鋼鐵加熱鋼坯及鋼料熱處理的主要問(wèn)題探討①

劉潤(rùn)杰 孫志遠(yuǎn) 汪志忠

摘要：鋼坯及鋼料熱處理是鋼鐵冶煉中一個(gè)極為重要的工藝流程，其處理質(zhì)量能夠直接影響鋼鐵的力學(xué)性能，因此，如何提高鋼坯及鋼料熱處理質(zhì)量是相關(guān)企業(yè)及技術(shù)人員重點(diǎn)思考的問(wèn)題。本文主要對(duì)脫碳、裂紋、硬度不均這三個(gè)鋼坯及鋼料熱處理常見(jiàn)問(wèn)題的產(chǎn)生原因和預(yù)防措施進(jìn)行探究，以期促進(jìn)鋼坯及鋼料熱處理技術(shù)水平的提升，推動(dòng)我國(guó)鋼鐵冶煉行業(yè)的健康、持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鋼鐵;鋼坯;鋼料;熱處理

鋼坯及鋼料的熱處理質(zhì)量對(duì)鋼材各項(xiàng)性能具有決定性的影響，因此在鋼鐵冶煉中具有極為重要的地位和作用。然而，從實(shí)際情況來(lái)看，很多鋼鐵企業(yè)在進(jìn)行鋼坯及鋼料熱處理時(shí)，存在脫碳、材料裂縫、硬度不均的質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)鋼材質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響。因此，為有效保障鋼材冶煉、生產(chǎn)質(zhì)量，更好地滿足新時(shí)期人們對(duì)鋼材的質(zhì)量和性能要求，推動(dòng)我國(guó)鋼鐵行業(yè)健康、穩(wěn)定發(fā)展，深入探究鋼坯及鋼料熱處理過(guò)程中，脫碳、材料裂縫、硬度不均等主要問(wèn)題的產(chǎn)生原因和預(yù)防措施是極有必要的。

一、脫碳問(wèn)題及其預(yù)防措施

經(jīng)科研人員試驗(yàn)分析，引發(fā)脫碳問(wèn)題的原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）加熱溫度。鋼坯加熱過(guò)程中，脫碳層深度與加熱溫度成正比例關(guān)系，會(huì)隨著溫度的提高而增加。當(dāng)溫度≤1000℃時(shí)，鋼坯表面氧化鐵皮能夠有效阻礙碳原子的擴(kuò)散，此時(shí)脫碳速度比氧化速度慢;當(dāng)溫度>1000℃后，氧化鐵皮保護(hù)能力逐漸下降，達(dá)到某一溫度值后，脫碳速度就會(huì)大于氧化速度，從而引發(fā)脫碳問(wèn)題;（2）加熱時(shí)間。通過(guò)觀察試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，鋼坯脫碳層越深，但脫碳層深度與加熱時(shí)間并不成正比增長(zhǎng)關(guān)系，以高速鋼為例，1000℃條件下加熱30min后，脫碳層厚度為0.4mm;加熱240min后，厚度為1.0mm;加熱720min后，厚度為1.2mm;（3）加熱爐內(nèi)氣氛。受燃料成分、溫度、燃燒條件等因素的影響，加熱爐內(nèi)既有氧化性氣氛，也有還原性氣氛。這些氣氛中，能夠引發(fā)脫碳問(wèn)題的介質(zhì)有：H2O（汽）、H2、O2、CO2;具有增碳作用的介質(zhì)有：CH4、CO。若爐內(nèi)氣氛中脫碳介質(zhì)較多，則會(huì)顯著增加脫碳問(wèn)題的發(fā)生幾率;（4）材料自身化學(xué)成分。鋼坯的碳含量越高，則加熱后發(fā)生脫碳問(wèn)題的幾率越大。其中W、Al、Si等元素含量越高，脫碳幾率越大;而Cr、Mn等元素則能夠一定程度上阻止鋼脫碳[1]。

基于對(duì)脫碳問(wèn)題產(chǎn)生原因的了解，可以通過(guò)以下措施有效預(yù)防脫碳問(wèn)題的發(fā)生：（1）加強(qiáng)對(duì)加熱溫度的控制。在滿足相關(guān)工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，盡可能采用較低的加熱溫度，以確保氧化速度高于脫氧速度。以碳素鋼為例，最佳加熱溫度為600℃～640℃;（2）加強(qiáng)對(duì)加熱時(shí)間的控制。在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)允許的情況下，盡可能縮短加熱時(shí)間，特別是易脫碳鋼種，應(yīng)避免對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的高溫加熱;（3）盡可能將爐內(nèi)氣氛控制為強(qiáng)氧化性或中性氣氛，如在鹽浴爐進(jìn)行加熱，此外，若條件允許可加入適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)性氣體[2]。

二、裂紋問(wèn)題及其預(yù)防措施

經(jīng)科研人員試驗(yàn)分析，裂紋問(wèn)題的產(chǎn)生主要有以下兩方面原因：（1）鋼材質(zhì)量及化學(xué)成分原因。首先，鋼材自身含碳量和元素組成情況能夠直接影響裂紋問(wèn)題的發(fā)生幾率。馬氏體中含碳量的增加會(huì)導(dǎo)致鋼材脆性增大、脆斷強(qiáng)度降低，從而更易發(fā)生裂紋問(wèn)題;其次，原始組織為片狀珠光體的鋼材，在較高的加熱溫度下奧氏體晶粒會(huì)長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致鋼坯過(guò)熱，增大裂縫問(wèn)題的產(chǎn)生幾率;（2）工藝技術(shù)原因。主要包括：升溫速度過(guò)快、鋼坯表面積碳或脫碳、過(guò)燒或過(guò)熱、含氫氣氛下進(jìn)行加熱[3]。

基于對(duì)裂紋問(wèn)題產(chǎn)生原因的了解，可以從“橫裂紋”和“縱裂紋”兩個(gè)層面著手，展開(kāi)有效預(yù)防工作。

對(duì)于“橫裂紋”問(wèn)題可通過(guò)以下措施進(jìn)行有效預(yù)防：（1）合理鍛造鋼料。盡可能將鍛造比控制在2～3之間。同時(shí)采用“雙向十字變向”鍛造方法，經(jīng)五鐓五拔多火鍛造，使鋼料中的雜質(zhì)和碳化物以細(xì)小、均勻的狀態(tài)分布在基體中，從而顯著增強(qiáng)鋼料的橫向力學(xué)性能，消除或減少應(yīng)力源，有效避免橫裂縫問(wèn)題的發(fā)生;（2）科學(xué)選擇冷卻介質(zhì)和速度。在鋼料Ms點(diǎn)以上應(yīng)盡可能加快冷卻速度，確保其大于鋼料臨界淬火冷卻速度，使冷奧氏體產(chǎn)生熱應(yīng)力，促進(jìn)鋼料內(nèi)部和表層間的張應(yīng)力相互抵消，以此預(yù)防熱應(yīng)力對(duì)鋼料結(jié)構(gòu)的破壞作用，避免橫裂縫問(wèn)題的產(chǎn)生;（3）延緩鋼料Ms～Mf間的冷卻速度，使淬火馬氏體形成時(shí)所產(chǎn)生的組織應(yīng)力顯著降低，從而達(dá)到降低鋼料相變應(yīng)力，確?？刂茟?yīng)力總和為負(fù)值的目的，以此預(yù)防橫裂紋的產(chǎn)生;（4）使用Cl-1有機(jī)淬火介質(zhì)，并通過(guò)科學(xué)調(diào)整濃度配比，獲得不同的冷卻速度，以此控制硬化層分布的合理性，減少畸變，有效預(yù)防橫裂紋的產(chǎn)生。

對(duì)于“縱裂紋”問(wèn)題可通過(guò)以下措施進(jìn)行有效預(yù)防：（1）優(yōu)先選用真空冶煉方式;（2）根據(jù)實(shí)際情況，靈活運(yùn)用真空加熱、等溫淬火、分級(jí)淬火、脫氧鹽浴爐加熱、保護(hù)性氣氛加熱等先進(jìn)工藝技術(shù);（3）對(duì)鋼料質(zhì)量進(jìn)行全面檢測(cè)，對(duì)鋼料中有害雜質(zhì)含量進(jìn)行嚴(yán)格控制;（4）用有心淬火方式代替無(wú)心淬火方式，通過(guò)不完全淬透這一工藝技術(shù)，獲得高韌性的下貝氏體組織，從而顯著降低鋼料內(nèi)容拉應(yīng)力，有效避免縱裂紋的產(chǎn)生[4]。

三、硬度不均問(wèn)題及其預(yù)防措施

硬度不均是鋼坯、鋼料熱處理過(guò)程中一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題，其產(chǎn)生原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）熱處理過(guò)程中，鋼坯、鋼料未處于均溫區(qū);（2）缺風(fēng)，火焰飄動(dòng);（3）卡距遮擋住了燒嘴;（4）加熱爐內(nèi)鋼坯、鋼料堆放數(shù)量過(guò)多，雖熱電偶讀數(shù)符合熱處理溫度要求，但測(cè)量值主要為表面溫度，而鋼坯、鋼料的實(shí)際溫度并沒(méi)有達(dá)到工藝要求;（5）材料本身淬透性較低;（6）熱處理過(guò)程中，鋼坯、鋼料表面有脫碳層殘留;（7）鋼坯、鋼料完成淬火冷卻，從淬火介質(zhì)中取出時(shí)，溫度過(guò)高、冷卻不足;（8）回火溫度過(guò)高或不充分。

基于對(duì)硬度不均問(wèn)題產(chǎn)生原因的了解，可以通過(guò)以下措施進(jìn)行有效預(yù)防：（1）確保鋼坯、鋼料具有良好的預(yù)備熱處理組織，并根據(jù)實(shí)際情況，科學(xué)選擇最為合理的球化退火工藝及鍛造工藝;（2）明確淬火、回火工藝標(biāo)準(zhǔn)和操作要點(diǎn)，確保回火充分;（3）冷卻方式和介質(zhì)的選擇應(yīng)科學(xué)、合理，符合鋼料的使用技術(shù)要求;（4）熱處理前必須要徹底清除鋼坯、鋼料表面的氧化物和銹垢，并做好脫碳處理;（5）淬火油應(yīng)定期過(guò)濾和更換，并嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)控制堿浴水分含量;（6）若對(duì)鋼材硬度具有較高的要求，應(yīng)在采用深冷處理的基礎(chǔ)上，通過(guò)滲氮、氮碳共滲熱處理技術(shù)對(duì)其表面進(jìn)行強(qiáng)化處理[5]。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，鋼鐵企業(yè)應(yīng)深刻意識(shí)到鋼坯及鋼料熱處理的重要性，在全面了解脫碳、裂縫、硬度不均的主要問(wèn)題產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，通過(guò)行之有效的技術(shù)措施進(jìn)行有效預(yù)防和應(yīng)對(duì)，以此切實(shí)提升鋼坯及鋼料熱處理的技術(shù)水平和質(zhì)量，促進(jìn)我國(guó)鋼鐵行業(yè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]史媛媛.金屬材料熱處理形變的影響因素及預(yù)防措施[J].世界有色金屬，2021（11）：5-6.

[2]潘子民.我國(guó)金屬熱處理技術(shù)發(fā)展問(wèn)題分析及對(duì)策研究[J/OL].熱加工工藝：1-6[2021-11-23].https：//doi.org/10.14158/j.cnki.1001-3814.20192553.

[3]劉春菱.淺談中國(guó)熱處理工藝方法的發(fā)展趨勢(shì)和主要存在問(wèn)題[J].中國(guó)金屬通報(bào)，2020（05）：24-25.

[4]邱佳文，陳蓓.鋼鐵加熱鋼坯及鋼料熱處理容易出現(xiàn)的問(wèn)題[J].化工管理，2019（14）：183-184.

[5]竇毅民.淺談鋼鐵的熱處理工藝[J].中國(guó)金屬通報(bào)，2017（10）：38+37.

作者簡(jiǎn)介：

劉潤(rùn)杰（1992年09月），男，漢族，籍貫：河南省安陽(yáng)市，大學(xué)本科學(xué)歷，職稱：助力工程師，研究方向——冶金