1前言
鋼板在高溫下軋制時，其表面會形成氧化膜。據(jù)報道，對于含Si鋼，氧化膜從鋼板側(cè)開始依次形成富Si層、FeO、Fe3O4、Fe2O3的層狀結(jié)構(gòu)，并且其中包含空隙。空隙的熱導(dǎo)率與氧化膜主要層FeO層相比極低，因此會對冷卻過程產(chǎn)生影響。本研究旨在闡明氧化膜中所含空隙的存在形態(tài)，并評價空隙對鋼板冷卻的影響。
2試驗方法
使用帶氧化膜的厚板作為試驗材料。將試驗材料制作成邊長1mm的方形試樣，環(huán)氧樹脂嵌鑲后，拋光至鏡面。用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試樣截面，使用圖像處理軟件測定氧化膜各相厚度以及空隙厚度。此外，使用微型X射線計算機斷層掃描（CT）裝置觀察氧化膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
3試驗結(jié)果
圖1顯示了氧化膜截面的背散射電子圖像（BEI）觀察結(jié)果。從鋼板側(cè)開始，依次形成了富Si層、FeO、Fe3O4層狀氧化物。氧化膜由較厚的部分（圖1左框，厚度約45.5μm）和較薄的部分（圖1右框，厚度約40.5μm）構(gòu)成。在較厚的部分，富Si層與FeO層之間存在空隙。
由于SEM難以觀察空隙的分布狀態(tài)，因此使用X射線CT進行研究。結(jié)果表明，空隙并非均勻分布，而是呈線狀存在?？障秾挾燃s為20μm，其間隔為100-200μm。
4試驗結(jié)果分析
基于上述觀察結(jié)果，構(gòu)建了兩種氧化膜結(jié)構(gòu)模型（圖2），并使用有限元法進行冷卻模擬。
模型A是無空隙氧化膜的簡單結(jié)構(gòu)。模型B是包含空隙部分的氧化膜簡單結(jié)構(gòu)模型。氧化膜均由FeO構(gòu)成，其厚度設(shè)為40.5μm，空隙厚度設(shè)為5μm，模型B與模型A的FeO膜厚度相同。實際鋼板的氧化膜中存在著Fe3O4、Fe2O3以及富Si層，但比例很小，在構(gòu)建氧化膜簡單結(jié)構(gòu)模型時可忽略不計。
模型B與模型A的鋼板厚度都是50mm。假定鋼板試樣上下表面氧化膜的存在狀態(tài)相同，試樣的左右是絕熱層。冷卻時試樣表面導(dǎo)熱系數(shù)采用已有報告中鋼板氧化膜層冷卻所測數(shù)值。FeO層、空隙層、基鋼的熱導(dǎo)率分別是2.4Wm-1K-1、0.0263Wm-1K-1、44.5Wm-1K-1。計算了初始溫度900℃的試樣在25℃水中冷卻時鋼板中心的溫度變化。計算使用COMSOLMultiphysics軟件。圖3顯示了冷卻模擬的結(jié)果及鋼板中心溫度隨時間的變化。
模型A在冷卻時間100s，溫度600℃附近時，到達淬火點。模型B溫度變化趨勢與模型A相同，但在冷卻時間70s時，溫度700℃附近時到達淬火點。由此可知，氧化膜含有厚度5μm空隙時，淬火點溫度升高、到達時間縮短，核沸騰較早發(fā)生。此外，冷卻時間為150s時，模型B的試樣中心溫度高于模型A。表明淬火后，空隙的存在妨礙冷卻進行。
5結(jié)論
本研究對厚鋼板表面氧化膜斷面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了觀察。結(jié)果表明，氧化膜內(nèi)空隙呈線狀分布，其寬度約20μm，間隔為100-200μm。冷卻模擬計算表明，在氧化膜中含有厚度5μm空隙時，冷卻時間約提前30s到達淬火點，淬火溫度提高100℃。在冷卻時間150s時，有空隙試樣中心溫度高于無空隙試樣，表明空隙會妨礙試樣冷卻的進行。
