(北京科技大学机械工程学院， 北京 100083)
大梁钢板热轧生产后直接用于汽车零件的冲压成型，其表面氧化铁皮的控制直接关系到冲压过程的稳定性及车间环境，因此开展汽车大梁钢粉状氧化铁皮剥落定量评价分析具有重要的理论与实践意义。针对大梁钢氧化铁粉剥落严重的问题，通过工业试验，开展了不同热轧终轧温度及卷取温度下氧化铁粉剥落量检测与成分分析，采用扫描电镜分析了氧化铁皮的层状结构与致密度，并定量研究了610L大梁钢热轧卷氧化铁皮中Fe
3
O
4
、FeO含量与氧化铁皮剥落的关系，得到氧化铁皮中
Fe
3
O
4
质量分数为80%且FeO质量分数为3%左右时，610L钢的氧化铁皮最不容易脱落，形成不掉粉、高塑性的“黑皮钢”特性。针对后续冷加工过程中氧化铁皮剥落问题，通过三点弯曲试验进行了FeO含量与氧化铁粉剥落特性关系研究，发现FeO含量高的氧化铁粉在塑性弯曲的小变形阶段，其剥落多于FeO含量少的样品，但在大变形情况下，氧化铁粉剥落少于FeO含量较少的样品，其剥落质量差呈现出“先负后正”的特点。随着弯曲位移的增大，氧化铁皮剥落逐渐增多，且受压面氧化铁皮剥落多于受拉面。受拉面的氧化铁皮在拉应力的作用下产生了垂直于试样长度方向的条带状裂纹，而受压面氧化铁皮以大块碎裂状剥落。通过分析FeO低强度和良好塑性特点，揭示了不同FeO含量的带钢氧化铁粉剥落规律。
热轧钢板； 氧化铁皮； 剥落量； 弯曲试验； 大梁钢
热轧带钢在高温热轧及卷取过程中不可避免会发生表面氧化形成金属氧化物，这种附着在热轧带钢表面的氧化铁皮将不同程度地导致最终产品表面质量的恶化。通常，热轧产品在进行后处理工序(如冷轧、镀锌等)之前，必须通过酸洗将其表面氧化铁皮去除，以保证产品质量。免酸洗钢或“黑皮钢”概念来源于日本住友金属提出的“Tight Scale”钢板，钢板表面的铁皮非常密实，与基体钢结合紧密。其要点是控制钢板表面氧化铁皮的结构，形成以黑颜色
Fe
3
O
4
为主的氧化铁皮。这种氧化铁皮结构致密，在后续深加工过程中与钢板一起变形而不脱落，下游企业在使用时可不经酸洗直接冲压，从而实现免酸洗。
对于氧化铁皮的研究，国内外学者从成分、结构及其形成机制、动态转变行为等方面已经开展了广泛的试验研究。典型的氧化铁皮结构由最外层较薄的Fe
2
O
3
、中间层
Fe
3
O
4
层和靠近基体侧的FeO层组成。根据Fe-O平衡相图，在570～1 371 ℃时，FeO处于稳定状态，在570 ℃以下时，FeO发生共析反应生成α-Fe+
Fe
3
O
4
的混合产物。从生产实践来看，板带热轧过程中基本形成以FeO为主的氧化铁皮，FeO在卷取过程中发生先共析或共析反应转变成α-Fe和
Fe
3
O
4
的混合物。
具体到免酸洗钢的研究，着力点集中在FeO层的等温转变行为、硅元素对氧化铁皮黏附性的影响、氧化铁皮剥落机理等3个方面。在氧化铁皮FeO层的等温转变行为方面，孙彬等采用热模拟试验机研究了不同温度和等温时间条件下低碳钢表面形成的FeO层的等温转变行为，得出了特点钢种的FeO“转变C曲线”的鼻尖温度范围，其中汽车大梁钢510L和610L的C曲线鼻尖温度分别为450~550、350~400 ℃。在氧化铁皮的黏附性和抗氧化性方面，硅的影响最为显著。Velasco F提出当钢中硅质量分数为0.2%以上时，在轧制过程中，在钢基体与氧化铁皮的界面处易形成Fe
2
SiO
4
和FeO的共析产物，使得氧化铁皮的附着力增强。YANG Y L等通过热重分析仪研究了不同硅含量钢的氧化动力学和氧化铁皮结构，提出随着硅含量增加，钢的氧化速率和氧化铁皮厚度均有所减小。在氧化铁皮剥落机理方面，曹光明等提出不同结构氧化铁皮其脱落形式不同，随着
Fe
3
O
4
含量增加，脱落形式由粉末状脱落向片状脱落过渡，氧化铁皮结构以
Fe
3
O
4
为主，保留部分残余FeO，且在
Fe
3
O
4
中呈均匀的岛状分布，这有利于避免后续冷加工过程中掉粉现象。
目前，国内钢厂生产的汽车大梁钢已基本要求达到免酸洗。由于汽车大梁形状复杂，除要求较高强度和冷弯性能外，还要求冲压性能好。但是大梁钢在下游企业开平矫直使用过程中，会出现程度不等的氧化铁皮粉状剥落，对产品后续冷弯和冲压加工产生不利影响。对影响大梁钢氧化铁皮粉状剥落严重程度的原因还缺乏系统性的研究，弄清粉状氧化铁皮缺陷的形成机制并通过控制氧化铁皮的成分和结构对免酸洗钢品质的提升具有重要意义。免酸洗大梁钢轧制过程的控制目的是生产出氧化铁皮厚度为10 μm左右且氧化铁皮的主要成分为
Fe
3
O
4
和少量FeO的热轧结构钢，从而能保证氧化铁皮黏附性好的特点。对于
Fe
3
O
4
质量分数，其他学者根据氧化铁皮的截面照片提出了一些经验性的数值，如60%左右、70%以上、75%以上、80%以上等，但尚未形成共识。工业试验表明，大梁钢氧化铁皮中
Fe
3
O
4
质量分数在达到80%左右的情况下，有些试验钢卷还是会出现大量的氧化铁皮粉状剥落。
Fe
3
O
4
为尖晶石复杂立方结构，结构致密，具有硬度偏高、塑性偏低、黏附性好等特点；FeO是氯化钠型离子晶体，具有天然的最大孔隙率，硬度较低、塑性较好。FeO可以协调冲压加工时的氧化层变形，以此保证在后续的深加工过程中氧化铁皮不会因弯曲而发生大面积脱皮。因此，在大梁钢的生产过程中，合理调控氧化铁皮中
Fe
3
O
4
与FeO的比例对提高免酸洗钢品质具有重要意义。
本文通过工业试验，定量地建立了氧化铁皮不同
Fe
3
O
4
、FeO含量与氧化铁皮掉粉质量的关系，并针对后续冷加工工程中氧化铁皮剥落问题，通过三点弯曲试验进行了FeO含量与氧化铁皮剥落特性关系研究，揭示了FeO含量与粉状氧化铁皮剥落机制的关系，为改善氧化铁皮的成分和结构进而对大梁钢粉状氧化铁皮剥落进行控制提供了依据。
(1)对于免酸洗大梁钢，当氧化铁皮中的
Fe
3
O
4
质量分数为80%左右且氧化铁皮中FeO质量分数为3%左右时，大梁钢的氧化铁皮最不容易脱落，形成不掉粉、高塑性的“黑皮钢”特性。
(2)氧化铁皮在拉应力和压应力的作用下，分别呈条带状剥落和不规则团块状剥落，且压应力作用下氧化铁皮剥落较多。氧化铁皮质量线性剥落阶段，FeO含量较少的氧化铁皮样品剥落质量要小于FeO含量较多的样品。在氧化铁皮质量缓慢波动增长阶段，FeO含量较少的样品，其氧化铁皮剥落总量要多于FeO含量较多的样品，2种样品剥落质量差值呈现出“先负后正”的特点。
(3)FeO弥散于整个氧化铁皮中，它的低强度性与良好塑性决定了不同FeO含量氧化铁皮的剥落特性。FeO与其他相的结合力较小，当氧化铁皮发生变形时，FeO含量较多的氧化铁皮表层易产生大量的微观裂缝，微观裂缝汇集交叉形成大的氧化铁皮缺陷导致氧化铁皮脱落。当氧化铁皮脱落到特定阶段时，FeO含量多的氧化层由于良好的塑性，会协调氧化铁皮的残余变形，黏附性良好的
Fe
3
O
4
及内层少量的Cr、Si氧化物形成耦合作用，防止氧化铁皮的进一步脱落。
来源：《钢铁》2023年第1期
1.
2022年度《钢铁》优秀编委、优秀审稿专家名单及2022年评选的优秀论文TOP15
2.
2022年度《中国冶金》优秀编委、优秀审稿专家名单及2020年优秀论文TOP15
3.
2022年度《连铸》优秀编委、优秀青年编委、优秀审稿专家、优秀特邀主编名单及2020年优秀论文TOP5
4.
《钢铁》2023年献礼东大百年华诞“钢铁关键共性技术”专刊征稿启事
5.
【征稿通知】《连铸》2023年“连铸坯冶金缺陷控制技术”专刊
6
.【征稿通知】《连铸》2023年“薄板坯与薄带连铸”专刊
