Fe-2.2%Si钢在不同气氛下的高温氧化行为
曹光明1，单文超1，刘小江2，王晨阳1
(1. 东北大学材料科学与工程学院， 辽宁 沈阳 110819；2. 沈阳工业大学机械工程学院， 辽宁 沈阳 110870)
摘要：为了探究硅元素、加热工艺参数(气氛、温度以及时间)对Fe-2.2%Si钢表面氧化铁皮形成过程的复合作用及影响机理，利用热重分析仪(TGA)研究了Fe-2.2%Si钢在600~1 150 ℃干燥空气和水蒸气条件下的高温氧化行为，利用试验得到的氧化增重数据计算出了氧化速率常数和氧化激活能，并建立了氧化动力学模型。此外，还明确了在2种气氛下氧化铁皮的生长机制与结瘤机理。试验结果表明，在2种不同氧化气氛下得到的氧化增重曲线均符合抛物线规律。当氧化气氛中含有水蒸气时，试验钢的氧化速率提高，氧化激活能降低，导致了试验钢的氧化增重增加。在2种氧化气氛下，试验钢的氧化产物均由氧化铁皮和氧化铁皮与基体界面处的富硅层组成，但在水蒸气下得到的试验钢的富硅层疏松多孔，且氧化铁皮中出现大量的孔洞以及裂纹。其氧化机制主要是氧化铁皮生长过程的生长应力以及水蒸气的存在导致生成的H2向外扩散，造成氧化铁皮出现大量孔洞和裂纹，为氧化介质的扩散提供了通道，有利于气相物质扩散，进而促进了试验钢的氧化行为。此外，由于在氧化铁皮与基体界面形成的富硅层消耗了基体中的硅元素，导致基体表层出现贫硅区，氧化介质可以通过氧化铁皮内部的孔洞和裂纹与基体直接接触，使得该区域基体的氧化速率迅速提高，氧化铁皮厚度迅速增加，从而逐渐形成结瘤形态。
关键词：硅钢；氧化铁皮；氧化动力学；水蒸气；结瘤
1 引言
硅钢是电力、国防以及军事等领域不可或缺的重要金属材料，其硅质量分数相对较高，一般为0.5%~6.5%。由于硅钢的生产现场常常处于高温有氧的环境下，因此会在钢材的表面形成大量的氧化铁皮，这不仅会造成材料烧损，同时严重的高温腐蚀还会破坏钢板表面的平直度，极大地影响了最终产品的表面质量。
随着中国钢铁工业不断由大转强，下游客户对钢材的表面质量也有了更高的要求。由于硅钢中的Si与O的亲合力要强于Fe与O，在热轧过程中钢材的表面会优先生成SiO2和Fe2SiO4，这将极大影响硅钢的表面质量和使役性能。因此，国内外学者对此进行了广泛的研究。Suarez L等研究了硅钢的高温氧化行为，发现硅钢在热轧过程中，由于形成熔融的共晶铁橄榄石相直接导致红色氧化铁皮缺陷。另外，三次氧化铁皮的性质影响最终产品的表面质量和后续加工，而且硅元素的加入对氧化铁皮的结构有很大影响，尤其是硅元素其特殊的氧化性质会影响氧化铁皮与基体的界面区域进而影响产品的表面质量。Adachi T等研究了Fe-5%Si和Fe-20%Si合金，发现当氧化温度为900~1 100 ℃时，合金在空气条件下的氧化增重曲线符合抛物线规律，并且在相同的氧化条件下，Fe-Si合金的氧化增重要明显小于普碳钢的氧化增重，其主要是由于Fe2+在Si氧化物中的扩散系数要远远小于铁氧化物，因此阻碍了Fe2+向外扩散，抑制了氧化物的生长，使Fe-Si合金的氧化增重降低。目前，对硅钢在水蒸气气氛下氧化行为的研究并不多，孙彬等研究了Fe-0.2%Si和Fe-2%Si钢在空气和水蒸气混合气体中的氧化动力学行为，发现在试验钢的氧化初期，氧化动力学曲线形式为线性规律。当生成的氧化铁皮厚度达到一定程度时，氧化动力学曲线形式就会变为抛物线规律。Fukumoto M等研究了Fe-1.5Si钢在800 ℃和1 000 ℃时不同氧含量混合气体中的氧化行为，研究结果表明，相比于干燥空气来说，当混合气体中含有水蒸气时，合金的氧化速率就会提高，并且对于试验初期氧化产物的孕育期来说，气氛中水蒸气含量越高，孕育期越短，氧化进程越快。综上所述，目前大部分研究主要集中在空气条件下的硅钢高温氧化方面，但是由于生产现场大量除鳞水和冷却水的使用，造成整个热轧生产现场的空气湿度很大，高湿度的氧化性气氛会改变硅钢表面氧化铁皮的结构和厚度，从而会对后续产品的表面质量造成影响。
因此，本文利用热重分析仪(TGA)以Fe-2.2%Si钢为研究对象，研究了温度为600~1 150 ℃，在干燥空气和水蒸气条件下的高温氧化行为，并借助场发射电子探针(EPMA)和X射线衍射仪(XRD)等设备分析试验得到的氧化铁皮物相组成、显微结构以及元素分布，依据试验结果建立氧化动力学模型，同时明确试验钢在2种不同氧化气氛下的氧化铁皮的生长机制，为硅钢的实际生产提供理论支持。
2 精选图表
3 结论
(1)通过研究试验钢在600~1 150 ℃时干燥空气和水蒸气条件下的高温氧化动力学试验，得到在不同温度和不同气氛下的氧化速率常数kw，同时还计算出了试验钢种的氧化激活能。通过对比可以发现，当氧化气氛为水蒸气时，能够促进试验钢的氧化，提高氧化增重速率，降低氧化激活能，且随着氧化温度升高，促进氧化的效果更加明显。
(2)水蒸气具有促进氧化的作用。水蒸气条件下的氧化以H2O分子向内扩散为主导，由于生成的H2向外扩散，造成氧化铁皮出现大量孔洞和裂纹，为H2和H2O的扩散提供了扩散通道，有利于气相物质扩散，进而促进试验钢的氧化行为。
(3)水蒸气能进一步恶化氧化铁皮结瘤现象的发生。由于在氧化铁皮生长过程的生长应力以及水蒸气的存在导致氧化铁皮中产生裂纹，外界的氧化性气氛通过裂纹直接与基体接触，使得富硅层失去了保护基体的作用。并且由于富硅层的形成消耗了合金基体大量的硅元素，造成在基体表层形成了贫硅区，使得该区域的氧化铁皮厚度迅速增加，从而逐渐形成氧化结瘤形态。
