加热温度对含Si钢氧化铁皮生成量的影响

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Si是具有固溶强化和提高抗回火软化作用的廉价元素，是机械结构用钢有效利用的元素。1473K高温热锻成形是机械结构部件制造的通用方法，但钢中添加Si，使锻造模具的磨…

Si是具有固溶强化和提高抗回火软化作用的廉价元素，是机械结构用钢有效利用的元素。1473K高温热锻成形是机械结构部件制造的通用方法，但钢中添加Si，使锻造模具的磨损量增加，模具使用寿命下降。模具磨损量增加的原因是，锻坯加热时生成的氧化铁皮对摩擦特性的影响，但没有进行过含Si钢高温氧化铁皮生成的详细研究。为此，本文研究了加热温度和Si添加量对含Si钢氧化铁皮生成行为的影响。

1 试验方法

试验用钢的成分如表1。试验用钢有两种：相当于机械结构用碳素钢JIS –S40C（0.2Si钢）和Si含量增加的钢（0.6Si钢）。用真空感应炉熔炼试验钢，将试验钢锭在1523K下进行热锻后，再进行1173K正火处理。将正火后的试验钢制作成30mm×20mm×2mm的试样，用于测定氧化铁皮。在大气条件下将试样进行1273～1473K×0.5～4.5h、空冷的热处理，使试样表面生成氧化铁皮。测定热处理前后试样重量的变化，由此求出氧化铁皮生成量。此外，为研究氧化铁皮的结构，对氧化铁皮进行了SEM的组织观察和EDX的元素分析。

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2 试验结果及分析

图1是0.6Si钢氧化试样单位面积氧化铁皮生成量w和热处理时间t的关系。各个热处理温度下的w与t1/2成正比例关系。因此可以认为，原子扩散是氧化铁皮生成反应的支配因子。氧化铁皮生成量w和热处理时间t在0.2Si钢试验中也有同样的关系。图2是用热处理温度倒数做出的热处理温度对氧化铁皮生成速度k的影响。两个试验钢都以1438K为界限，直线斜率发生变化，也就是说，以1438K为界限，试验钢氧化铁皮的生成速度发生变化。此外，还可以看出，氧化铁皮生成速度的变化量随Si含量的增加而增加。根据上述试验结果可以认为，以1438K为界限，氧化铁皮生成反应即氧化铁皮的结构发生变化。对1438K前后的氧化铁皮组织进行了观察，并对氧化铁皮的元素进行了EDX分析。

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0.6Si钢1473K×2h和1373K×2h热处理的氧化铁皮组织显示，Si氧化物中有Fe氧化物和Si氧化物构成的层状组织。1373K×2h热处理材氧化铁皮组织也是由Fe氧化物和Si氧化物构成，但没有Fe氧化物和Si氧化物构成的层状组织。有研究报导，FeOn-SiO2二元系中存在L→FeOn+2FeO·SiO2的共晶温度。可以认为在本研究的试验钢中也存在温度相同（1438K附近）的氧化铁共晶温度。由此可知，层状组织是共晶反应的产物。也就是说，在1473K热处理时，一部分氧化铁皮发生熔化。

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根据上述分析可知，图2中在高于1438K的高温区出现的氧化铁皮生成速度升高的原因是，由于一部分氧化铁皮发生熔化，使原子扩散速度加快。假定氧化铁皮生成速度k与扩散速度D成正比，氧化铁皮中的原子表观扩散速度D可以表示为固相氧化铁皮中扩散速度与液相氧化铁皮中扩散速度之和，那么，k=AD（A：比例常数）。D=XscaleDscale+ XliquidDliquid（Xscale+ Xliquid=1）

利用图2得到的氧化铁皮生成速度k和根据状态图估算的Xscale，对试验钢的1473K的ADliquid进行计算，两个试验钢的ADliquid值基本相同，约为36。由此可以推断，高温下高Si钢，由于液相氧化铁量增加，使原子表观扩散速度增大，从而提高了氧化铁皮的生成速度。

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