厚钢板表面氧化膜中空隙形态观察及其对钢板冷却特性的影响

1 前言

钢板在高温下轧制时，其表面会形成氧化膜。据报道，对于含Si钢，氧化膜从钢板侧开始依次形成富Si层、FeO、Fe3O4、Fe2O3的层状结构，并且其中包含空隙。空隙的热导率与氧化膜主要层FeO层相比极低，因此会对冷却过程产生影响。本研究旨在阐明氧化膜中所含空隙的存在形态，并评价空隙对钢板冷却的影响。

2 试验方法

使用带氧化膜的厚板作为试验材料。将试验材料制作成边长1mm的方形试样，环氧树脂嵌镶后，抛光至镜面。用扫描电子显微镜（SEM）观察试样截面，使用图像处理软件测定氧化膜各相厚度以及空隙厚度。此外，使用微型X射线计算机断层扫描（CT）装置观察氧化膜的内部结构。

3 试验结果

图1显示了氧化膜截面的背散射电子图像（BEI）观察结果。从钢板侧开始，依次形成了富Si层、FeO、Fe3O4层状氧化物。氧化膜由较厚的部分（图1左框，厚度约45.5μm）和较薄的部分（图1右框，厚度约40.5μm）构成。在较厚的部分，富Si层与FeO层之间存在空隙。

由于SEM难以观察空隙的分布状态，因此使用X射线CT进行研究。结果表明，空隙并非均匀分布，而是呈线状存在。空隙宽度约为20μm，其间隔为100-200μm。

4 试验结果分析

基于上述观察结果，构建了两种氧化膜结构模型（图2），并使用有限元法进行冷却模拟。

模型A是无空隙氧化膜的简单结构。模型B是包含空隙部分的氧化膜简单结构模型。氧化膜均由FeO构成，其厚度设为40.5μm，空隙厚度设为5μm，模型B与模型A的FeO膜厚度相同。实际钢板的氧化膜中存在着Fe3O4、Fe2O3以及富Si层，但比例很小，在构建氧化膜简单结构模型时可忽略不计。

模型B与模型A的钢板厚度都是50mm。假定钢板试样上下表面氧化膜的存在状态相同，试样的左右是绝热层。冷却时试样表面导热系数采用已有报告中钢板氧化膜层冷却所测数值。FeO层、空隙层、基钢的热导率分别是2.4Wm-1K-1、0.0263Wm-1K-1、44.5Wm-1K-1。计算了初始温度900℃的试样在25℃水中冷却时钢板中心的温度变化。计算使用COMSOL Multiphysics软件。图3显示了冷却模拟的结果及钢板中心温度随时间的变化。

模型A在冷却时间100s，温度600℃附近时，到达淬火点。模型B温度变化趋势与模型A相同，但在冷却时间70s时，温度700℃附近时到达淬火点。由此可知，氧化膜含有厚度5μm空隙时，淬火点温度升高、到达时间缩短，核沸腾较早发生。此外，冷却时间为150s时，模型B的试样中心温度高于模型A。表明淬火后，空隙的存在妨碍冷却进行。

5 结论

本研究对厚钢板表面氧化膜断面和内部结构进行了观察。结果表明，氧化膜内空隙呈线状分布，其宽度约20μm，间隔为100-200μm。冷却模拟计算表明，在氧化膜中含有厚度5μm空隙时，冷却时间约提前30s到达淬火点，淬火温度提高100℃。在冷却时间150s时，有空隙试样中心温度高于无空隙试样，表明空隙会妨碍试样冷却的进行。

《世界金属导报》

2025年第35期 B01