摘要:利用热重分析、扫描电镜及电子探针分析的方法,研究了不同加热温度下15CrMo钢的晶间氧化行为。结果表明:随着加热温度的升高,15CrMo钢外层的氧化铁皮厚度逐渐增大,其晶间氧化深度呈先增大后减小的趋势;15CrMo钢晶间氧化的鼻尖温度为℃,此时的晶间氧化深度约为12.9μm。在晶间氧化处主要是Si,Mn,Cr元素优先富集,Mo元素只能扩散到靠近基体的界面处。建议采用适当降低加热温度的方法来控制晶间氧化的形成。
关键词:15CrMo钢;加热温度;氧化铁皮;晶间氧化
中图分类号:TG.1文献标志码:A文章编号:-()09--04
热冲压成形用15CrMo钢主要以热轧、酸洗、冷轧和镀层等状态供货。对于热轧和酸洗状态的15CrMo钢成品,若其生产制造工艺不当,材料表层会形成晶间氧化物。晶间氧化是指:在高温下,氧原子向钢中扩散,与Al,Si,Cr,Mn等元素发生反应,并在材料表面几十微米的范围内形成沿晶界分布的灰黑色氧化物质。钢板带有晶间氧化的组织,其晶界处结合力会非常薄弱,导致钢板在轧制或后期加工处理时在表面产生裂纹,使用时存在安全隐患。目前,国内外对晶间氧化的研究较少,多聚焦在高温晶间氧化、氧化动力学以及缺陷分析等方面,对于板材低温晶间氧化的研究十分少见。基于前期研究表明,加热炉加热和粗、精轧过程并非是造成晶间氧化的主要工序,晶间氧化发生的重点温度区间锁定在卷取过程[1-5]。因此,笔者针对15CrMo钢低温晶间氧化的形成进行了加热温度(即卷取温度)的模拟试验,并对试验期间形成晶间氧化试样的微观形貌、晶间氧化深度以及合金元素的分布情况进行了分析,明确了晶间氧化形成的机制,并提出了消除晶间氧化的措施。
1试验材料及方法
1.1试验材料
试验材料选取15CrMo钢,采用直读光谱仪对其进行化学成分分析,结果如表1所示。
1.2试验方法
将15CrMo钢加工成尺寸为4mm×4mm×6mm(长×宽×高)的块状模拟试样,测试仪器为STAC型同步热分析仪,在氩气保护气氛下以40℃/min的升温速率对试样进行升温,目标温度分别为,,,,,℃。15CrMo钢在实际生产中卷取温度一般不大于℃,为研究合金元素对晶间氧化深度的影响,故选取~℃的温度区间对其进行低温晶间氧化研究。达到目标温度后,在空气气氛下氧化保温30min,然后在保护气氛下迅速冷却至25℃,最终得到不同加热温度下的晶间氧化模拟试样,将模拟试样截面进行热镶嵌和磨抛后,进行扫描电镜(SEM)和电子探针分析。
2试验结果
2.1热重分析
15CrMo钢在不同加热温度下的热重变化曲线如图1所示。由图1可知:当加热温度为℃时,15CrMo钢的氧化增重仅为0.02%;当加热温度为℃时,15CrMo钢的氧化增重为0.04%;当加热温度为℃时,15CrMo钢的氧化增重可达0.08%;当加热温度为℃时,15CrMo钢的氧化增重达到0.54%;当加热温度为℃时,15CrMo钢的氧化增重为1.00%;当加热温度为℃时,15CrMo钢的氧化增重为1.97%。可见加热温度越高,各金属离子迁移扩散越快,氧化速率就越快,15CrMo钢对应的氧化增重就越大。
2.2SEM分析
选取,,,,,℃加热温度下的晶间氧化试样进行SEM观察,结果如图2所示。对这些试样外层氧化铁皮的厚度和晶间氧化深度分别进行测量,15CrMo钢外层氧化铁皮厚度和晶间氧化深度随加热温度的变化曲线如图3所示。
由图2,3可以看出:当加热温度为℃时,外层氧化铁皮厚度约为3.3μm,在晶内不存在晶间氧化现象;当加热温度为℃时,外层氧化铁皮厚度约为8.8μm,晶间氧化深度约为8.3μm;当加热温度为℃时,外层氧化铁皮厚度约为44.1μm,晶间氧化深度约为12.9μm;当加热温度为℃,外层氧化铁皮厚度约为92.2μm,晶间氧化深度约为3.5μm。发现随着加热温度升高,15CrMo钢外层氧化铁皮的厚度逐渐增大,晶间氧化的深度呈先增大后减小的趋势,综上,可以得出℃为15CrMo钢晶间氧化的鼻尖温度。
3综合分析
晶间氧化产生的原因是:在高温含氧条件下,氧原子和金属离子因沿材料晶界扩散而产生了晶间氧化。因为晶界是金属材料中最薄弱的地方,故氧化首先发生在晶界,在晶界发生氧化后,氧原子向晶内继续迁移、扩散,进而氧化整个晶粒,即形成表面氧化层。随着保温时间逐渐延长,表层金属发生氧化并生成了氧化铁皮,氧原子进一步向材料基体内部迁移、扩散,沿着晶界发生选择性优先氧化,并再次形成晶间氧化,最终形成了外层氧化铁皮和近表层晶间氧化物两部分区域。当加热温度高于临界点(约℃)时,金属离子的氧化速率大于氧原子扩散速率,所以优先形成外氧化;当加热温度低于临界点时,氧原子扩散进入钢基体内部,并形成晶间氧化物[6]。
在,,℃加热温度下,对15CrMo钢晶间氧化进行元素面扫描分析,结果如图4所示。
由图4可知:在~℃温度范围内,随着加热温度的升高,合金元素Si,Mn,Cr向外层氧化铁皮和基体不断扩散,并发生选择性优先氧化,最终在外层铁皮和基体的交界处富集;在靠近基体的晶间氧化处,Si,Mn,Cr合金元素优先富集且最为明显,Mo元素分布不明显;当加热温度为℃时,15CrMo钢晶间氧化最严重。
为了进一步研究Si,Mn,Cr,Mo等元素在晶间氧化过程的作用机理,利用电子探针对15CrMo钢在加热温度为℃时的晶间氧化试样进行了元素面扫描,结果如图5所示。由图5可知,15CrMo钢在外层铁皮和基体的交界处,主要是Si,Mn,Cr,Mo,O等元素发生富集,在晶间氧化处主要是Si,Mn,Cr,O元素优先富集且最为明显,而Mo元素只能扩散到靠近基体的界面处。
根据热力学计算原理,当加热温度为℃时,氧化物自由能ΔG由低到高为:ΔGSiO2ΔGMnOΔGCr2O3ΔGMn3O4ΔGFeOΔGFe3O4ΔGFe2O3ΔGMoO3,ΔG为负值,表示该金属氧化物越稳定,由此可见各金属元素与氧原子的反应能力从大到小依次为Si,Mn,Cr,Fe,Mo。因Mo元素在钢中远比Fe元素稳定,且其在15CrMo钢中含量也不高,故可判定扩散到靠近基体界面处的Mo元素多以固溶态的形式存在[6]。
综合上述分析结果可知,15CrMo钢晶间氧化的形成机制在于卷取过程中,Si,Mn,Cr等元素在晶界扩散的激活能显著小于晶内,同时与氧原子亲和力较强的Si,Mn,Cr等合金元素在晶界发生选择性优先氧化,生成了富含Si,Mn,Cr等元素的氧化产物,勾勒晶界,最终造成了热轧板表层晶间氧化的形成。当加热温度为℃时,15CrMo钢无晶间氧化现象,℃为15CrMo钢晶间氧化的鼻尖温度。当加热温度降低至℃以下时,可以避免该钢晶间氧化的发生,在常规Si-Mn钢中添加Cr,Mo等合金元素,也可以抑制晶间氧化的发生。
4结论与建议
15CrMo钢随着加热温度的升高,其外层氧化铁皮的厚度逐渐增大,晶间氧化深度呈先增大后减小的趋势,该钢晶间氧化的鼻尖温度为℃,此时的晶间氧化深度约为12.9μm。15CrMo钢在晶间氧化处主要是Si,Mn,Cr元素优先富集且最为明显,而Mo元素只能扩散到靠近基体的界面处。
建议将加热温度降低至℃以下,或向钢中添加Cr,Mo等合金元素,可以抑制材料发生晶间氧化。
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文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册58卷9期(pp:1-4)
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