裂[12]。由图3还可见，轧制压下量为70%、63%、50%时，Fe-8Al合金试样以沿晶断裂为主，伴随少量等轴韧窝的沿晶韧性断裂形貌。

2.3 电化学性能

由图4可见，4种试样的电化学阻抗谱均呈现出一段畸变的圆弧，但其阻抗值有较大差异且表现出明显的规律，这与它们表面电荷的传递过程有关。由图4(a)可见，当轧制压下量由80%递减至63%时，Fe-8Al合金试样的圆弧半径逐渐增大，总阻抗逐渐增大，且在轧制压下量为63%的Fe-8Al合金试样的阻抗值最大，说明在该压下量下Fe-8Al合金试样的耐蚀性最好。

(a) 80% (b) 70%

(c) 63% (d) 50%图3 采用不同轧制压下量制备的Fe-8Al合金的断口形貌Fig. 3 Fracture morphology of Fe-8Al alloy prepared by different rolling reductions

(a) Nyquist图

(b) Bode图图4 采用不同轧制压下量制备的Fe-8Al合金的电化学阻抗谱Fig. 4 EIS of Fe-8Al alloy prepared by different rolling reductions

由图4(b)可见,4种Fe-8Al合金试样均有两个时间常数，利用ZSimpWin软件对样品的电化学阻抗谱进行等效电路分析，其等效电路如图5所示,相关电化学参数拟合结果见表2。其中Rct是能直接反应金属腐蚀速率的参数，Rct越大说明试样的腐蚀速率越低。

图5 电化学阻抗谱的等效电路图Fig. 5 Equivalent circuit of EIS

表2 采用不同轧制压下量制备的Fe-8Al合金在5% Na2SO4溶液中电化学阻抗谱的拟合值

由表2可见，随着Fe-8Al合金试样的轧制压下量由80%减小到63%，Rct逐渐增大，Cdl逐渐减小。结合图1可以发现，经过加热900 ℃保温10 min处理后，轧制压下量越小，得到的Fe-8Al合金试样存在未完全再结晶的带状纤维组织越多，而纤维组织的存在使得材料表面产生的钝化膜更加致密，耐蚀性由此得到一定提高[13]。此外，随着轧制压下量的减小，Fe-8Al合金试样的气孔、裂缝逐渐减少，晶界、活化点数和内部的储存能降低，试样的电化学活性降低，使Fe-8Al合金试样在5% Na2SO4溶液中耐蚀性提高，这与KOWALSKI等[14]的研究结果相似。随着轧制压下量由63%继续减小到50%，其Rct反而有所降低，这是由于当压下量为50%时，带状组织和细化的晶粒不规则分布，均匀性降低，从而导致Fe-8Al合金试样的耐蚀性降低。

综合分析各轧制压下量Fe-8Al合金试样的力学性能和耐蚀性可知：轧制压下量对材料的力学性能有较大影响，对材料耐蚀性的影响相对较小。其中,80%轧制压下量下制得的Fe-8Al试样合金的力学性能最好，断后伸长率最大(34%)。而采用63%轧制压下量制得的Fe-8Al合金试样的耐蚀性最好，电化学阻抗最大(3 485 Ω·cm2)，而其断后伸长率仅为17%，远低于采用80%轧制压下量制得的Fe-8Al合金试样的。综合考虑，选择80%为Fe-8Al合金轧制工艺制度的最佳轧制压下量。

3 结论

(1) Fe-8Al合金在900 ℃保温10 min后水冷的热处理工艺下，轧制压下量越大，其晶粒越细小，组织越均匀。

(2) 采用80%轧制压下量制得Fe-8Al合金具有最好的力学性能，断后伸长率、屈服强度及抗拉强度分别为34%、415 MPa、513 MPa。

(3) 当轧制压下量为63%～80%时，随着轧制压下量的减小，Fe-8Al合金在5% Na2SO4溶液中的耐蚀性逐渐提高；但当压下量减小到50%时，Fe-8Al合金的耐蚀性降低。

(4) 轧制压下量为80%时，制得Fe-8Al合金试样的力学性能最佳，且其耐蚀性优异，故Fe-8Al合金轧制工艺制度的最佳轧制压下量为80%。

[1] 何昌德，杨普新. 轻量化材料及加工技术在现代汽车上的发展与应用[J]. 装备制造技术,2011(2):93-96.

[2] 刘青. 汽车轻量化设计的技术路线分析[J]. 客车技术与研究,2011(6):28-30.

[3] ZHAO M,YOSHIMI K,MARUYAMA K,et al. Thermal vacancy behavior analysis through thermal expansion,pattice parameter and elastic modules measurements of B2-type FeAl[J]. Acta Materialia,2014,64(1):382-390.

[4] REDDY B V,DEEVI S C. Thermo-physical properties of FeAl(Fe-40at%Al)[J]. Intermetallics,2000,8(12):1369-1376.

[5] GEDEVANISHVILI S,DEEVI S C. Process in iron aluminides by pressure less sintering through Fe+Al elemental route[J]. Mater Sic Eng,2002,325(1/2):163-176.

[6] CASTAN C,MONTHEILLET F,PERLADE A. Dynamic recrystallization mechansims of an Fe-8% Al low density steel under hot rolling condition[J]. Scripta Materialia,2013,68(6):360-364.

[7] KAI W,HUANG R T. The corrosion behavior of Fe-Al alloys in H2/H2S/H2O atmospheres at 700～900 ℃[J]. Oxidation of Metals,1997,48(1/2):59-86.

[8] HARAGUCHI T,YOSHIMI K,KATO H,et al. Determination of density and vacancy concentration in rapidly solidified FeAl ribbons[J]. Intermetallic,2003(11):707-711.

[9] 余新泉,孙扬善. Fe3Al基合金的条带晶粒组织和力学性能的关系[J]. 热加工工艺,1996(4):3-5.

[10] SURYANARAYANA C. Mechanical alloying and milling[J]. Prog Mater Sci,2001,46:1-184.

[11] BENJAMIN J S,VOLIN. The mechanism of meehanieal alloy[J]. Metalluicai Transactions,1974(5):1929-1933.

[12] PRAKASH U,SAUTHO G. Structure and properties of Fe-Al-Ti intermetallic alloys[J]. Intermetallics,2001,9(2):107-122.

[14] KOWALSKI K,LOSIEWICZ B. Effect of alloying on corrosion resistance of B2 FeAl alloy in aqueous solution of sulfuric acid[J]. Material Chemistry and Physics,2011,126(1/2):314-318.

Effect of Rolling Reduction on the Corrosion Resistance of Fe-8Al Alloy Sheets

GUO Wei, SHI Xi, ZHONG Qingdong, ZHAO Qiliang, ZHANG Junliang

(State Key Laboratory of Advanced Special Steels, School of Materials Science and Engineering, Shanghai University,Shanghai 200072, China)

Fe-8Al alloy was prepared by vacuum induction melting. The alloy sheets were prepared by 70%, 63%, 50% and 80% rolling reduction, respectively, then the Fe-8Al alloy were treated at 900 ℃ for 10 minutes and water-cooled. SEM, tensile test and electrochemical test were used to investigate the properties of 4 Fe-8Al alloy sheets. The results showed that with the increase of rolling reduction, the material grain size decreased. Fe-Al alloy sample with a rolling reduction of 80% had the best comprehensive mechanical properties. Fe-Al alloy sample with a rolling reduction of 63% had the best corrosion resistance in 5% (mass) Na2SO4solution. The best rolling reduction for Fe-8Al alloy was 80%.

Fe-8Al alloy; rolling process; microstructure; mechanical property; electrochemical performance

10.11973/fsyfh-201705012

2015-11-26

南通市产学研协同创新计划项目(BC2014010)

钟庆东(1969-)，教授，博士生导师，从事材料腐蚀与防护研究，13391312191，qdzhong@shu.edu.cn

TG174

A

1005-748X(2017)05-0372-05