卷取温度和随后的冷却方式对65Mn钢板表面质量的影响

李 瑞 张亮亮 魏建波 滕文娟 龙佳明 程 洋 安瑞东

(1.首钢京唐钢铁联合有限责任公司 冷轧部,河北 唐山 063200; 2. 首钢集团有限公司 技术研究院,北京 100041)

中高碳钢板可用于制作冶金锯片[1-5],其表面质量一直是抑制生产效率的瓶颈。热轧65Mn钢板表面往往存在粉化的氧化皮,导致酸洗后表面色差严重。

影响钢板表面氧化皮结构的因素很多[6-10],包括化学成分、轧制工艺、除鳞工艺等。卷取后的冷却速率也影响氧化皮结构。本文研究了65Mn钢板酸洗后表面色差的形成原因,研究了卷取温度及卷取后冷却方式对钢板表面质量的影响。

1 试验材料及方法

试验用材料为热轧65Mn钢卷,化学成分如表1所示。将板坯加热至(1 220±20) ℃;经2个粗轧可逆轧机和七机架精轧机组轧制,终轧温度为(890±20) ℃,随后冷却至700～730 ℃卷取,坑冷至室温。

表1 研究用65Mn钢的化学成分Table 1 Chemical composition of the investigated 65Mn steel

从钢卷外层第二圈即尾部约10 m处取样,采用EVO18型扫描电子显微镜检验氧化皮的微观形貌,采用电子探针显微分析仪测定氧化皮与基体界面的成分;金相试样采用4%(体积分数)硝酸酒精溶液腐蚀,然后采用LEICADM2500型光学显微镜进行金相检验。

2 表面形貌

检查酸洗后钢卷形貌发现其表面有不同程度的条状色差,采用扫描电子显微镜观察发现其表面凹凸不平,如图1所示。钢板表面氧化皮粉化较严重、不致密,且明显破碎,如图2(a)所示。检查钢卷截面发现,氧化皮内有块状白亮色组织,如图2(b)所示,能谱分析表明其为单质Fe。基体晶间氧化深度约20 μm,会导致晶界耐蚀性下降,产生酸洗缺陷。

为弄清图2所示氧化皮破碎和其中白亮色块状相的形成原因,对氧化皮与基体的界面进行了面扫描,结果如图3所示。可见氧化皮界面有明显的碳偏聚,其质量分数为2%～5%。该钢卷是700～730 ℃卷取随后坑冷,在冷却过程中C元素沿铁素体晶界扩散至表面与FeO发生反应,生成白亮色块状相。反应式为:

图3 氧化皮与热轧65Mn钢卷基体界面的碳分布Fig.3 Distribution of carbon at interface between oxide scale and the hot-rolled 65Mn steel coil matrix

FeO+C=Fe+CO

(1)

2FeO+C=2Fe+CO2

(2)

由于FeO较疏松,碳扩散很快,剩余的C和生成的CO及CO2沿疏松的FeO快速扩散至外层致密Fe3O4层时受阻,并发生如下反应:

Fe3O4(s)+2C(s)=3Fe(s)+2CO2(g)

(3)

Fe3O4(s)+4CO(s)=3Fe(s)+4CO2(g)

(4)

氧化皮中白色块状相是反应产生的单质Fe,而反应生成的CO和CO2则溢出表面,使氧化皮破碎粉化。为揭示发生晶间氧化的条件,在实验室进行了热模拟试验。

3 试验结果和分析

为了探索不同温度卷取后以不同方式冷却的65Mn钢卷表面的氧化程度,采用尺寸为4 mm×4 mm×4 mm的试样在实验室进行热模拟氧化试验:在氮气保护下将试样加热至600～800 ℃,随后通入空气保温1 h,以5 ℃/min的速率冷却至室温。

3.1 热模拟试验后试样形貌

如图4所示,600 ℃试样表面氧化皮厚度仅为3 μm,基体无明显晶间氧化;温度升高到650 ℃,氧化皮增厚到6 μm,基体发生了晶间氧化,深度为5.5 μm;温度升高至700 ℃以上,氧化皮粉化脱落,无法测定其厚度,基体晶间氧化进一步加剧,深达14 μm;在800 ℃,基体无晶间氧化,发生晶内氧化,有明显的氧化质点。这表明在700～730 ℃卷取随后坑冷的热轧65Mn钢卷表面会发生严重的晶间氧化。

3.2 脱碳层形貌

在不同温度氧化试验的65Mn钢卷表面脱碳程度不同,如图5所示。600 ℃氧化的试样无明显脱碳,650 ℃氧化的部分脱碳,而700～800 ℃氧化的完全脱碳。

图5 在600(a)、650(b)、700(c)和800 ℃(d)氧化的65Mn钢试样的脱碳层Fig.5 Decarburized layer in the 65Mn steel specimens oxidized at 600(a), 650(b), 700(c) and 800 ℃(d)

700～730 ℃卷取温度是65Mn钢奥氏体(γ)转变成铁素体(α)的温度,在钢卷坑冷过程中,铁素体量增多,并产生全脱碳层。全脱碳的出现与两相区的冷却时间和冷却速率有关。γ-α转变温度范围越大,在该温度区的冷却时间越长,越易发生全脱碳,实际生产中应避免在该温度区长时间停留。

4 卷取工艺优化

根据实验室模拟结果,降低卷取温度和提高卷取后冷却速率能减轻脱碳和晶间氧化程度。在生产中进行了600～620 ℃卷取随后分别坑冷和空冷的试验,钢卷的截面微观形貌如图6所示。

图6 热轧后600 ℃卷取随后坑冷(a,c)和空冷(b,d)的65Mn钢板截面的微观形貌Fig.6 Micrographs of section of the 65Mn steel sheets coiled at 600 ℃ then cooled in pit(a,c) and air(b,d) after hot-rolling

图6表明,600 ℃卷取后坑冷的钢卷表面无白亮色块状相,且晶间氧化深度从20 μm下降到了小于10 μm,脱碳明显减少;600 ℃卷取并空冷的钢卷晶间氧化深度下降到了不足5 μm,晶界耐蚀性提高,酸洗后钢卷表面色差减少。

5 结论

(1)热轧后在700～730 ℃卷取随后坑冷的65Mn钢卷表面氧化皮粉化严重,氧化皮内有白亮色块状相,基体晶间氧化深度约为20 μm,导致晶界耐蚀性下降。

(2)降低卷取温度和提高卷取后冷却速率能减轻65Mn钢卷晶间氧化程度和脱碳,600 ℃卷取随后空冷的65Mn钢卷晶间氧化深度下降至5 μm以内,晶界耐蚀性提高,酸洗后钢卷表面色差减少。