吐丝温度对高硅焊丝钢氧化皮结构及剥离性的影响

郭慧英 张亚运 王 纳 张 宇

(江苏省(沙钢)钢铁研究院，江苏 张家港 215625)

ER70S- 6焊丝钢盘条是制作二氧化碳气保焊丝的主要原料，广泛应用于桥梁、船舶、车辆制造及工程机械等领域的焊接，是典型的高硅焊丝钢。随着下游焊丝生产企业环保压力的增大，目前主要采用机械折弯+砂带打磨的方式代替酸洗工艺去除盘条表面氧化铁皮。与高碳钢机械剥壳工艺相比，尽管在机械折弯后增加一道砂带打磨工序，该钢种在机械剥壳后仍会出现局部氧化皮去除不净导致的基体表面发黑，成品焊丝表面镀铜不均匀的问题，严重影响其焊接工艺性能[1]。

已有研究表明，热轧带钢表面氧化皮的组分、厚度及结构等会影响其剥离性能，而氧化皮的结构一方面受钢中合金元素的种类及含量的影响[2- 3]，另一方面受轧制工艺的影响[4- 5]。如含Si钢在共晶化合物Fe2SiO4/FeO熔点以上加热时，该化合物深嵌入基体导致板坯除磷困难[6]。随着盘条轧制和吐丝温度的升高，盘条氧化铁皮的FeO含量不断升高，氧化铁皮厚度不断增加，盘条的铁皮机械除鳞性不断改善[7]。陈革等[8]研究了高碳钢盘条热轧时氧化皮生成过程中的压应力与氧化皮内表面皱褶的关系，并提出了减小皱褶界面起伏的高度，增大起伏的长度可提高氧化皮的剥离性能。付松岳等[9]提出适当提高高碳钢轧制过程中的高温氧化温度，延长氧化时间，并降低600 ℃以下冷却速度，提高Fe3O4的生成量，均可提高盘条氧化铁皮的机械剥离性。朱传清[10]通过优化钢坯加热工艺及控冷工艺，使盘条表面氧化皮厚度及结构得到改善，解决了氧化皮去除不净的问题。

由于高碳钢盘条主要采用机械剥壳法去除氧化皮，因此相关的研究报道较多。而高硅焊丝钢盘条以前主要采用酸洗法去除氧化皮，近两年随着环保压力的增加，下游企业才逐步采用机械剥壳法代替酸洗法，故相关的免酸洗焊丝钢盘条的研究报道较少。由于焊丝钢成分可调范围有限，为满足下游客户需求，本文研究了轧制过程中吐丝温度对ER70S- 6盘条氧化皮结构及机械剥离性的影响，以进一步改善盘条表面氧化皮的机械剥离性能。

1 试验材料及方法

ER70S- 6焊丝钢的化学成分(质量分数，%)为0.08C，0.84Si，1.45Mn，0.015P，0.013S，其余为铁。其生产工艺为采用180 t转炉冶炼，经钢包精炼后浇铸成140 mm×140 mm的小方坯，然后在高线车间经斯太尔摩缓冷工艺轧制成φ5.5 mm盘条。轧制时坯料加热温度为1 040～1 080 ℃，除磷水压为15～18 MPa，开轧温度为960～1 000 ℃，斯太尔摩辊道入口段速度为0.2 m/s，保温罩全关，确保盘条冷却速度小于1 ℃/s，吐丝温度分别为840、880和920 ℃，编为工艺1、2、3。其中，工艺1为常规工艺，采用酸洗法可将盘条表面氧化皮除净，但采用机械剥壳法难以除净，拉拔丝及成品焊丝表面发黑。工艺2和工艺3的吐丝温度逐渐提高，期望通过延长盘条轧制后的高温停留时间，改善氧化皮的结构及厚度，以提高氧化皮的机械剥离性。

试样经镶嵌、磨抛后采用EVO 18型扫描电镜(ZEISS)观察氧化皮的形貌；采用Zeiss Sigma 500场发射扫描电镜的电子背散射衍射(EBSD)面分析技术观察氧化皮的物相组成，加速电压为20 kV，扫描步长为40 nm，扫描速度为331 点/s，测量点数为776 × 406。采用扭转试验评价氧化皮的机械剥离性能，盘条长度240 mm，在扭转试验机上扭转360°后观察剥离后的氧化皮形态；对扭转前后的盘条称重，得到剥落的氧化皮质量；采用EVO- 18扫描电镜(ZEISS)观察盘条上残留氧化皮形貌，采用D/MAX 2500 X射线衍射仪分析剥落氧化皮的物相组成，旋转阳极靶材料为Cu，管电压为40 kV，管电流为150 mA，连续扫描速度为2(°)/min，扫描角度范围为10°～90°。

2 结果分析与讨论

2.1 氧化皮的形貌及物相组成

采用工艺1～3轧制的盘条表面氧化皮的横截面形貌见图1。由图可知：(1)与常规碳钢热轧后仅有3层物相结构的氧化皮不同[11]，试验3种工艺轧制得到的氧化皮均含4层结构，从基体侧向外依次定义为最外层、次外层、中间层和最内层；(2)工艺1和工艺2的最外层氧化皮均较疏松，工艺3的氧化皮最外层与次外层结合较致密；(3)工艺1的氧化皮总厚度为7.1～7.4 μm，中间层氧化皮的厚度比例较小，工艺2的氧化皮总厚度为8.7～10.4 μm，中间层的厚度比例显著增加，工艺3的氧化皮总厚度为12.1～13.8 μm，中间层的厚度比例增加至50%。

现有文献对高硅钢高温阶段形成的氧化皮的相结构报道较多[12- 13]，因高温下生成的氧化皮总厚度可达200 μm以上，相应各层氧化皮的厚度较厚，采用电子探针及电子背散射衍射相分析技术可标定出氧化皮各层的相结构，而热轧盘条表面的三次氧化皮是在轧制结束后的冷却过程中形成的，其形成温度一般低于950 ℃，且高温停留时间短，因此氧化皮的总厚度一般小于20 μm，且氧化皮较疏松，受探头分辨率限制，采用常规的电子探针及电子背散射衍射相分析技术难以准确标定氧化皮各层的相结构。本文3种工艺条件下获得的氧化皮均较薄，最厚的仅13 μm，其中最内层的厚度仅1 μm，因此检测难度较大。

采用高分辨率的Symmetry EBSD探头，利用电子背散射衍射(EBSD)技术做进一步分析。图2为工艺3氧化皮的菊池带取向衬度图及EBSD标定的相组成图。根据标定结果，氧化皮的4层结构从基体侧向外依次为Fe2SiO4、Fe1- xO、Fe3O4和Fe2O3层，与高硅钢长时间高温氧化得到的氧化皮不同，最内层未发现FeO/Fe2SiO4的共晶结构，仅含有Fe2SiO4，FeO与Fe3O4层具有明显的界限，但最外层与次外层的界限不明显。

由于部分区域氧化皮较疏松，导致菊池带质量较差(图2a最外层与次外层结合处及最内层与中间层结合处)，使得相应位置的物相标定率较低(图2b)。此外，由于工艺1和工艺2的氧化皮各层厚度相对较薄，其物相标定率相比工艺3更低。

图1 3种工艺轧制得到的盘条表面氧化皮的横截面形貌Fig.1 Cross- sectional morphologies of the oxide scale on the surface of wire rod produced by three rolling processes

图2 工艺3氧化皮的EBSD分析结果Fig.2 EBSD maps of the oxide scale obtained by process 3

2.2 吐丝温度对表面氧化皮的影响

由图1可知，在不同吐丝温度下获得的氧化皮总厚度及各物相比例明显不同，随着吐丝温度从840 ℃升高至920 ℃，氧化皮总厚度从7 μm左右增加至13 μm，中间层Fe1-xO的比例增加至50%。由于钢的高温氧化行为主要通过Fe和O的扩散进行，其扩散系数D遵循Arrhenius定律，即D=D0exp (-Q/RT)，式中：D0为扩散常数，Q为扩散激活能，R为气体常数，T为热力学温度。由此可以看出，吐丝温度越高，Fe和O的扩散速率越快，从而促进了盘条表面的氧化，导致氧化皮总厚度增加。此外，由于Fe1-xO的缺陷浓度远大于Fe3O4和Fe2O3，Fe在Fe1-xO中的扩散速率比在Fe3O4和Fe2O3中高[14]，因此随着吐丝温度的升高，Fe1-xO层厚的增加速率大于Fe3O4和Fe2O3层，从而使Fe1-xO层厚度比例增加。

2.3 氧化皮的剥离性评价

采用扭转试验评价氧化皮的机械剥离性能，图3为盘条扭转试验后表面氧化皮的剥离效果，由图可知，工艺1氧化皮剥离较少，剥落的氧化皮呈粉末状，盘条表面呈灰黑色；工艺2氧化皮剥离量较工艺1明显增加，剥落的氧化皮呈粉末状和块状，部分盘条表面呈灰白色；工艺3氧化皮剥离量最多，剥离的氧化皮呈块状和长条状，大部分盘条表面呈灰白色。由此可以看出，随着吐丝温度从840 ℃升高至920 ℃，氧化皮剥离形态由粉末状逐渐转变为块状和长条状，氧化皮残留量逐渐减少，表明提高吐丝温度可以改善盘条表面氧化皮剥离性。研究表明[15]，剥落的氧化皮尺寸与氧化皮厚度呈正相关，氧化皮厚度越大，其强度则越高，能够在剥离过程中承受更大的剪切应力而不断裂，使裂纹在剥离过程中更易在结合面产生，以较大的块状形式剥落。工艺3氧化皮的总厚度相比工艺1增加了60%以上，氧化皮的剥离性明显提高。

通过对扭转前后的盘条称重，得到工艺1～3剥落的氧化皮质量分别为0.272 9、0.540 2和0.993 3 g，表明吐丝温度越高，剥落的氧化皮越多，一方面由于吐丝温度升高后生成的氧化皮厚度增加，另一方面由于剥落的氧化皮比例增加。

图3 试验盘条机械扭转试验后氧化皮的剥离效果Fig.3 Descaling property of the oxide scale on the tested wire rods after mechanical twisting

图4为扫描电镜下观察的盘条表面氧化皮的剥离情况，由图4(a)可知，工艺1盘条表面氧化皮残留较多，其中位置1处氧化皮无剥落，位置2处最外层氧化皮剥落，两处的EDS能谱分析结果分别见图5(a)和5(b)，主要含有O和Fe元素。表明吐丝温度为840 ℃时，仅有少量氧化皮从基体结合面剥落，最外层Fe2O3中的裂纹虽较多，但其疏松的结构导致与次外层结合强度不足，使裂纹不能穿透该层而到达Fe3O4层，故剥落物主要是最外层氧化皮；由图4(b)可知，工艺2盘条表面氧化皮残留面积分数小于50%，表明氧化皮强度比工艺1的高，未剥落的氧化皮与工艺1盘条的相似；由图4(c)可知，工艺3盘条表面基本无最外层氧化皮残留，位置3和4处的EDS能谱分析结果分别见图5(c)和5(d)，其中位置3的Si含量远高于基体中Si含量，表明该处残留Fe2SiO4层，而位置4的Si含量略高于基体中Si含量，结合能谱的半定量特性，表明该处为盘条基体，氧化皮基本无残留。综上所述，吐丝温度为920 ℃时，氧化皮剥离较彻底，但局部Fe2SiO4与基体的粘附力较强，难以完全剥离。

图4 试验盘条扭转试验后表面形貌Fig.4 Surface morphologies of the tested wire rods after mechanical twisting

图5 试验盘条表面氧化皮的能谱分析结果Fig.5 EDS analysis results of oxide scale on the tested wire rods surface

将工艺3盘条剥落的氧化皮研磨成粉末后进行XRD衍射分析，结果如图6所示，可见剥落氧化皮的主要物相为FeO、Fe3O4和Fe2O3。衍射谱图中未发现Fe2SiO4相，一方面由于氧化皮中Fe2SiO4层的厚度比例较小，另一方面由于剥落的Fe2SiO4相对较少，未达到衍射仪可识别的含量。

图6 工艺3氧化皮的XRD图谱Fig.6 XRD pattern of oxide scale produced by process 3

3 结论

(1)高硅焊丝钢盘条轧制后形成的氧化皮从基体侧向外依次为Fe2SiO4、Fe1- xO、Fe3O4和Fe2O3层，与高硅钢长时间高温氧化得到的氧化皮不同，最内层未发现FeO/Fe2SiO4的共晶结构，仅含有Fe2SiO4，FeO与Fe3O4层具有明显的界限，但最外层与次外层的界限不明显。

(2)不同吐丝温度下获得的氧化皮总厚度及物相比例明显不同，当吐丝温度从840 ℃升高至920 ℃时，氧化皮总厚度从约7 μm增加至13 μm，中间层Fe1- xO的厚度比例增加至50%。氧化皮剥离形态由粉末状逐渐转变为块状和长条状，盘条表面氧化皮残留量逐渐减少，剥落氧化皮质量显著增加，表明提高吐丝温度可改善盘条表面氧化皮剥离性。

(3)采用工艺3已生产了10万余t ER70S- 6焊丝钢，焊丝表面镀铜层均匀，基本无发黑现象。