第10講、中高碳鋼棒線材加熱特點(diǎn)與脫碳層控制技術(shù)

2022/12/161一、控制軋制與線材的加熱特點(diǎn)二、控制冷卻三、脫碳層控制技術(shù)第一頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/162一、控制軋制與線材的加熱特點(diǎn)1、棒線材的控制軋制（CR）隨著線材軋制速度的提高，軋后控制冷卻成為必不可少的一部分。軋制溫度的控制主要取決于加熱溫度、開(kāi)軋溫度。為滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)線材的高精度、高質(zhì)量要求，高速線材軋機(jī)得到發(fā)展。有的在高速線材精軋機(jī)組前增設(shè)預(yù)冷段（可降低軋件溫度100℃）及在精軋機(jī)組各機(jī)架間設(shè)水冷導(dǎo)衛(wèi)裝置，以降低軋件出精軋機(jī)組的溫度等。第二頁(yè)，共31頁(yè)。2、線材控溫軋制的優(yōu)點(diǎn)：

1）、減少脫碳；

2）、控制晶粒尺寸；

3）、改善鋼的冷變形性能；

4）、控制抗拉強(qiáng)度及顯微組織；

5）、取消熱處理及控制氧化鐵皮。第三頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/1643、棒線材的加熱：1）棒線材生產(chǎn)的特點(diǎn)產(chǎn)品特點(diǎn)：斷面小，長(zhǎng)度大，尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高。第四頁(yè)，共31頁(yè)。生產(chǎn)特點(diǎn)：增大盤(pán)重、減小線徑和提高質(zhì)量、精度二者是相互矛盾的。這是由于盤(pán)重增加和線徑減小，導(dǎo)致軋件長(zhǎng)度和軋制時(shí)間增加，從而又使軋件終軋溫度降低，首尾溫差加大，結(jié)果造成軋件首尾尺寸公差和性能不均。

為解決上述矛盾，必須盡量增加軋制速度。目前線材軋機(jī)成品出口速度已達(dá)100m/s以上。

線材軋機(jī)的高速是通過(guò)小輥徑、高轉(zhuǎn)速得到的。目前新式線材精軋機(jī)軋輥輥徑僅為φ152mm，而軋制速度高達(dá)140m/s。

2022/12/165第五頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/1662）現(xiàn)代化高速棒線材軋機(jī)的特點(diǎn)及要求

特點(diǎn)：坯重大，坯料 長(zhǎng)，首尾溫差大。第六頁(yè)，共31頁(yè)。

要求：

加熱溫度均勻，溫度波動(dòng)范圍小。理想的加熱溫度是鋼坯各點(diǎn)到達(dá)第一架軋機(jī)時(shí)其軋制溫度始終一樣。

對(duì)高碳鋼而言，一般開(kāi)軋溫度為900~1050℃，精軋機(jī)組入口軋件溫度為900~950℃，出口軋件溫度為900~1050℃。2022/12/167第七頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/168第八頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/1693）采取方法及加熱的要求

采用步進(jìn)式加熱爐加熱。要求：1）氧化脫碳少；

2）鋼坯不發(fā)生扭曲；

3）不產(chǎn)生過(guò)熱、過(guò)燒等加熱缺陷，對(duì)易脫碳的鋼，要嚴(yán)格控制高溫段的停留時(shí)間，采取低溫、快熱，為減少軋制溫降，加熱爐應(yīng)盡量靠近軋機(jī)。通常是將鋼坯兩端的溫度提高一些，通常鋼坯兩端比中部加熱溫度高30～50℃。第九頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/1610二、棒線材生產(chǎn)中的控制冷卻1、

控制冷卻的原理：

所謂控制冷卻，就是利用熱軋后的軋件余熱，以一定的控制手段控制其冷卻速度，從而獲得所需要的組織和性能的冷卻方法。

在線材生產(chǎn)過(guò)程中，線材軋后冷卻的溫度和冷卻速度決定了線材內(nèi)在組織、力學(xué)性能及表面氧化鐵皮數(shù)量，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有極其重要的影響，所以線材軋后如何冷卻，是產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。第十頁(yè)，共31頁(yè)。

現(xiàn)代化的高速線材軋機(jī)：終軋速度高達(dá)100m/s以上；終軋溫度高于1000℃，盤(pán)重達(dá)到2～3噸。如果采用自然冷卻，不僅使冷卻時(shí)間加長(zhǎng)，廠房、設(shè)備增大，而且會(huì)加劇盤(pán)卷內(nèi)外溫差，導(dǎo)致冷卻極不均勻；并使得成品組織晶粒粗大而不均勻；表面氧化鐵皮過(guò)厚；線材全長(zhǎng)上的性能波動(dòng)較大。對(duì)于中高碳鋼的線材，冷卻緩慢還容易引起二次脫碳。

因此，對(duì)高速線材軋機(jī)，為了克服上述缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)熱軋后的控制冷卻是必不可少的。2022/12/1611第十一頁(yè)，共31頁(yè)。2、線材控制冷卻的主要優(yōu)點(diǎn)（1）提高了線材的綜合機(jī)械性能，改善其在長(zhǎng)度方向上的均勻性；（2）改善金相組織，使晶粒細(xì)化；（3）減少氧化損失，縮短酸洗時(shí)間；（4）降低線材軋后溫度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，有利于線材二次加工。第十二頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/1613三、脫碳層的控制技術(shù)1、脫碳層的基本概述：1）脫碳現(xiàn)象

脫碳是鋼加熱時(shí)表面碳含量降低的現(xiàn)象。鋼中碳在高溫下會(huì)與氫或氧發(fā)生作用生成甲烷或一氧化碳。加熱造成的脫碳保留到鋼材上就稱(chēng)之為脫碳缺陷。鋼材表面脫碳層厚度稱(chēng)為脫碳層深度。

第十三頁(yè)，共31頁(yè)。

2）脫碳與氧化

鋼鐵在加熱的情況下，表面同時(shí)發(fā)生兩種化學(xué)變化。a：脫碳。b：氧化。

當(dāng)環(huán)境中氧氣含量充分時(shí)，氧化程度要大于脫碳，表面就形成氧化皮，如鍛造過(guò)程中出現(xiàn)的大面積氧化皮。隨著加熱溫度的提高，脫碳層的深度不斷增加。一般低于1000℃時(shí)，鋼表面的氧化皮阻礙碳的擴(kuò)散，脫碳比氧化慢，但隨著溫度升高，一方面氧化皮形成速度增加；另一方面氧化皮下碳的擴(kuò)散速度也加快，此時(shí)氧化皮失去保護(hù)能力，達(dá)到某一溫度后脫碳反而比氧化快。2022/12/1614第十四頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/1615脫碳層示意圖第十五頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/16163）脫碳層存在的危害

脫碳層的形成，對(duì)主要的中高碳鋼棒線材如滾動(dòng)軸承鋼、工具鋼和彈簧鋼等，對(duì)其抗拉強(qiáng)度，尤其是疲勞強(qiáng)度將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

原因如下：（1）表面脫碳后，脫碳的表面層形成犬牙狀鐵素體嵌入基體中，降低表面硬度；

（2）內(nèi)外膨脹系數(shù)不同，淬火時(shí)容易出現(xiàn)裂紋；（3）用于冷拉的線材，由于內(nèi)外組織差異，會(huì)增加變形抗力；（4）一些對(duì)表面硬度要求高的零件，因脫碳降低其耐磨性、切削性和彈性等。故對(duì)中高碳鋼棒線材，應(yīng)嚴(yán)格控制其表面脫碳層的深度。第十六頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/16172、脫碳層的檢測(cè)

1)常規(guī)的檢測(cè)方法及特點(diǎn)

目前，鋼表面脫碳層深度的檢測(cè)方法主要有金相法、硬度法和化學(xué)法。這三種方法能夠有效地運(yùn)用于脫碳層深度檢測(cè)，且比較成熟，同時(shí)存在一些缺點(diǎn)。A、金相法

理論依據(jù)是碳與顯微組織的相關(guān)性，即碳含量的差異可引起顯微組織的明顯變化。實(shí)際上，碳與顯微組織的相關(guān)性受到很多因素的影響，由此引起測(cè)量誤差。第十七頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/1618第十八頁(yè)，共31頁(yè)。B、硬度法利用含碳量與鋼在熱處理后硬度存在相關(guān)性的原理測(cè)定脫碳層深度，由于這種相關(guān)性只有在一定的含碳量范圍內(nèi)才是顯著的，因此其適用性受到限制。C、化學(xué)法

通過(guò)測(cè)定表面不同層的含碳量來(lái)測(cè)定脫碳層深度的，操作復(fù)雜，誤差大，不適用于生產(chǎn)檢驗(yàn)。

共同點(diǎn)：三種方法的共同問(wèn)題是檢驗(yàn)的破壞性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)100%檢測(cè)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。第十九頁(yè)，共31頁(yè)。A、利用菲克擴(kuò)散定律計(jì)算脫碳層厚度相關(guān)文獻(xiàn)在大量生產(chǎn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)碳素鋼在高溫有氧環(huán)境中脫碳動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行探討，采用菲克擴(kuò)散定律，推導(dǎo)出碳素鋼脫碳層厚度與表層碳濃度、溫度和時(shí)間的理論公式：

C/C0=erf﹛x/2.83[exp﹙1.68/T﹚t]1/2﹜式中：x—脫碳層深度，mm；t—時(shí)間，h；

C0—鋼中含碳量，wt%；R—(氣體常數(shù))，R=8.314；T—絕對(duì)溫度，K；C—鋼表面的含碳量(實(shí)驗(yàn)測(cè)定)。2）脫碳層的新檢測(cè)方法

第二十頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/1621當(dāng)含碳量為0.45%，T=973K，

保溫8h時(shí)，

可由上式得到圖1，

由圖1能夠得到預(yù)測(cè)公式。

第二十一頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/1622

此方法的實(shí)際意義：

(1)解決了一直困擾工業(yè)中的脫碳層的厚度無(wú)法定量計(jì)算問(wèn)題。結(jié)束了傳統(tǒng)的不合理的金相法或硬度法定性的留余量。(2)對(duì)大型零件在有氧氣氛中加熱和保溫，

給出了留余量的計(jì)算依據(jù)，以便節(jié)約材料和降低成本。對(duì)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)作用。

結(jié)論：隨著表層碳含量的增加，

鋼的脫碳層厚度隨之增加。第二十二頁(yè)，共31頁(yè)。B、脫碳層深度的無(wú)損檢測(cè)

2022/12/1623a、對(duì)淬火—回火的直徑變化進(jìn)行探究

相關(guān)文獻(xiàn)研究了脫碳層深度和彈簧鋼件熱處理前后尺寸變化關(guān)系，提出一種對(duì)彈簧鋼脫碳層深度進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法。

結(jié)果表明：脫碳層深度和彈簧鋼件熱處理前后尺寸存在關(guān)系，脫碳層深度從0.1mm增加到0.4mm的過(guò)程中，彈簧鋼試樣直徑增加0.0545mm。

因此，由彈簧鋼直徑變化的數(shù)值能夠間接地檢測(cè)彈簧鋼脫碳層深度。第二十三頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/1624第二十四頁(yè)，共31頁(yè)。b、理論基礎(chǔ)

熱處理后的金相組織分為表層和心部?jī)纱蟛糠?。心部是碳含量正常的回火屈氏體組織；表層為脫碳層，其組織為純鐵素體。彈簧鋼件進(jìn)行淬火-回火處理時(shí)，由于產(chǎn)生組織變化而引起尺寸變化。

淬火生成馬氏體時(shí)發(fā)生膨脹；回火引起的馬氏體的分解，造成尺寸收縮，

但若以淬火前的狀態(tài)為基準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)淬火-回火后的綜合尺寸變化最終是膨脹的，且馬氏體的含碳量越高，最終的尺寸膨脹變化越大。

可見(jiàn)，表面脫碳層的深度和馬氏體的含碳量存在一定關(guān)系。

第二十五頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/16263、脫碳層的控制技術(shù)1）生產(chǎn)設(shè)備的影響

對(duì)于中高碳鋼及其棒線材產(chǎn)品，由于含碳量高，

鋼坯加熱過(guò)程氧化、脫碳較嚴(yán)重。國(guó)外主要重軌生產(chǎn)廠，鋼坯加熱設(shè)備均采用計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)梁式加熱爐；國(guó)內(nèi)部分重軌生產(chǎn)廠加熱設(shè)備采用推鋼式連續(xù)加熱爐，步進(jìn)梁式加熱爐操作靈活，能夠控制鋼坯在加熱爐內(nèi)不同位置處的加熱時(shí)間。進(jìn)而保證產(chǎn)品質(zhì)量。第二十六頁(yè)，共31頁(yè)。2)工藝參數(shù)對(duì)棒線材脫碳層深度的影響2022/12/1627A、加熱時(shí)間

采用數(shù)學(xué)回歸法回歸為如下方程：y=-0.383+0.0433t1/2r=0.956式中：y—脫碳層深度,mm;t—加熱時(shí)間,min。加熱爐內(nèi)鋼坯加熱時(shí)間越長(zhǎng)，鋼軌的脫碳層深度越趨加厚，且脫碳層深度與鋼坯加熱時(shí)間的平方根成正比。

第二十七頁(yè)，共31頁(yè)。2022/12/1628第二十八頁(yè)，共31頁(yè)。

鋼坯加熱溫度與脫碳層深度直接相關(guān)。在相同的加熱時(shí)間下，加熱爐爐溫越高，鋼軌脫碳層越趨加深。這主要是鋼坯加熱溫度大于950℃時(shí)，脫碳層深度隨加熱溫度的升高而顯著增加。因此，加熱重軌鋼時(shí)，在滿(mǎn)足軋制溫度要求的條件下，應(yīng)盡量降低鋼坯的加熱溫度。

C、爐內(nèi)氣氛

在加熱爐均熱段為還原性氣氛下，由加熱鋼坯軋成的鋼軌，

其脫碳層深度均≤0.5mm，

這主要是因?yàn)樵诰鶡岫武撆骷訜釡囟容^高，

此時(shí)將均熱段空氣消耗系數(shù)控制在1.0以下，

保持高溫段爐內(nèi)氣氛為還原性氣氛，有