摘 要:某鍍錫鋼板在罩式退火后,鋼板邊部產(chǎn)生白色亮帶。采用宏觀觀察、輝光光譜檢測(cè)、表 面粗糙度檢測(cè)、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析等方法,分析了鍍錫鋼板邊部產(chǎn)生白色亮帶的原因。 結(jié)果表明:在罩式退火過(guò)程中,氫氣中微量的氧元素與鍍錫鋼板中的錳、硅等活性元素發(fā)生選擇性 氧化形成氧化物,富集在鋼板表面,最終在鋼板邊部形成了白色亮帶區(qū)。

關(guān)鍵詞:鍍錫鋼板;白色亮帶;選擇性氧化;罩式退火

中圖分類(lèi)號(hào):TG157 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)03-0037-04

鍍錫鋼板俗稱馬口鐵,具有優(yōu)良的易成形性、焊 接性及耐蝕性,主要用于化工、材料包裝等領(lǐng)域,鍍 錫鋼板常規(guī)生產(chǎn)過(guò)程一般是煉鋼→熱軋→酸連軋→ 連退(或罩式退火)→平整(或二次冷軋,簡(jiǎn)稱 DR) →鋼卷準(zhǔn)備作業(yè)→鍍錫[1-2]。冷軋板一般采用全氫 罩式退火,優(yōu)良的循環(huán)風(fēng)機(jī)及冷卻系統(tǒng)使得罩式退 火的生產(chǎn)效率提高、能耗降低。由于生產(chǎn)設(shè)備及工 藝等原因,經(jīng)退火后的鋼卷會(huì)存在一定程度的表面 氧化,使鋼卷的表面狀態(tài)發(fā)生變化,進(jìn)而影響其使用 性能,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料報(bào)廢[3-4]。

某公司生產(chǎn)的鍍錫鋼板,材料牌號(hào)為 TMR,其 化學(xué)成分見(jiàn)表1,經(jīng)罩式退火(退火工藝的時(shí)間-溫 度曲線如圖1所示)后開(kāi)卷,在表面檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn) 帶鋼兩側(cè)邊部出現(xiàn)白色亮帶,嚴(yán)重影響了客戶的使 用。為查明帶鋼邊部產(chǎn)生白色亮帶的原因,筆者對(duì) 其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)與分析,并提出了改進(jìn)建議,以 期避免該類(lèi)問(wèn)題的再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

鍍錫鋼板兩側(cè)出現(xiàn)白色亮帶,亮帶連續(xù)且呈現(xiàn) 波浪狀,寬度約為10cm,如圖2所示。

1.2 輝光光譜檢測(cè)

分別在鍍錫鋼板邊部(包括白色亮帶區(qū)與正常 區(qū))和 中 心 (正 常 區(qū))截 取 試 樣,試 樣 尺 寸 均 為 200mm×50mm。將鍍錫鋼板邊部試樣劃分成12 個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域取2~4位置點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),如圖3所 示,區(qū)域 A為白色亮帶區(qū),區(qū)域 B為正常區(qū)。將鍍錫 鋼板中心試樣劃分成3個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域取2~4位 置點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)設(shè)備為美國(guó)力可 GDS850A 型 輝光光譜分析儀,參考 GB/T19502-2004《表面化學(xué) 分析》標(biāo)準(zhǔn),由鋼板邊部向中心逐步進(jìn)行輝光光譜檢 測(cè),主要檢測(cè)元素富集含量較高的錳、硅元素。

對(duì)罩式退火后的鍍錫鋼板表面白色亮帶區(qū)與正 常區(qū)進(jìn)行輝光光譜檢測(cè)后發(fā)現(xiàn),錳、硅兩種元素在表 面富集較為明顯。對(duì)邊部試樣及中心試樣每個(gè)區(qū)域 的錳、硅元素富集峰值的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),檢測(cè)位置 (與邊部的距離)與錳、硅元素富集峰值的關(guān)系曲線 如圖4所示。

由圖4可知:隨著與邊部距離的增加,錳、硅元素 含量呈先升高后降低的趨勢(shì),距離鋼板邊部約85mm 處的錳含量富集峰值最大,質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為42%;錳、 硅元素富集峰值較高區(qū)域?yàn)檫叢堪咨翈^(qū),錳、硅 富集峰值較低區(qū)域?yàn)橹行恼^(qū),亮帶區(qū)寬度約為 10cm。在罩式退火過(guò)程中,鋼板表面的錳、硅元素易 氧化形成 MnO,SiO2,MnSiO3 和 Mn2SiO4 [5-7],這些氧化物會(huì)產(chǎn)生宏觀色差。

1.3 表面粗糙度檢測(cè)

在鍍錫鋼板邊部亮帶區(qū)與中心正常區(qū)截取試 樣,進(jìn)行表面粗糙度檢測(cè),邊部亮帶區(qū)試樣與中心正 常區(qū)試樣尺寸均為100mm×100mm,采用德國(guó)馬 爾PerthometerM2型粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)每個(gè)試樣進(jìn) 行橫向和縱向表面粗糙度檢測(cè),每個(gè)方向檢測(cè)5個(gè) 點(diǎn),試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考 GB/T2523-2008 《冷軋金屬薄 鋼板(帶)表面粗糙度和峰值數(shù)測(cè)量方法》,將檢測(cè)結(jié) 果范圍值與平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表2所示。亮帶 區(qū)試樣與正常區(qū)試樣的橫、縱向的表面精糙度范圍值 及平均值接近,并無(wú)明顯差異,說(shuō)明粗糙度不是影響 罩式退火后鍍錫鋼板產(chǎn)生白色亮帶的主要因素。

1.4 金相檢驗(yàn)

在鍍錫鋼板邊部亮帶區(qū)與中心正常區(qū)分別取 樣,試樣尺寸均為15 mm×15 mm,采用德國(guó)蔡司 AXIOImage.A2m 型光學(xué)顯微鏡,進(jìn)行顯微組織觀 察,試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考 GB/T13298-2015《金屬顯微組 織檢驗(yàn)方法》,結(jié)果如圖 5 所示。在不同放大倍數(shù) 下,亮帶區(qū)與正常區(qū)試樣表面均可見(jiàn)明顯的軋制條 紋,低倍條件下亮帶區(qū)與正常區(qū)試樣的顯微組織無(wú) 明顯異常。進(jìn)一步放大觀察發(fā)現(xiàn),亮帶區(qū)試樣和正 常區(qū)試樣軋制條紋內(nèi)存在彌散分布的小黑點(diǎn),正常 區(qū)試樣的小黑點(diǎn)數(shù)量非常少,需進(jìn)一步借助高分辨掃描電鏡進(jìn)行觀察及分析。

1.5 掃描電鏡及能譜分析

采用德國(guó)蔡司 SIGMA-HD 型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡 (SEM),對(duì)鍍錫鋼板邊部亮帶區(qū)和中心正常區(qū)進(jìn)行 微觀形貌觀察,試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考 GB/T20307-2006 《納米級(jí)長(zhǎng)度的掃描電鏡測(cè)量方法通則》。由圖6可知:亮帶區(qū)試樣表面存在彌散分布的小顆粒,中心正 常區(qū)試樣表面未見(jiàn)明顯小顆粒。對(duì)小顆粒尺寸進(jìn)行 統(tǒng)計(jì),得到尺寸范圍為64~337nm。

由圖7可知,亮帶區(qū)試樣表面顆粒區(qū)主要含錳、 硅、氧元素,非顆粒區(qū)含有少量的硅元素,其含量均 遠(yuǎn)高于基材,這表明亮帶區(qū)試樣表面小顆粒主要是 富集的錳、硅元素氧化物或其復(fù)合物。

對(duì)亮帶區(qū)試樣表面顆粒區(qū)進(jìn)行 EDS線掃,結(jié)果 如圖8所示。亮帶區(qū)試樣表面小顆粒區(qū)的錳元素含 量較高,其他區(qū)域錳元素含量較低,這可進(jìn)一步驗(yàn)證 亮帶區(qū)試樣表面小顆粒為錳、硅氧化物或其復(fù)合物。

2 分析與討論

在罩式退火過(guò)程中,氫氣中的微量氧元素雖然不 能與鐵反應(yīng)生產(chǎn)氧化鐵,但會(huì)與鋼板中的錳、硅等活 性元素發(fā)生選擇性氧化形成氧化物,選擇性氧化[8]過(guò) 程示意如圖9所示。氣體首先通過(guò)對(duì)流傳到鋼板表 面,在氣體層流邊界層擴(kuò)散,并在鋼板表面發(fā)生吸附 或解吸,吸附的產(chǎn)物擴(kuò)散到基體中,發(fā)生選擇性氧 化,解吸氣體產(chǎn)物通過(guò)氣體層流邊界層擴(kuò)散回鋼板 表面。氧化物的形成會(huì)造成鋼板表面活性元素的貧化,吸引內(nèi)部的鋁、鉻、鈦和錳等元素?cái)U(kuò)散到鋼板表 面,形成活性元素富集氧化物。

3 結(jié)論與建議

(1)在罩式退火過(guò)程中,氫氣中的微量氧元素 與鍍錫鋼板中的錳、硅等活性元素發(fā)生選擇性氧化 形成氧化物,富集在鋼板表面,這是鍍錫鋼板邊部產(chǎn) 生白色亮帶的主要原因。

(2)在性能沒(méi)有明顯降低的情況下,適當(dāng)降低 卷取溫度降低保溫溫度、縮短保溫時(shí)間,可降低鋼板 表面元素的富集程度。

(3)控制罩式退火爐內(nèi)露點(diǎn)值在-50 ℃以下 進(jìn)行退火,降低氧勢(shì),減少氧化性氣氛。

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<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>58卷>3期(pp:37-40)>