搪瓷厚板的抗鱗爆性能

楊 銘 徐 春 曹 紅

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201418)

搪瓷鋼板具有強度高、光潔、耐用等優(yōu)點，在生活及生產(chǎn)中均有廣泛應(yīng)用。然而，搪瓷制品的主要缺點是易發(fā)生鱗爆，而且鱗爆不僅發(fā)生在制品剛燒成后，也可能在一段時間后出現(xiàn)，毫無征兆甚至無規(guī)律可循[1- 3]。研究發(fā)現(xiàn)，鋼板的抗鱗爆性能與不可逆氫陷阱密切有關(guān)，不可逆陷阱能永久儲存氫，使氫不易再逸出。鋼中常見的不可逆陷阱主要是第二相粒子。

Valentini等[4]研究發(fā)現(xiàn)，Ti(C,N)等析出相是常見的不可逆陷阱，影響氫在鋼中的擴散。研究鑄態(tài)、熱軋、冷軋及退火狀態(tài)的超低碳鋼發(fā)現(xiàn)，TiN及Ti4C2S2為主要的不可逆陷阱，在鑄態(tài)，熱軋和冷軋試樣中存在TiS相，在含鈦析出相中有微量鈮存在，這些析出相大大提高了鋼板的抗鱗爆性能[5- 7]。

目前，國內(nèi)外大量研究了不同成形狀態(tài)的搪瓷鋼板的微觀組織對其抗鱗爆性能的影響。然而關(guān)于搪瓷用鋼厚度的報道較少，鱗爆現(xiàn)象雖然發(fā)生在鋼板表面的搪瓷層，但由于其延遲性和隱蔽性，對于厚板而言，表面以下1/4和1/2厚度處也應(yīng)具有良好的抗鱗爆性能。因此，本文研究了厚板不同部位的微觀組織及氫穿透時間，分析搪瓷鋼板的抗鱗爆性能，為企業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

試驗用鋼板的厚度大于15 mm，將其編為1、2、3號，化學(xué)成分如表1所示。

用線切割按圖1所示位置，即鋼板表面、表面以下1/4和1/2厚度處切割尺寸為5 mm×5 mm的試樣，將其鑲嵌、打磨、拋光，并用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精腐蝕，用光學(xué)顯微鏡觀察與分析。將腐蝕后的試樣進行噴碳，再用硝酸酒精腐蝕，撈取碳膜后用透射電鏡觀察析出相。

表1 試驗用鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of the investigated plates (mass fraction) %

圖1 從鋼板上取樣的示意圖Fig.1 Illustration of cutting samples from the plates

按上述位置加工尺寸為100 mm×70 mm的試片，其中1號鋼板表面和表面以下1/4、1/2厚度處的試片厚度分別為1.86、1.81、1.83 mm，2號鋼板試片的厚度依次為2.27、2.27、2.24 mm，3號鋼板試片的厚度為2.27、2.26、2.27 mm，按歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN 10209:2013)對鋼板進行抗鱗爆性檢測[8]。首先將試片放在鹽酸溶液中進行酸洗，再進行脫脂處理，烘干后固定在上、下兩個玻璃容器中，密封后用注射器將蒸餾水注入下側(cè)玻璃容器，上側(cè)加入事先配制的析氫液(6%H2SO4,0.25 g/L的HgCl2和0.5 g/L的As2O3)。將鉑電極放入上側(cè)玻璃容器中，用導(dǎo)線將鉑電極和試片分別連接到恒電流儀的負(fù)極與正極，析氫電流為1.57 A，待析氫液與試樣反應(yīng)5 min左右后接通試驗記錄儀，記下反應(yīng)開始的時間。當(dāng)檢測到的壓力信號達到最大值并穩(wěn)定后，關(guān)閉試驗儀器并記錄試驗結(jié)束時間。

根據(jù)試驗獲得的曲線，采用切線法得到滲氫時間，鋼板抗鱗爆性敏感值TH按式(1)計算：

TH=tb/d2

(1)

式中：tb為滲氫時間，min(精確到0.1 min)；d為試樣厚度，mm(精確到0.01 mm)。本文通過測量鋼板中擴散出的氫氣體積隨時間變化而求得tb。大量試驗研究表明[9- 10]：TH值大于6.7的鋼板不發(fā)生鱗爆，因此歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定搪瓷鋼的TH>6.7。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖2分別是1、2、3號試驗用鋼板表面和表面以下1/4、1/2厚度處的顯微組織，主要為鐵素體、少量珠光體及呈彌散分布的細小析出相，其中3號鋼板的珠光體數(shù)量最多且最粗大。試驗用鋼板中的晶粒大小不均勻，不同部位的晶粒大小有一定差異，表面的晶粒最細小，其次是表面以下1/4厚度處，中部即1/2厚度處的晶粒最粗大。

2.2 抗鱗爆性能

圖3(a)為1號試樣在表面、表面以下1/4和1/2厚度處的氫滲透試驗結(jié)果，利用切線法對含氫量隨滲氫時間變化的曲線進行分析，在鋼板表面、表面以下1/4和1/2厚度處的滲氫時間分別為1 398、1 352、861 s，TH值分別為6.73、6.88、4.28。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)，該試樣除1/2厚度處滲氫時間較短、抗鱗爆性較差外，表面與表面以下1/4厚度處均大于6.7，且在表面以下1/4厚度處的TH值最大，滲氫時間最長，抗鱗爆性能最好。

圖3(b)和圖3(c)分別為2、3號鋼板的含氫量隨滲氫時間的變化，其中2號鋼板表面和表面以下1/4、1/2厚度處的滲氫時間分別為1 061、995、810 s，對應(yīng)的TH值依次為3.52、3.22、2.62。3號鋼板在3個取樣部位的滲氫時間分別為1 592、1 088、773 s，TH值為5.15、3.55、2.50。由此可見，厚板1/2厚度處的滲氫時間最短，隨著從鋼板表面至心部距離的增加，TH值逐漸減小，且兩個鋼板的TH值均小于歐洲標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值，因此該鋼板的抗鱗爆性能不合格。這是因為2號鋼板的晶粒太粗大，而3號鋼板含有珠光體。研究發(fā)現(xiàn)[11]，搪瓷用鋼板必須具有為7～8級的晶粒度和盡量少的珠光體。

2.3 析出相

圖2 1～3號試驗用鋼板表面(a、d、g)、表面以下1/4(b、e、h)和1/2(c、f、i)厚度處的顯微組織Fig.2 Microstructures at surface (a,d,g), 1/4 (b,e,h) and 1/2 (c,f,i) thickness below surface of the investigated plates No.1 to No.3

圖3 試驗用1～3號鋼板不同部位的氫含量隨滲氫時間的變化Fig.3 Hydrogen contents in different parts of the investigated plates No.1 to No.3 as a function of hydrogenation times

為了揭示上述3種厚板表面以下1/2厚度處的滲氫時間最短的原因，對1號鋼板進行了透射電鏡分析。圖4為1號鋼板中的析出相形貌，由能譜分析可知，主要析出相為TiC、Ti4C2S2。表2為析出相的定量分析結(jié)果，通過電鏡照片測出粒子的平均粒徑d和單位面積上的質(zhì)點數(shù)N0,根據(jù)Fullman公式，析出相的體積分?jǐn)?shù)Vf=(π/6)×N0×d2,單位體積內(nèi)的析出相粒子數(shù)Nv=N0/d。統(tǒng)計結(jié)果表明,1號鋼板表面以下1/2厚度處的析出相數(shù)量及平均粒徑均小于表面及表面以下1/4厚度處，表面與表面以下1/4厚度處的析出相數(shù)量與大小相差不大。研究表明，Ti原子對氫陷阱的影響很大，大量彌散分布的TiC、Ti4C2S2析出相能大大增加氫擴散激活能，且析出物與氫有較強的交互作用，可增加鋼中不可逆氫陷阱的數(shù)量，從而提高鋼的抗鱗爆性能。研究表明，TiC、Ti4C2S2析出相是不可逆氫陷阱[12]，因此析出相數(shù)量越多越有利于提高抗鱗爆性能。

圖4 1號鋼板表面(a)、表面以下1/4(b)和1/2(c)厚度處的析出相Fig.4 Precipitated phases at surface (a), 1/4 (b) and 1/2 (c) thickness below surface of the investigated plate No.1

表2 1號鋼板中析出相的定量分析結(jié)果Table 2 Quantity analysis of precipitated phases in the investigated plate No.1

3 結(jié)論

(1)搪瓷用厚鋼板不同厚度處的抗鱗爆性能不同，氫滲透試驗表明，3種厚板中均為表面以下1/2厚度處的抗鱗爆性敏感值(TH值)最低。

(2)搪瓷用厚鋼板的晶粒尺寸也隨著厚度的不同存在差異，3種試驗用厚鋼板均為隨著板厚增加晶粒逐漸增大。

(3)對1號鋼板進行碳膜覆型，在透射電鏡下分析，結(jié)果顯示其析出相主要為TiC、Ti4C2S2，但表面以下1/2厚度處的析出相數(shù)量與平均粒徑最小，這是搪瓷用厚鋼板表面以下1/2厚度處的TH值最低的原因。