高碳钢氧化铁皮

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1、前言我国一些大型的盘条深加工生产企业，对热轧盘条进行拉拔之前，往往要把盘条表面的氧化铁皮通过机械除鳞的方式剥离去除。当氧化铁皮的剥离性能不好时，残留在盘条表面的氧化铁皮会使高碳钢盘条与拉丝模具摩擦时表面接触点的局部熔化[1]，可能导致拉拔过程中的断丝，甚至是刮伤拉丝模具。生产企业越来越重视热轧盘条表面氧化铁皮的剥离性能，而热轧盘条的氧化铁皮剥离性能受其厚度、微观形貌以及相的成分比例等因素的影响[2]。本文着重探讨高碳钢盘条氧化铁皮剥离后，其剥落内表面的微观形貌皱褶的形成原因，以及与剥离性能之间的关系。1实验1.1试样材料实验选用的是高碳钢盘条，试样直径为Φ5.5mm，长度为300m

2、m，其化学成分见表1。表1高碳钢盘条化学成分%Table1Thechemicalcompositionofthehighcarbonsteelwire%元素CSiMnPSAl其他元素含量0.7±0.03≤0.300.5±0.06≤0.02≤0.015≤0.005≤0.0101.2氧化实验用浓盐酸腐蚀去除高碳钢盘条试样表面的氧化铁皮，然后将试样用辐射加热电炉在900℃氧化，快速冷却到氧化铁皮的共析反应温度区间，保温1~6分钟后快冷到室温，制备新的氧化铁皮。1.3剥离实验将实验试样两端100mm长的氧化铁皮，用5%的乌洛托品调配的盐酸溶液进行腐蚀。腐蚀过的试样先用高精度天平称重，然后在

3、拉伸试验机上用夹具固定两端后，分别用不同的拉伸量来剥离氧化铁皮，再用高精度天平称重后，计算其剥离率。1.4电镜实验将拉伸实验剥离的氧化铁皮收集起来，用导电胶带将其固定好后编号，然后让其放在无水酒精中用超声波清洗器清洗5分钟，然后用热风机吹干。这样制备好的试样就可以在扫描电镜下观测其内表面的微观结构。2实验结果及分析2.1形貌及产生原因图1为二次电子扫描（SEM），放大倍数为1000倍得到的高碳钢盘条氧化铁皮内表面微观形貌。从电镜扫描结果可以观测到，氧化铁皮内表面普遍存在着的皱褶状形貌，而且还比较均匀、平行的分布。这种高低起伏的皱褶改变了氧化铁皮与基体的接触面积，这将对高碳钢盘条氧化

4、铁皮的剥离性能发生影响。图1试样内表面形貌1000×Fig.1Morphologyofinternalsurfaceofsample1000×图2为高碳钢盘条横截面的电镜照片，左侧亮白色的组织为金属基体，基体外侧存在颜色较深的一层组织，通过电子能谱测出其为氧化层。从图2中电镜扫描的结果可以看到氧化层与金属基体之间存在着一条波浪形的微裂缝，高碳钢盘条氧化铁皮受外力作用时，在应力作用下裂缝将扩展，从而导致高碳钢盘条的氧化铁皮从基体上脱落。高碳钢盘条横截面的电镜照片从另外角度补充说明了这种波浪皱褶状形貌将影响其氧化层的剥离性能。图2高碳钢盘条横截面形貌及能谱分析Fig.2Morpholo

5、gyandenergyspectrumanalysisofcrosssectionofthehighcarbonsteelwire高碳钢盘条氧化铁皮内表面皱褶的形成的是由于氧化膜内存在着压应力，压应力寻求释放的过程中，导致氧化膜出现塑性变形。Caplan和Sproule[3]研究Cr2O3膜翘曲的现象，提出Cr阳离子扩散占优导致膜内出现压应力的Cr2O3氧化膜生长机制。这个理论被Garnaud和Rapp[4]用于描述Fe表面氧化膜的生长机制，由于Fe离子扩散要比O离子占优[5]，随着氧化反应的不断进行，Fe离子不断的通过氧化膜/金属界面向外扩散到膜的表面，新的氧化膜就不断的在气体/

6、氧化膜界面处生成，而氧化膜/金属界面就会沿与生长方向相反的方向移动，为了保持氧化膜与金属基体的粘附性，氧化膜必将发生弛豫[6]66，因此氧化膜内产生内应力。Hancock和Hurst[7]进一步给出了阳离子扩散占优时，在曲率表面氧化物生长时应力的产生机制的图示（图3）。由于实验使用的高碳钢盘条是圆柱形试样，氧化膜和金属界面存在曲率，氧化膜就不可能沿多个方向弛豫，这时氧化膜内的压应力将会导致氧化膜发生蠕变，而且随着金属不断被氧化，氧化膜/金属界面不断沿着曲率增大的方向移动，金属的表面积越来越小，这种压应力就会越来越大。在凸表面上，氧化过程中金属/氧化膜界面不断内移，氧化膜内表面将会产

7、生压应力，而外表面上，气体/氧化膜界面是一种自由表面，压应力不会作用生成皱褶状形貌。电镜扫描高碳钢盘条氧化铁皮外表面（图4），可以看到其非常平整，没有任何起伏，说明这种机制是适用于高碳钢盘条的。图3凸表面膜内应力机制图4外表面形貌Fig.3MechanismofinternalstressofconvexsurfacefilmFig.4Morphologyofoutsidesurface另外，试样氧化膜内表面的皱褶状形貌可能还与氧化膜的生长应力和热应力有关。生长应力的