熱軋帶鋼的氧化皮缺陷類型與成因分析

　　文/齊慧濱·上海奇佳表面技術研究所

　　本文根據熱連軋生產工藝的特點，結合已有對碳鋼氧化行為研究的成果，系統總結了熱軋帶鋼表面氧化皮的組成與結構變化規律，詳細分析了熱軋帶鋼表面主要氧化皮缺陷形成的影響因素、類型與成因，并歸納了氧化皮缺陷的生產和工藝控制措施。
 

　　熱連軋是鋼鐵生產的重要工藝過程。目前在熱軋板型和精度控制，成分組織和力學性能控制等方面均取得了較大進步，然而熱軋產品的表面質量，尤其是氧化皮軋入導致的各類缺陷一直困擾著國內外各生產廠家，成為影響熱軋產品質量，造成用戶質量異議的主要因素之一。

　　表面氧化皮缺陷不僅影響熱軋產品的外觀和酸洗質量，而且影響其表面性能，如涂裝和腐蝕性能，甚至通過冷軋的傳續，對冷軋尤其涂鍍產品表面質量造成嚴重影響，因此熱軋產品的氧化皮缺陷已構成影響板帶產品表面質量的主要問題之一。

　　本文根據熱軋工藝過程的特點和生產實踐中經常遇到的問題，從氧化行為和機理入手，系統分析了熱連軋不同工藝階段氧化皮形成和結構特點，總結了各種主要氧化皮缺陷的類型、影響因素和成因。

帶鋼熱軋過程中的氧化和影響因素

　　碳鋼的氧化行為與反應

　　碳鋼在受熱狀態下不可避免地發生氧化，決定碳鋼的氧化行為、氧化皮組成與結構的主要因素是合金成分、氧化條件（溫度、氣氛和時間）、熱力學及動力學。

　　碳鋼在空氣中恒溫氧化動力學主要遵從拋物線規律，一般情況下，氧化溫度越高和氧化時間越長，氧化皮生成量或厚度越大。

　　氧化初期，氧化物形核和穩定氧化層建立之前反應動力學一般遵從線性規律，之后在致密氧化層形成狀態下符合拋物線規律。當氧化時間較長時，由于柯肯達爾效應（Kirkendal effect）導致在氧化層/基體界面處形成空洞，加之氧化層內應力的增加或者新相的形成，會導致氧化動力學波動，甚至出現失穩氧化行為。Fe-0二元熱力學相圖如圖1所示。
 

　　如圖1可知，在高于570℃的空氣條件下，碳鋼的恒溫氧化形成界面明顯的Fe/FeO/Fe₃O₄/Fe₂O₃三層結構氧化皮；在570℃以下，由于Fe0相熱力學不穩定，故碳鋼表面僅形成Fe/FeO/Fe₃O₄/Fe₂O₃兩層結構的氧化皮。

　　在碳鋼的高溫三層結構氧化皮中共存在4個界面。在1000℃附近的溫度下，碳鋼三層氧化物厚度的比例基本為FeO∶Fe₃O₄∶FeFe₂O₃=95∶4∶1。FeO晶體中Fe²⁺不足，常表示為Fe₁__y0，即在陽離子點陣中存在大量缺陷，有利于Fe²⁺的擴散，因而其生長最快，并控制著總的氧化速度。

　　需要指出的是，碳鋼氧化皮中三種氧化物的比例并非固定不變，會隨著碳鋼成分、氧化溫度、氧化時間甚至氧化環境的不同發生明顯變化，如圖2所示。
 

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