眾所周知，在鋼熱軋過程中，在軋件表面會生成高溫氧化鐵皮，對產品的表面狀態有很大影響。因此，為提高鋼材的表面質量，對氧化鐵皮的問題已經進行了許多研究。另一方面，氧化鐵皮同樣對熱軋軋輥等生產工具也有很大影響，但這方面的研究報告很少。
日本研究人員曾對碳素鋼軋制時氧化鐵皮對軋輥潤滑性狀（軋輥與軋件的摩擦系數和熱粘結等）的影響進行了研究。一般來說，與軋制不銹鋼相比，軋制碳素鋼時軋輥與軋件的摩擦系數較小，熱粘結也不易發生。就其原因來說，除了碳素鋼的變形抗力小之外，軋件表面生成的氧化鐵皮較厚和氧化鐵皮高溫塑性變形能高也是重要原因。關于氧化鐵皮和潤滑劑對熱軋材表面潤滑性狀影響的研究表明，由于生成較厚的硬質氧化鐵皮并被壓入軋件，使摩擦系數增大。研究發現，在軋件上撒布硼砂對降低摩擦系數是有效的。
但是，在軋制不銹鋼時，很容易產生熱粘結導致的產品缺陷，軋輥的壽命也短。這些問題到現在仍沒有解決。為解決這些問題進行了高性能潤滑劑的開發，并發現了具有良好性能的潤滑劑，但未必能夠徹底解決問題。
實驗方法
本研究使用兩種試樣：軋輥材料試樣和不銹鋼軋件材料試樣。軋輥材料試樣是市場銷售的SKD61鋼制成的10mm×30mm×150mm板狀試樣；不銹鋼軋件材料試樣是市場銷售的SUS420鋼制成的專用試樣。在涂有潤滑劑的常溫板狀軋輥材料（SKD61）試樣上放置加熱到規定溫度的不銹鋼軋件材料（SUS420）試樣，一面沿軋制方向移動軋件，一面在實驗機軋輥和軋輥材料試樣（SKD61）之間對軋件試樣（SUS420）進行軋制。在實驗機軋輥表面進行了刻痕（滾刀花）加工使得實驗機軋輥和軋件之間不易產生滑動。在苛刻的軋制條件下進行軋制，以使軋輥材料試樣和軋件之間產生熱粘結。具體的實驗條件是，實驗機軋輥線速度23.55mm/s，軋輥材料試樣移動速度10mm/s，壓下率30%。用負荷傳感器測量軋輥材料試樣的推進力F和實驗機軋輥的負荷P，按照公式?=F/P計算出軋制過程中的表觀摩擦系數臁＜尤任露任?1100℃～1200℃。加熱時間分別是15s、30s和60s。為改變不銹鋼軋件材料試樣表面氧化鐵皮的結構，變化加熱爐內的氣氛條件。有兩種模擬大氣的爐內氣氛：（a）20%O2-80%N2，（b）16.5%O2-16.5%H2O-其余N2。但在規定溫度之前的升溫是在N2中進行的，目的是防止氧化。此外，對軋輥材料試樣進行600℃120min的熱處理，在表面生成氧化鐵皮后冷卻，然后在常溫下涂敷石墨-聚醋酸乙烯潤滑劑，干燥后供實驗用。
實驗結果與分析
(1) 氧化鐵皮生成機制
在各個氧化條件下SUS420鋼的氧化量曲線。用X射線衍射儀對氧化鐵皮的結構進行鑒定，與爐內氣氛（a）20%O2-80%N2相比，爐內氣氛（b）16.5%O2-16.5%H2O-其余N2，即含有水蒸氣氣氛條件下各個溫度的氧化鐵皮生成速度顯著增加。在小于1125℃的爐內氣氛（a）20%O2-80%N2條件下生成的氧化鐵皮很薄，厚度都在1靘以下，很難測定。各個氧化條件下的氧化鐵皮結構都由內層氧化鐵皮和外層氧化鐵皮組成。爐內氣氛（a）20%O2-80%N2條件下的氧化鐵皮，外層是Fe2O3和Fe3O4，內層是FeCr2O4和Fe3O4。在含有水蒸氣的（b）16.5%O2-16.5%H2O-其余N2條件下，1100℃生成的氧化鐵皮的外層是Fe2O3和Fe3O4，內層是FeCr2O4和Fe3O4。1125℃以上生成的氧化鐵皮的外層是Fe2O3、Fe3O4和FeO，內層是FeCr2O4和FeO，也就是說，在含有水蒸氣的爐氣中，加熱到1125℃以上時，內、外層氧化鐵皮中都有FeO生成。
(2) 水蒸氣對氧化速度和氧化鐵皮結構的影響
氧化條件對SUS420鋼高溫氧化影響的特征是，當氧化氣氛中含有水蒸氣時，氧化速度增大并且生成FeO。眾所周知，與其他鐵的氧化物Fe2O3、Fe3O4相比，FeO是在氧分壓較低的情況下生成的。這就是說，在FeO生成的氣氛（b）16.5%O2-16.5%H2O-其余N2中，氧化鐵皮中的氧分壓低到可以穩定生成FeO的程度。由于在氣氛（b）條件下生成的氧化鐵皮較厚，所以，氣氛（b）的氧消耗量較大。由此可以推斷，在氣氛（b）條件下，由于SUS420母材提供的鐵離子量較多，這些鐵離子增加了氧的消耗量，所以在生成較厚的氧化鐵皮的同時，也使氧分壓降低。箭頭表示出由爐氣向氧化鐵皮供給氧和母材向氧化鐵皮供給鐵離子，箭頭的粗細定性地表示出供給量的多少。在氣氛（a）條件下，鐵離子供給量小于氧離子供給量，原因是在氧化鐵皮/母材界面上生成Cr2O3層的擴散屏障，阻礙了鐵離子的供給；而在氣氛（b）條件下，Cr2O3層擴散屏障很難形成，因此鐵離子的供給增加，由于氧消耗在這些鐵離子上，所以氧分壓下降。有研究報告指出，當爐氣中同時含有水蒸氣和氧時，擴散屏障的Cr2O3蒸發得很快。可以認為在本實驗的氣氛（b）條件下也發生同樣的情況，Cr2O3層擴散屏障很難形成。
(3) 氧化鐵皮對熱軋軋輥潤滑性狀的影響。
通過觀察1200℃熱軋實驗后的軋件（SUS420鋼）表面氧化鐵皮外觀和軋輥材料（SKD61鋼）試樣表面氧化鐵皮外觀，可以看出只在氣氛（a）的條件下才可見熱粘結疤痕。在氣氛（b）條件下熱粘結顯著被抑制，摩擦系數煲彩切∮?0.20的低值。在爐內氣氛（a）20%O2-80%N2條件下，在軋件表面可以看到全部氧化鐵皮發生了細微的剝離，而在爐內氣氛（b）16.5%O2-16.5%H2O-其余N2條件下，僅在軋件邊緣有氧化鐵皮的剝離，在軋件中間基本上沒有剝離現象。
(4) 軋件表面氧化鐵皮變形防止熱粘結的機制
在爐內氣氛（b）16.5%O2-16.5%H2O-其余N2條件下，對SUS420鋼在1200℃氧化60s后進行熱軋，用TEM觀察軋件表面的氧化鐵皮，可以看到在晶粒與晶粒之間有滲入物。用電子衍射圖像對同樣條件的氧化鐵皮進行了鑒定，通常所見晶粒形狀的部份是Fe3O4，晶界滲入物是FeO。根據對氧化鐵皮塑性變形的研究，在本實驗生成的氧化鐵皮中，FeO的高溫塑性變形能很高，而Fe3O4的塑性變形能比FeO低。從晶體結構來推測，內層氧化鐵皮中的FeCr2O4的高溫塑性變形能與Fe3O4相當。從以上的分析可知，熱軋過程中軋件表面氧化鐵皮的變形情況，FeO防止熱粘結的機制可做如下推斷。在爐內氣氛（b）16.5%O2-16.5%H2O-其余N2條件下，由于軋制，Fe3O4和FeCr2O4被破斷，而塑性變形能高的FeO滲入到其中間，這樣，作為氧化鐵皮整體就可以隨母材一起協同變形。這樣以來，軋制面被氧化鐵皮覆蓋，防止了軋輥材料和不銹鋼軋件之間金屬與金屬的接觸，所以抑制了熱粘結。但是，在難生成FeO的爐內氣氛（a）條件下，生成的氧化鐵皮很薄而且塑性變形能低，所以，氧化鐵皮很難和母材一起協同變形，因此產生了軋輥材料和不銹鋼軋件之間金屬與金屬的接觸，導致熱粘結。
小結
為解決不銹鋼熱軋時軋件表面氧化鐵皮的問題，對SUS420鋼實施熱軋實驗，進行基礎性的研究。通過改變氧化氣氛使氧化鐵皮結構發生變化，對氧化鐵皮給予熱軋軋件表面熱粘結現象的影響進行了研究，得出以下結論。
(1）在大氣中SUS420鋼高溫氧化鐵皮生成的速度，由于水蒸氣的加入而大幅度地增加5～10倍。在爐內氣氛不含水蒸氣時，氧化鐵皮的結構為，外層氧化鐵皮是Fe2O3和Fe3O4，內層是FeCr2O4和Fe3O4。在1125℃以上爐內氣氛含水蒸氣時，外層氧化鐵皮是Fe2O3、Fe3O4和FeO，內層是FeCr2O4和FeO。
(2）熱軋時，爐內氣氛含水蒸氣可以提高軋件（SUS420鋼）與軋輥（SKD61鋼）之間的抗熱粘結能力。這是因為，生成了較厚的塑性變形能高的FeO，使氧化鐵皮和母材在熱軋。