随着我国经济的快速发展和社会的不断进步，汽车制造商对汽车板的力学性能和表面质量提出了更高要求。热轧板卷兼具高强度和良好的韧性，广泛地应用于车身材料，其表面光滑通常呈蓝灰色且有光泽。然而，由于钢材化学成分的多样性以及轧制工艺的复杂性，红色氧化铁皮缺陷时常困扰着热轧板的生产，严重影响产品表面质量，并对后续加工和使用性能产生不利影响。

在热轧板生产的前端工序，即板坯加热阶段，钢板在板坯加热炉内经历高温加热过程，加热温度通常高于1200 °C，炉内存在由O₂、CO₂和H₂O等组成的氧化性气氛。板材在此条件下发生严重氧化，表面形成数微米至数毫米不等的氧化皮。大量研究表明，钢材在570 °C以上氧化后形成自内向外依次为FeO、Fe₃O₄和Fe₂O₃的多层结构氧化铁皮，如图1所示；570 °C以下只能形成Fe₃O₄和Fe₂O₃。Si作为钢中常见的合金元素之一，能提高钢的硬度和淬透性，但也会促使氧化皮/基体界面处形成Fe–Si–O复合氧化物，增大氧化皮去除难度，从而引发严重的表面缺陷问题。

图1  暴露在氧化性气氛中板材表面氧化层结构示意图

目前，红色氧化铁皮缺陷因其成因复杂，已成为制约热轧板表面质量提升的关键因素。国内外学者致力于红色氧化铁皮缺陷的控制研究已长达数十年。本文详细综述了红色氧化铁皮缺陷的形成机理，深入分析了温度、合金元素和炉内气氛对其影响规律和作用机制，并基于现有研究成果，对如何有效控制该缺陷、提升热轧板表面质量提出了前瞻性展望。

为进一步提高热轧板的表面质量，诸多学者针对红色氧化铁皮缺陷展开研究。Okada等研究指出，当钢坯表面氧化铁皮厚度达到20 μm且轧制温度低于900 °C时，无论是高Si钢还是低Si钢，均会出现红色氧化铁皮现象。此外，如果板坯在炉时间过长，会导致一次氧化铁皮过厚，难以清除，从而引发红色氧化铁皮。Fukagawa等研究了低碳钢中红色氧化铁皮缺陷的形成机理，发现即使没有Si存在，低碳钢表面残留的FeO也会形成Fe₂O₃，在后续热轧过程中引发表面缺陷，其机理如图2所示；而Si的添加会促使表面形成不规则的FeO–Fe₂SiO₄层，在后续加工过程中更难以去除（见图3）。FeO–SiO₂二元相图如图4所示，当温度高于1173 °C时，会形成液相及氧化物；当温度降低至1173 °C以下时，发生共晶转变，全部转化为由Fe₂SiO₄（铁橄榄石）、FeO、SiO₂组成的固相物。值得注意的是，板坯加热炉内的温度通常高于FeO–Fe₂SiO₄的共晶温度，Fe₂SiO₄一旦形成，会以液态形式渗入FeO和基体之间，凝固后会呈现出类似于锚状的形貌，将FeO层牢牢钉扎固定，使其在后续除磷工序中难以去除。在后续热轧过程中，未被去除的FeO层会被压碎，使其与空气接触的表面积急剧增大。由于Fe²⁺供应不足，而外层存在大量O，会加速FeO→Fe₃O₄→αFe₂O₃的转变过程。因此，钢板表面残余FeO的氧化是导致红色氧化铁皮缺陷的主要原因。

图2  热轧过程中FeO层断裂形成红色氧化铁皮的机理：(a)热轧前氧化皮结构；(b)热轧后氧化皮结构

图3  含Si热轧带钢中红色氧化铁皮的形成机理：(a)氧化皮的形成；(b)除磷后剩余的氧化皮；(c)红色氧化铁皮的形成

图4  FeO–SiO₂二元相图

2.1   温度及Si元素的协同影响

板坯加热炉内的温度通常高于FeO–Fe₂SiO₄的熔点，该温度可以通过影响Si的存在状态及分布来影响红色氧化铁皮。Alaoui Mouayd等研究了含Si钢在900~1200 °C温度范围内的氧化行为，发现含Si钢在低于1173 °C条件下氧化增长较缓，这是由于Si的亲氧性更强，并在表面富集形成一薄层SiO₂，进而阻碍基体氧化。Liu等研究了不同Si含量的Fe–Si合金在600~1200 °C下的氧化行为（见图5），结果表明，在1150 °C以下，合金抗氧化性随着Si含量的增加而增强；而在1150 °C以上，由于液态Fe₂SiO₄的形成，Si会加快合金的氧化速率。He等研究了温度对含Si钢氧化行为的影响，发现随着温度的升高，氧化速率、合金增重和Fe₂SiO₄的深度逐渐增加，质量增重与时间呈抛物线规律。此外，Takeda等研究了低碳钢在1100和1200 °C下的氧化行为，发现在1100 °C下，膜–基界面处形成的Fe₂SiO₄会抑制Fe的扩散，从而抑制FeO的形成，使氧化皮与基体结合力变强；而在1200 °C下，液态Fe₂SiO₄会显著促进Fe扩散，表面形成大量的FeO，使结合力变弱。

图5  不同Si质量分数Fe–Si合金在不同温度下的氧化增重曲线：(a) 700 °C；(b) 900 °C；(c) 1150 °C；(d) 1200 °C

Takeda等研究了Si含量对低碳钢氧化行为的影响，其影响机理如图6所示。结果表明，在Si质量分数低于0.5%时，表面的SiO₂会抑制Fe的扩散，从而抑制FeO的形成；随着Si质量分数增加到0.5%，膜–基界面处会形成层状的SiO₂和Fe₂SiO₄，进一步抑制Fe的扩散，同时促进O向基体渗入；而当Si质量分数高于1.5%时，FeO完全消失，促进表面Fe₂O₃的形成。Yang等研究了不同Si含量钢在700~1000 °C和干燥空气条件下的氧化行为，结果表明，钢的氧化速率和氧化皮厚度均随着Si含量的增加而减小。此外，Yuan等研究了Si含量对低碳钢中Fe₂SiO₄形貌和数量的影响，结果表明Si有2种存在形式，一种以Fe₂SiO₄的形式存在于膜–基界面处，另一种以SiO₂的形式分布在基体内；当Si质量分数增加到1.21%时，Fe₂SiO₄以网状形式分布于膜–基界面处。Suarez等研究了不同Si含量低碳钢在900~1250 °C下的氧化行为，如图7所示，FeO–Fe₂SiO₄共晶体的物态决定了钢的氧化速率：在1170 °C以下，其可以作为扩散屏障抑制钢的氧化；而在1170 °C以上，FeO–Fe₂SiO₄会以液态形式存在于膜–基界面处，从而加速钢的氧化。

图6  不同Si质量分数对氧化皮形成影响的机理示意图

图7  不同温度下氧化皮的截面形貌：(a) 950 °C；(b) 1200 °C

综上所述，温度和Si元素对红色氧化铁皮的形成与发展具有复杂的协同影响。在FeO–Fe₂SiO₄熔点以下，表面形成的致密SiO₂层通过抑制氧的渗入来抑制氧化；而当温度高于FeO–Fe₂SiO₄熔点时，FeO–Fe₂SiO₄会以液态形式存在于膜–基界面处，呈网状分布，从而加速合金氧化。这种协同作用机制在实际生产过程中需要精细控制，以优化热轧板的表面质量。

2.2   炉内气氛的影响

除了Si含量与温度之外，炉内氧化性气氛（如O₂、H₂O）对先进高强钢红色氧化铁皮缺陷也具有显著影响。Abuluwefa等研究了低碳钢在1000~1250 °C、不同O₂含量下的氧化行为，结果如图8所示，低碳钢的氧化生长曲线分为2个阶段，即在氧化初期（氧化皮厚0.4~0.5 mm）遵循线性规律，而在后期遵循抛物线规律；同时，随着O₂含量的增加，合金氧化速率加快、氧化皮厚度增加。Yuan等研究了含Si钢在N₂+O₂（体积分数0.5%~4.0%）气氛中的氧化行为，结果表明，合金增重与气氛中的O₂含量呈线性关系，且Fe₂SiO₄的数量及深度随O₂含量增加而增加。因此，在含Si钢的生产过程中，为了有效提高其表面质量，必须严格控制炉内O₂含量，以减少红色氧化铁皮的形成和不良影响。

图8  1200 °C下不同氧气体积分数对初期氧化速率的影响

事实上，在板坯加热炉内，除了主要的氧化性气体O₂外，还存在一定含量的H₂O。H₂O的存在同样会加快合金氧化速率，其内在原因之一是H₂O可以直接与基体或表面FeO发生反应，反应式如下：

Fukumoto等研究了800和1000 °C下O₂和H₂O对Fe–1.5Si合金氧化动力学的影响。如图9所示，研究结果表明当气氛中存在H₂O时，O₂和H₂O可以穿过表面富Si层而进入基体，促进Fe₂SiO₄的形成，从而破坏表面保护层并加快合金氧化。

图9  Fe–1.5Si合金在1273 K、空气+10.5%（体积分数）H₂O气氛中氧化微观示意图

值得注意的是，炉内气氛除O₂和H₂O外，还可能含有CO₂、NO₂等氧化性气氛，这些气氛对红色氧化铁皮的具体影响尚不明晰。因此，摸清炉内气氛组成对热轧板高温氧化行为的影响规律，对于有效控制红色氧化铁皮缺陷、提高热轧板表面质量具有至关重要的意义，是未来需要重点研究的内容。

2.3   其他合金元素的影响

关于板坯加热氧化问题，现有报道主要集中于Si含量及工况参数对红色氧化铁皮缺陷的影响。事实上，钢中其他合金元素也会影响Fe₂SiO₄的形成，从而影响热轧板的表面质量。Yuan等研究了P对含Si钢中Fe₂SiO₄的结构和熔点的影响，如图10所示，P的添加会降低FeO–Fe₂SiO₄的熔点，当P质量分数为0.115%时，其熔点由1173 °C降至954.2 °C。Fukagawa等研究了Ni含量对低碳钢在1220 °C下氧化行为的影响，发现随着Ni含量的增加，表面FeO–Fe₂SiO₄层厚度增大、粗糙度增加，进而引发表面缺陷。Ni对红色氧化铁皮缺陷的影响机制如图11所示，由于Fe比Ni的亲氧性更强，Fe在表面优先氧化，形成一个富Ni层；随后，O渗入合金基体与Fe、Mn、Si形成晶界氧化物，同时Ni在晶界及晶内氧化物的周围富集；最后，晶界氧化物与表面FeO–Fe₂SiO₄层融为一体。而Ni因难以被氧化，使FeO–Fe₂SiO₄层更不均匀，从而导致严重的表面缺陷。

图10  FeO–SiO₂–P₂O5三元平衡相图（M_I:  FeO结晶温度，~1200 °C；E_II:二元结晶温度，954~1173 °C；E_III: 三元结晶温度，~890 °C；L：液相）

现有研究在红色氧化铁皮缺陷方面已经取得一定成果，重点关注了FeO–Fe₂SiO₄氧化层的演化及其遗传导致的缺陷问题，对Si含量、温度及O₂含量等因素的影响进行了深入探讨。然而，对于其他类型氧化问题的微观机制，如加热温度与炉内复杂气氛之间的协同影响、合金元素之间的协同效应等问题，仍需进一步的深入研究。这些问题的解决，将有助于更全面、深入地理解红色氧化铁皮缺陷的形成机制，为开发更有效的控制策略提供坚实的理论基础。

图11  Ni对红色氧化铁皮缺陷的影响机制

随着汽车排放标准日益严苛，行业对热轧板的表面质量及力学性能提出更高的要求。针对热轧板材表面质量难以控制这一问题，本文从红色氧化铁皮缺陷的形成机理出发，深入剖析了其影响因素，并从加热温度、炉内气氛组成和合金元素3个方面进行了归类总结。最后，围绕控制红色氧化铁皮缺陷进而提高表面质量，从典型工艺参数和合金元素调控入手，并结合已开展的相关研究工作，提出如下建议及展望。

（1）典型工艺参数调控。①优化炉内温度和在炉时间控制。FeO–Fe₂SiO₄的熔点为1173 °C，当加热温度高于该温度时，Fe₂SiO₄会以液态形式分布于氧化皮–基体界面处，若去除不彻底，会遗传至后续工序并引发红色氧化铁皮缺陷。此外，在炉时间越长，生成的氧化铁皮越厚。因此，针对不同类型的热轧板材，应根据其化学成分与规格尺寸，通过精确的温度控制系统和合理的生产调度，严格控制炉内温度和在炉时间。这是控制红色氧化铁皮缺陷的关键环节之一。②严格控制炉内O₂、H₂O等氧化性气氛的含量。尤其对于含Si钢，当界面形成液态Fe₂SiO₄时，O₂、H₂O等氧化性气氛会穿过氧化皮直接与基体发生反应，导致更严重的表面缺陷。因此，在生产过程中应采用先进的气氛监控技术，如安装高精度氧传感器和湿度传感器进行实时监测，并通过调节燃料与空气的比例、优化炉内通风系统等措施，将炉内O₂、H₂O等氧化性气氛的含量控制在较低水平，以减少红色氧化铁皮的形成和不良影响。③优化除磷工艺。在粗轧过程中，除磷是去除板坯表面氧化铁皮的关键工序。适当提高除磷压力或增加除磷道次，可有效去除板坯表面的二次氧化铁皮。提高除磷压力能够增强高压水的冲击力，使氧化铁皮更易剥离；增加除磷道次则可以进一步提高去除率，减少残留，从而降低红色氧化铁皮缺陷出现的概率。同时，需要根据板坯的材质、规格以及加热工艺，优化除磷工艺参数，在确保不损伤板坯基体的前提下，最大限度地去除氧化铁皮。

（2）合金元素调控。①严格控制钢中Si含量。Si被普遍认为是导致热轧板红色氧化铁皮缺陷的关键元素。适当降低Si含量或采用与Si作用类似的元素（如Al），可显著减少红色氧化铁皮缺陷的产生。然而，Si含量的降低幅度需谨慎控制，因为Si对钢的硬度、强度等力学性能有着重要影响。因此，需要通过精确的成分设计和炼钢工艺优化，寻求表面质量与力学性能的最佳平衡。②适当降低钢中Ni含量。Ni元素的添加虽然可以改善钢材的某些性能，但对红色氧化铁皮缺陷有着不利影响。随着Ni含量的增加，膜–基界面处的FeO–Fe₂SiO₄层会变得更不均匀，使其在后续加工过程中更难以去除，从而增加表面缺陷出现的风险。因此，在成分设计时，应根据具体的使用要求和性能需求适度降低Ni含量。同时，需进一步研究Ni含量降低对钢材其他性能的影响，并通过优化其他合金元素的配比或采用适当的热处理工艺等方法弥补Ni含量降低可能导致的性能损失，在确保钢材满足力学性能和加工性能要求的同时，有效抑制红色氧化铁皮缺陷。