变形对330 MPa级热轧搪瓷钢组织和储氢性能的影响

刘 欣

（宝钢股份研究院梅钢技术中心，江苏南京 210012）

搪瓷用钢涂搪后外形美观、质感细腻、色彩丰富，耐腐蚀、易洗涤，已被广泛应用于日常厨房用品、家电产品、建筑装饰搪瓷面板和一些大型管道等重要场合［1-4］。鳞爆是搪瓷制品最严重也是最常见的缺陷之一，如何控制鳞爆的发生，是搪瓷行业永恒的话题［5-6］。鳞爆的发生与钢板的储氢性能密切相关，钢板的储氢性能越好，搪瓷后发生鳞爆的概率越小。在搪瓷钢的实际使用过程中，如电热水器内胆，需将钢板加工变形后再进行搪瓷，这对搪瓷钢成形后的储氢性能提出了更高的要求。因此，本文对拉伸变形量不同的搪瓷钢进行搪烧，研究了搪烧前后钢的显微组织及储氢性能变化。

1 试验材料及方法

试验选取330 MPa级热轧酸洗搪瓷钢为研究对象，其化学成分如表1所示。

表1 试验钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of the test steel（mass fraction） %

采用拉伸机进行单向拉伸试验，变形量分别为0、1%、4%、7%、10%。拉伸后试样分为两份：一份用500号砂纸打磨表面，进行储氢性能测试；另一份进行搪烧（温度850℃，保温10 min，空冷），搪烧后去除表面搪瓷层，再用500号砂纸打磨表面，进行储氢性能测试。

采用Fe-HP-12型金属氢渗透性能测试仪进行电化学氢渗透试验，记录氢穿透钢板过程的电流-时间（I-t）曲线，并对数据进行归一化处理。归一化氢渗透通量J／J∞为0.096，对应的时间为钢板的氢穿透时间tb（min），tb除以相对厚度d（mm）的平方得1 mm厚钢板的氢穿透时间，即tTH＝tb／d2，单位min／mm2。tTH值表示钢板储氢性能的大小，tTH值越大，钢板的储氢性能越好，试样越不容易发生鳞爆［6］。

采用光学显微镜观察试验钢搪烧前后的显微组织，并用扫描电子显微镜观察珠光体片层结构。

2 试验结果与讨论

2.1 储氢性能

通过储氢性能判断钢板的抗鳞爆性能。有研究表明［7］，为有效防止鳞爆，搪烧前的tTH值应大于6.7 min／mm2，该氢渗透试验是参照欧洲标准EN10209—2013进行的。EN10209氢渗透试验采用H2SO4和As2O3作为充氢溶液，但As2O3有剧毒，不适合日常实验室使用。本文采用NaOH和Na2S溶液作为充氢溶液，根据以往经验得出，热轧钢板搪烧前tTH值不小于3 min／mm2，搪烧后tTH值不小于0.9 min／mm2，可满足抗鳞爆性能的要求，即可湿法涂搪获得良好的抗鳞爆性能。

热轧酸洗原板和不同变形量拉伸试样搪烧前后的储氢性能（tTH）计算结果如表2所示。表中可见，搪烧前变形量为0时，（未变形）试样的tTH值为6.61 min／mm2；变形量为1% 时，试样的tTH值增加至9.62 min／mm2；变形量为4% 时，tTH值增加至20.78 min／mm2；变形量为7% 时，tTH值增加至28.12 min／mm2；变形量增加到10%时，tTH值增加不明显。搪烧后，钢板的储氢性能显著降低，未变形试样的tTH值仅为0.99 min／mm2；随着变形量的增加，试样的储氢性能缓慢提高，当变形量为10%时，tTH值达到最大，为1.22 min／mm2。试验钢搪烧前后均满足抗鳞爆性能的要求。

表2 热轧酸洗原板和不同变形量拉伸试样搪烧前后的储氢性能（tTH）Table 2 Hydrogen storage capacity of the hot-rolled pickling plate and tensile samples with different deformations before and after enameling and burning （tTH）

2.2 显微组织

热轧酸洗原板和不同变形量拉伸试样搪烧前后的显微组织如图1所示。可见试样显微组织为铁素体和少量珠光体，晶粒细小、均匀，拉伸变形后晶粒被拉长。搪烧后晶粒长大不明显，珠光体含量明显减少；随着变形量从0增加到10%，晶粒尺寸从约12 μm减小到约7 μm，晶粒逐渐细化。

图1 热轧酸洗原板和不同变形量拉伸试样搪烧前后的显微组织Fig.1 Microstructures of the hot-rolled pickling plate and tensile samples with different deformations before and after enameling and burning

试验钢的搪烧温度为850℃，处于A1和A3相变温度之间，达到了再结晶温度。搪烧过程是钢回复再结晶的过程，出现了珠光体回溶，冷却后珠光体未能充分析出，过饱和固溶在铁素体中，所以试验钢搪烧后珠光体含量减少。

试验钢搪烧后晶粒长大不明显，主要是由于钢中大量弥散的第二相粒子TiC、TiN等对晶界的钉扎作用，阻碍了搪烧过程中晶粒长大，使晶粒细化。固溶的Mn能抑制回复并阻碍再结晶晶粒长大，细化晶粒；拉伸变形使钢中位错密度、微裂纹和微孔洞等缺陷增多，为搪烧过程晶粒提供了更多的形核点，且变形量越大，形变储能越大，再结晶形核驱动力越大，导致试验钢搪烧后随着变形量的增加晶粒细化。

2.3 第二相粒子

封治民等［8］通过在搪瓷用钢中添加质量分数为0.28%的Ti，调整Ti／C质量比来提高钢板的抗鳞爆性能，发现钢板的抗鳞爆性能随着Ti／C质量比的增大而提高。本文试验钢中添加了质量分数为0.04%的Ti元素，通过Ti和N结合生成Ti的氮化物增加钢中的氢陷阱数量，以提高钢板的抗鳞爆性能［8-10］。图2为试验钢中析出相及其能谱分析。可见第二相粒子尺寸为0.1～1.0 μm，主要含Ti和N 元素及少量C元素。由于析出相尺寸较小，能谱仅出现了Fe元素的特征峰，可以判断第二相粒子为Ti的氮化物。Ti元素在钢中形成了细小、弥散的第二相粒子，第二相粒子是氢的不可逆陷阱，从而提高了钢板的抗鳞爆性能。

图2 热轧板中第二相粒子形貌（a）及能谱分析（b）Fig.2 Morphology（a）and energy spectrum analysis（b）of the second phase particles in the hot-rolled plate

3 结果与讨论

不同变形量拉伸试样的珠光体形貌如图3所示。图3（a）是未变形试样的珠光体，由渗碳体和铁素体组成，片层完整。当拉伸变形量增加至1%时，位错密度增加［10］。位错是氢的可逆陷阱，钢板的储氢性能提高，TH值增大。随着拉伸变形量的增加，珠光体内渗碳体片层开始出现细小的显微裂纹，变形量增加到4%时，渗碳体片层出现变形拉断（图3（b））；变形量增加到7%时，珠光体变形更加明显，渗碳体片层断裂，并在晶界等处出现孔洞等缺陷（图3（c））。微裂纹、孔洞等缺陷是钢的不可逆氢陷阱，使钢板的储氢性能显著提高。当变形量为10%时，珠光体的变形已达到极限，新的氢陷阱较少，钢板TH值的增量减小。

图3 不同变形量拉伸试样中珠光体形貌Fig.3 Morphologies of pearlite in the tensile samples with different deformations

关于试验钢搪烧后的储氢性能，Takahashi等研究发现（半）共格的Ti（C，N）析出粒子与铁素体基体的相界面是低温下主要的不可逆氢陷阱［11］，在高温（850℃）搪烧过程中第二相粒子大量回溶导致其数量降低，即氢陷阱大幅度减少，造成试验钢搪烧后的TH值大幅度减小。晶界是氢陷阱的一种，细晶使试验钢的氢陷阱数量增加，所以拉伸变形量越大，钢板搪烧后晶粒越细，储氢性能也越好。

4 结论

（1）330 MPa级热轧搪瓷钢采用加Ti成分设计，钢中形成了弥散分布的第二相粒子TiN，钢板的抗鳞爆性能提高。拉伸变形后，钢中位错、显微裂纹、孔洞等氢陷阱数量增多，储氢性能显著提高。

（2）不同变形量的试验钢搪烧后，由于变形导致形核点增加和第二相粒子TiN等对晶界的钉扎作用，晶粒长大不明显，且随着拉伸变形量的增加，晶粒细化。

（3）拉伸变形对提高搪瓷钢的储氢性能有利，且拉伸变形量越大，搪烧后钢板的储氢性能越好。