硅含量对焊接用钢氧化铁皮结构和厚度的影响

2021-11-11侯建伟崔贵博亓奉友

山东冶金 2021年5期

侯建伟，唐庆，崔贵博，亓奉友，董强

（青岛特殊钢铁有限公司，山东青岛266409）

1 前言

硅是焊接用钢中最常用的脱氧元素，可在熔池中还原FeO，防止铁与氧的结合，还可以增加熔敷金属的流动性及焊丝的抗锈蚀性，因此，一般焊接用钢中均会添加硅元素。焊丝的制备一般是通过焊接用钢热轧盘条拉拔而来，在拉拔前需要去除盘条表面的氧化铁皮。焊接用钢中添加较高含量的硅元素，易导致热轧盘条表面的氧化铁皮嵌入基体中。目前大部分用户采用机械剥壳联合砂带除锈的方式去除铁皮，铁皮嵌入基体后难以通过机械剥离方式去除，在拉拔时刮伤模具和钢丝表面，使润滑效果下降，影响拉丝模寿命，严重时会引起断丝。因此，减轻硅元素对氧化铁皮嵌入基体的影响，提高机械除鳞效果，改善后续工序加工性能，具有重要的意义。

2 试验材料和方法

低合金钢氧化皮生成的基本规律：当氧扩散进入基体时，合金元素按照与氧结合能力的先后顺序依次被氧化，Si 和 Mn 与 O 的结合能力比 Fe 强，因此优先被氧化，而Si 生成的氧化物难溶于Fe 的氧化物中，因而在氧化皮/基体界面上富集，Mn 的氧化物可与Fe 的氧化物互溶，故未在氧化皮中富集［1］，对盘条氧化铁皮的结构和厚度影响较小，与Si 元素相比，对盘条氧化铁皮结构的厚度的影响可忽略不计。

试验选取青岛特殊钢铁有限公司（简称青岛特钢）焊接用钢盘条H08Mn、EH12K 等盘条，主要化学成分见表1。试验盘条轧制均采用850 ℃的吐丝温度，全过程盖保温罩缓冷工艺生产。对试验盘条采用4%硝酸酒精溶液作为腐蚀剂，利用Quanta200型扫描电镜、德国ZEISS ImagerA1m 型显微镜对氧化皮形貌结构和厚度进行观察和测量。

表1 H08Mn、EM12K等焊接用钢盘条的化学成分（质量分数） %

3 试验及分析

3.1 氧化铁皮生成机理和Fe2SiO4对基体/氧化皮界面的影响

一般来说，焊接用钢铸坯轧制过程中的氧化铁皮分为3种。铸坯加热过程中，钢坯高温下与氧接触，表面形成一层很厚的氧化铁皮，称为一次氧化铁皮。在粗中轧区域，钢坯温度超过900 ℃，表面仍继续氧化，生成二次氧化铁皮。随后，进入精轧机和减定径区域，温度在900 ℃左右，生成三次氧化铁皮。目前焊接用钢盘条一般采用缓冷工艺生产，在随后的斯太尔摩缓冷线冷却过程中，三次氧化铁皮进一步生长并发生结构的转变。因此，三次氧化铁皮影响盘条表面最终的氧化皮厚度，具体情况见图1。

图1 铁氧系相图

盘条表面的氧化铁皮由 Fe2O3、Fe3O4、Fe1-yO 三种物相组成。氧化铁皮中包含：先共析Fe3O4、共析组织各相Fe3O4/Fe和残余Fe1-yO等组织，SiO2与FeO相图见图2，盘条氧化铁皮分层结构见图3。

图2 SiO2与FeO相图

图3 氧化皮分层结构

从图2和图3看出，FeO/SiO2共晶产物－Fe2SiO4在Fe1-xO中溶解度较低，不断在基体/氧化皮界面析出，在氧化皮生长过程中，逐渐积累。Fe2SiO4和SiO2对Fe2+扩散有阻碍作用，且Fe2SiO4越致密阻碍作用越明显［2］。氧化皮生长过程中，Fe2SiO4向内扩散和Fe2+向外迁移是相互竞争模式。

3.2 试验结果

通过对青岛特钢生产的H08Mn、EM12K 等焊接用钢盘条进行金相检测，盘条表面氧化铁皮形貌如图4所示。

图4 盘条氧化铁皮形貌 1 000×

从图4中对比可以看出，发现不同硅元素含量对盘条氧化铁皮的结构和形貌均产生较大影响，随着Si 含量的提高，盘条氧化铁皮总厚度逐渐减薄，但铁皮嵌入基体深度逐渐增加，具体数据见表2。

表2 不同Si含量焊接用钢盘条氧化铁皮厚度和铁皮嵌入基体深度

3.3 分析讨论

H08Mn中基本不含Si元素，盘条的氧化铁皮厚度在30 μm 左右，且氧化皮/基体界面较平整，氧化皮明显分为3 层结构，但随着Si 含量的提高，盘条表面形成一定面积的SiO2薄膜，阻碍氧元素向基体扩算，进而使盘条氧化皮的厚度逐渐变薄，当Si 含量达到ER50-6E的0.85%时，盘条的氧化铁皮厚度＜10 μm。

EH12K 中的Si 含量达到0.35%，盘条基体表面开始形成不规则的FeO/Fe2SiO4相，氧化皮/基体界面凹凸化，界面绝对长度增加；Si含量进一步增加，ER70S-3A（Si 为0.60%）盘条表面的氧化皮内部有裂纹及孔洞存在，根据 Fe、O 相图和 SiO2与 FeO 相图分析，在Fe1-yO 铁皮层中析出先共析Fe3O4，使铁皮层内出现裂纹和孔洞。

对氧化铁皮锚状嵌入基体状况进行扫描电镜和能谱分析，发现在氧化铁皮锚状嵌入位置，存在Fe2SiO4将FeO 晶粒包裹的现象，具体情况见图5、图6。

图5 锚状形貌

图6 Fe2SiO4将FeO晶粒包裹

与 H08Mn 钢相比，ER50-6E 钢中 Si 的质量分数从0.01%增加到0.85%，内层氧化皮与基体间出现明显的富Si层，氧化铁皮由三层结构变为四层结构，靠近基体位置出现FeO/Fe2SiO4相，且在Fe1-yO铁皮层中出现先共析Fe3O4相（图7、图8）。

图7 H08Mn氧化铁皮分层结构 1 000×

图8 ER50-6E氧化铁皮分层结构 1 000×

总体来看，氧化铁皮的生成依靠铁原子的扩散，而Si 元素并不跟随铁原子共同迁移，经过长时间的氧化后，Si元素参与基体和氧化皮交界面的氧化反应，且在氧化皮中溶解度较低，从而在基体和氧化皮交界面处富集，在试样表面形成一定面积的膜状SiO2，则对该区域后续的内部氧化具有一定的抑制作用，这也是ER50-6E 较H08Mn 氧化皮厚度大幅降低的原因；反之，如果形成的是颗粒状的SiO2，则抑制作用明显减弱，并与后续氧化生成的Fe1-yO 结合呈尖晶石型 Fe2SiO4［3］。由于 Fe2SiO4在Fe1-yO溶解度低，在内层氧化皮析出，导致Fe2SiO4富集。所以，氧化初期SiO2的形态差异会导致不同区域后续内部氧化速率不同，使得最终形成的氧化皮/基体界面粗糙度较大。

焊接用钢盘条中适当添加一定的硅元素，有利于控制盘条中氧化铁皮的厚度，但Si 含量过高时，易在盘条表面形成氧化铁皮嵌入基体情况，下游拉丝厂家通过机械剥壳等方式难以将氧化铁皮去除。因此，在轧制高Si 焊接用钢时，需要采取相关措施对氧化铁皮的结构进行控制。