高碳钢盘条表面氧化皮的形成规律及机械剥离性能研究

摘要

在高温轧制和随后的控制冷却过程中，钢线材表面会与空气接触发生化学反应生成一层氧化物，俗称氧化皮。由于氧化皮硬而脆难以形变，在线材的后续冷拉拔加工过程中容易导致钢丝表面出现缺陷甚至引起断丝从而影响产品质量和生产效率，同时会加剧模具的磨损。因此，氧化皮在拉丝生产前必须去除干净。常用的氧化皮去除方法主要有化学酸洗和机械剥离两种，但化学酸洗法由于高污染、效率低等缺点正逐渐被机械剥离所替代。 本文以高碳钢盘条SWRH72A表面氧化皮的形成过程为研究对象，以提高氧化皮机械剥离性能为目标，采用实验室研究和实际生产工艺改进相结合的方法开展了一系列的工作。 首先，采用多种实验手段对高碳钢氧化皮的结构进行了表征，发现：高碳钢盘条表面形成的氧化皮主要由Fe1-yO和Fe3O4组成，Fe2O3含量很少，因此形貌上一般呈Fe1-yO和Fe3O4两层结构。与进口产品相比，国产盘条氧化皮存在厚度薄、Fe1-yO含量较少和机械剥离性能较差等缺点。 在此基础上，采用热模拟试验的方法着重研究了工艺参数和合金元素对氧化皮形成过程的影响，结果表明：随着氧化温度的升高，氧化皮厚度快速增加，其增长规律基本符合Arrhenius方程；氧化初始阶段氧化皮快速增厚，随着氧化时间的延长增长速率逐渐变慢，呈抛物线氧化规律；不同条件下获得的氧化皮厚度变化以Fe1-yO层为主，Fe3O4层厚度变化不大；当冷速较慢(<1℃/s)时，钢基体/氧化皮界面上会析出连续的Fe3O4带，而当冷速较快时(>5℃/s)时就可以有效抑制Fe1-yO共析反应的发生从而避免其形成。同时,高碳钢氧化过程中，钢基体/氧化皮界面上会发生Fe、Mn的贫化和一些合金元素的偏聚，C、Si、Cu、Ni等会显著影响高碳钢的氧化速率，而Mn的含量对短时氧化影响不大。 接着，采用单向拉伸和划痕试验的方法研究了氧化皮厚度和结构与其机械剥离性能之间的关系，发现：厚度大、Fe1-yP含量高且与钢基体界面上无Fe3O4析出带的氧化皮具有良好的机械剥离性能。厚度较大的氧化皮在较低应力下基本就可以剥离干净，而较薄的氧化皮则需要在较高的应力下才能剥离掉。 最后，在实验室相关研究工作的基础上，对高碳钢盘条实际生产工艺进行了改进试验。结果表明，提高吐丝温度后氧化皮厚度明显增加、结构得到改善，从而其机械剥离性能得到了明显提高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1线材及线材制品概述

1.1.1国内外线材及其制品生产现状

1.1.2线材及线材制品生产过程简介

1.2纯铁及碳钢氧化皮国内外研究现状

1.2.1氧化皮形成过程及其形貌

1.2.2纯铁的氧化

1.2.3碳钢的氧化

1.3本课题的研究意义与内容

1.3.1研究意义

1.3.2研究内容

第2章试验材料与方法

2.1研究路线

2.2试验材料

2.3材料微观组织结构分析

2.3.1形貌观察和厚度测量

2.3.2 X射线衍射分析

2.3.3激光拉曼光谱分析

2.3.4俄歇电子能谱分析

2.4热重分析

2.5热模拟试验

2.6氧化皮机械剥离试验

2.7划痕试验

2.8生产线工艺优化试验

第3章高碳钢氧化皮的形貌和结构以及国内外产品对比

3.1高碳钢氧化皮形貌和结构

3.1.1宏观形貌

3.1.2微观形貌

3.1.3激光拉曼光谱分析

3.2进口和国产盘条氧化皮的对比

3.2.1形貌对比

3.2.2机械剥离性能对比

3.3小结

第4章工艺参数和合金元素对高碳钢氧化皮形成的影响

4.1高碳钢氧化动力学研究

4.1.1连续氧化

4.1.2等温氧化

4.2工艺参数

4.2.1氧化皮厚度变化规律

4.2.2氧化皮结构变化规律

4.3合金元素

4.3.1氧化皮/钢基体界面元素偏析

4.3.2合金元素对高碳钢氧化速率的影响

4.4小结

第5章氧化皮机械剥离性能及其评判标准研究

5.1机械剥离性能影响因素研究

5.1.1单向拉伸机械剥离试验

5.1.2划痕试验

5.1.3讨论：氧化皮厚度和结构对其机械剥离性能的影响

5.2高碳钢氧化皮机械剥离性能评判标准

5.2.1氧化皮微观形貌

5.2.2氧化皮划痕形貌

5.2.3机械剥离后盘条表面形貌

5.2.4剥落的氧化皮形貌

5.3小结

第6章实际生产工艺改进试验及应用

6.1高碳钢盘条生产工艺热模拟研究

6.2实际生产工艺改进试验

6.2.1工艺改进前后氧化皮形貌和机械剥离性能变化

6.2.2工艺改进前后盘条组织和力学性能变化

6.3小结

第7章结论

参考文献

致谢

硕士期间发表论文和申请专利清单