Fe-Cr合金钢热轧时氧化铁皮对轧辊润滑特性的影响

2015/6/24 22:48:48

众所周知，在钢热轧过程中，在轧件表面会生成高温氧化铁皮，对产品的表面状态有很大影响。因此，为提高钢材的表面质量，对氧化铁皮的问题已经进行了许多研究。另一方面，氧化铁皮同样对热轧轧辊等生产工具也有很大影响，但这方面的研究报告很少。

日本研究人员曾对碳素钢轧制时氧化铁皮对轧辊润滑性状（轧辊与轧件的摩擦系数和热粘结等）的影响进行了研究。一般来说，与轧制不锈钢相比，轧制碳素钢时轧辊与轧件的摩擦系数较小，热粘结也不易发生。就其原因来说，除了碳素钢的变形抗力小之外，轧件表面生成的氧化铁皮较厚和氧化铁皮高温塑性变形能高也是重要原因。关于氧化铁皮和润滑剂对热轧材表面润滑性状影响的研究表明，由于生成较厚的硬质氧化铁皮并被压入轧件，使摩擦系数增大。研究发现，在轧件上撒布硼砂对降低摩擦系数是有效的。

但是，在轧制不锈钢时，很容易产生热粘结导致的产品缺陷，轧辊的寿命也短。这些问题到现在仍没有解决。为解决这些问题进行了高性能润滑剂的开发，并发现了具有良好性能的润滑剂，但未必能够彻底解决问题。

实验方法

本研究使用两种试样：轧辊材料试样和不锈钢轧件材料试样。轧辊材料试样是市场销售的SKD61钢制成的10mm×30mm×150mm板状试样；不锈钢轧件材料试样是市场销售的SUS420钢制成的专用试样。在涂有润滑剂的常温板状轧辊材料（SKD61）试样上放置加热到规定温度的不锈钢轧件材料（SUS420）试样，一面沿轧制方向移动轧件，一面在实验机轧辊和轧辊材料试样（SKD61）之间对轧件试样（SUS420）进行轧制。在实验机轧辊表面进行了刻痕（滚刀花）加工使得实验机轧辊和轧件之间不易产生滑动。在苛刻的轧制条件下进行轧制，以使轧辊材料试样和轧件之间产生热粘结。具体的实验条件是，实验机轧辊线速度23.55mm/s，轧辊材料试样移动速度10mm/s，压下率30%。用负荷传感器测量轧辊材料试样的推进力F和实验机轧辊的负荷P，按照公式?=F/P计算出轧制过程中的表观摩擦系数臁＜尤任露任?1100℃～1200℃。加热时间分别是15s、30s和60s。为改变不锈钢轧件材料试样表面氧化铁皮的结构，变化加热炉内的气氛条件。有两种模拟大气的炉内气氛：（a）20%O2-80%N2，（b）16.5%O2-16.5%H2O-其余N2。但在规定温度之前的升温是在N2中进行的，目的是防止氧化。此外，对轧辊材料试样进行600℃120min的热处理，在表面生成氧化铁皮后冷却，然后在常温下涂敷石墨-聚醋酸乙烯润滑剂，干燥后供实验用。

实验结果与分析

(1) 氧化铁皮生成机制

在各个氧化条件下SUS420钢的氧化量曲线。用X射线衍射仪对氧化铁皮的结构进行鉴定，与炉内气氛（a）20%O2-80%N2相比，炉内气氛（b）16.5%O2-16.5%H2O-其余N2，即含有水蒸气气氛条件下各个温度的氧化铁皮生成速度显著增加。在小于1125℃的炉内气氛（a）20%O2-80%N2条件下生成的氧化铁皮很薄，厚度都在1靘以下，很难测定。各个氧化条件下的氧化铁皮结构都由内层氧化铁皮和外层氧化铁皮组成。炉内气氛（a）20%O2-80%N2条件下的氧化铁皮，外层是Fe2O3和Fe3O4，内层是FeCr2O4和Fe3O4。在含有水蒸气的（b）16.5%O2-16.5%H2O-其余N2条件下，1100℃生成的氧化铁皮的外层是Fe2O3和Fe3O4，内层是FeCr2O4和Fe3O4。1125℃以上生成的氧化铁皮的外层是Fe2O3、Fe3O4和FeO，内层是FeCr2O4和FeO，也就是说，在含有水蒸气的炉气中，加热到1125℃以上时，内、外层氧化铁皮中都有FeO生成。

(2) 水蒸气对氧化速度和氧化铁皮结构的影响

氧化条件对SUS420钢高温氧化影响的特征是，当氧化气氛中含有水蒸气时，氧化速度增大并且生成FeO。众所周知，与其他铁的氧化物Fe2O3、Fe3O4相比，FeO是在氧分压较低的情况下生成的。这就是说，在FeO生成的气氛（b）16.5%O2-16.5%H2O-其余N2中，氧化铁皮中的氧分压低到可以稳定生成FeO的程度。由于在气氛（b）条件下生成的氧化铁皮较厚，所以，气氛（b）的氧消耗量较大。由此可以推断，在气氛（b）条件下，由于SUS420母材提供的铁离子量较多，这些铁离子增加了氧的消耗量，所以在生成较厚的氧化铁皮的同时，也使氧分压降低。箭头表示出由炉气向氧化铁皮供给氧和母材向氧化铁皮供给铁离子，箭头的粗细定性地表示出供给量的多少。在气氛（a）条件下，铁离子供给量小于氧离子供给量，原因是在氧化铁皮/母材界面上生成Cr2O3层的扩散屏障，阻碍了铁离子的供给；而在气氛（b）条件下，Cr2O3层扩散屏障很难形成，因此铁离子的供给增加，由于氧消耗在这些铁离子上，所以氧分压下降。有研究报告指出，当炉气中同时含有水蒸气和氧时，扩散屏障的Cr2O3蒸发得很快。可以认为在本实验的气氛（b）条件下也发生同样的情况，Cr2O3层扩散屏障很难形成。

(3) 氧化铁皮对热轧轧辊润滑性状的影响。

通过观察1200℃热轧实验后的轧件（SUS420钢）表面氧化铁皮外观和轧辊材料（SKD61钢）试样表面氧化铁皮外观，可以看出只在气氛（a）的条件下才可见热粘结疤痕。在气氛（b）条件下热粘结显著被抑制，摩擦系数煲彩切∮?0.20的低值。在炉内气氛（a）20%O2-80%N2条件下，在轧件表面可以看到全部氧化铁皮发生了细微的剥离，而在炉内气氛（b）16.5%O2-16.5%H2O-其余N2条件下，仅在轧件边缘有氧化铁皮的剥离，在轧件中间基本上没有剥离现象。

(4) 轧件表面氧化铁皮变形防止热粘结的机制

在炉内气氛（b）16.5%O2-16.5%H2O-其余N2条件下，对SUS420钢在1200℃氧化60s后进行热轧，用TEM观察轧件表面的氧化铁皮，可以看到在晶粒与晶粒之间有渗入物。用电子衍射图像对同样条件的氧化铁皮进行了鉴定，通常所见晶粒形状的部份是Fe3O4，晶界渗入物是FeO。根据对氧化铁皮塑性变形的研究，在本实验生成的氧化铁皮中，FeO的高温塑性变形能很高，而Fe3O4的塑性变形能比FeO低。从晶体结构来推测，内层氧化铁皮中的FeCr2O4的高温塑性变形能与Fe3O4相当。从以上的分析可知，热轧过程中轧件表面氧化铁皮的变形情况，FeO防止热粘结的机制可做如下推断。在炉内气氛（b）16.5%O2-16.5%H2O-其余N2条件下，由于轧制，Fe3O4和FeCr2O4被破断，而塑性变形能高的FeO渗入到其中间，这样，作为氧化铁皮整体就可以随母材一起协同变形。这样以来，轧制面被氧化铁皮覆盖，防止了轧辊材料和不锈钢轧件之间金属与金属的接触，所以抑制了热粘结。但是，在难生成FeO的炉内气氛（a）条件下，生成的氧化铁皮很薄而且塑性变形能低，所以，氧化铁皮很难和母材一起协同变形，因此产生了轧辊材料和不锈钢轧件之间金属与金属的接触，导致热粘结。

小结

为解决不锈钢热轧时轧件表面氧化铁皮的问题，对SUS420钢实施热轧实验，进行基础性的研究。通过改变氧化气氛使氧化铁皮结构发生变化，对氧化铁皮给予热轧轧件表面热粘结现象的影响进行了研究，得出以下结论。

(1）在大气中SUS420钢高温氧化铁皮生成的速度，由于水蒸气的加入而大幅度地增加5～10倍。在炉内气氛不含水蒸气时，氧化铁皮的结构为，外层氧化铁皮是Fe2O3和Fe3O4，内层是FeCr2O4和Fe3O4。在1125℃以上炉内气氛含水蒸气时，外层氧化铁皮是Fe2O3、Fe3O4和FeO，内层是FeCr2O4和FeO。

(2）热轧时，炉内气氛含水蒸气可以提高轧件（SUS420钢）与轧辊（SKD61钢）之间的抗热粘结能力。这是因为，生成了较厚的塑性变形能高的FeO，使氧化铁皮和母材在热轧。

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