鋼材生產在線熱處理的金相組織分析

劉娟妮

摘要：在線熱處理，目前已廣泛地應用在世界各地的棒材生產線，現在隨著技術的發展，在高速線材生產中此技術也得以廣泛應用，通過軋鋼過程中的在線熱處理，可使軋件的金相結構得到合理的改善，獲得較好的組織結構，從而提高軋件的機械性能，而且使鋼材的焊接性、延伸性等不會受到影響。本文論述了鋼材生產在線熱處理的原理及過程，經金相組織分析表明，通過在線熱處理可以改善軋件的內部組織結構，從而獲得較好的機械強度。

關鍵詞：在線熱處理；金相組織；相變；機械性能

導言

隨著軋鋼生產設備的日趨完善，制定軋制過程的變形制度和溫度制度的調整范圍越來越寬，這就為優化軋制工藝制度提供了良好的條件。在加工金屬學領域，優化軋制生產工藝制度，達到控制產品性能的目的，逐漸減少火取消特殊生產過程中，離線熱處理的工作量，產生良好的經濟效益，這種技術的開發和應用已成為一種發展趨勢。控制軋制就是在熱軋過程中，通過對金屬加熱制度、變形制度和溫度制度的合理控制，使熱塑變形與固態相變相結合，獲得細小的晶顆組織，使鋼材具有優異的綜合力學性能。控制冷卻就是控制剛熱軋后的冷卻速度，目的是控制奧氏體晶顆長大，達到改善鋼材組織和性能的目的。控制軋制和控制冷卻相結合，共同應用與生產過程中，才能得到鋼材等待良好綜合性能。

一、鋼材軋制在線熱處理過程

（一）在線熱處理原理

鋼在熱軋過程中其組織有一定的變化規律，對于低碳鋼、低合金鋼、微合金化鋼和多數合金鋼都是在奧氏體區進行軋制，軋制后，隨軋件溫度的降低，由奧氏體向鐵素體或滲碳體及珠光體轉變，在這些過程中也有某些碳化物析出。軋件在熱軋過程中由于熱變形的作用，形變誘導相變，促使變形奧氏體向鐵素體轉變，相變后的鐵素體在高溫下晶粒容易長大，珠光體晶粒片層間距增大，引起力學性能降低，為了達到細化鐵素體晶粒，減小珠光體晶粒的間距而采用軋后控制冷卻。對中高碳鋼變形后，由于變形作用，碳化物要析出，而且在高溫時碳化物要長大，這樣降低了鋼的韌性，因此采用軋制后快速冷卻工藝可以防止碳化物的析出，改變其組織結構，從而提高機械強度。

（二）在線熱處理過程

鋼材軋制后的在線熱處理，一般分以下三步：第一，淬火階段：由布置在最后機架的水冷系統組成。合理有效的水冷設備可以使軋件在此處得以強烈冷卻，在軋件表面，其冷卻值超過馬氏體臨界值，因而可以在表面形成馬氏體結構。第二，回火階段：此時軋件經過水冷系統后暴露在空氣中，心部的熱量會傳到表層，那么對表面進行回火，即所謂的自回火。第三，最后冷卻：此階段發生在后面，主要是心部的奧氏體進行等溫相變，獲得最終的金相組織狀態。

二、金相組織分析

（一）自然冷卻時的金相組織變化

由上面的介紹可以清楚地看出，自然冷卻與在線水處理，其冷卻速度及金相組織是不同的，圖1為在自然冷卻與水冷系統中軋件的冷卻曲線。

在自然冷卻狀態下，軋件的冷卻速度大約在5℃/分～300℃/分，此冷卻速度在珠光體相變范圍內，因此，最終生成的金相組織為珠光體及鐵素體組織。

（二）水冷處理的鋼材金相組織

1.淬火階段的金相變化

在淬火階段，軋件溫度變化見圖1，可以看出，軋件的心部及表面冷卻速度是不一樣的，表面的冷卻速度要比心部快得多，表面大約在幾秒之內便由軋制溫度的950℃左右冷卻到200℃左右，因此表面高溫的奧氏體經過此強冷后，將轉變為馬氏體組織，而此時心部溫度保持在高溫區，其結構仍是奧氏體組織。

2.回火階段的組織變化

回火過程即為自回火，主要是心部保持的高溫與表層低溫的相互傳導，心部的熱量在較短的時間內傳到表層，與表層的溫度最終達到一致，圖1中P點即為回火后軋件的溫度，此時溫度可達600℃左右。經過淬火階段形成的馬氏體組織是不穩定的，有自發轉變為鐵素體和滲碳體平衡組織的傾向。由于軋件自身的心部熱量回火，可以使這種轉變容易進行。在200℃左右回火，高碳鋼有碳化物析出，其中主要是馬氏體組織；中碳鋼回火仍保持淬火時形成的板條和片狀馬氏體形態；而對低碳鋼淬火后將獲得板條狀馬氏體組織，經過回火后，只有碳原子的偏聚，而沒有任何碳化物析出，其形態是保持不變的，因此回火后得到的回火馬氏體仍為板條狀結構。在此階段中，由于最終的溫度已達600℃左右，已低于奧氏體相變溫度，因此，心部的奧氏體組織變為鐵素體和珠光體組織。

3.最終冷卻階段的金相組織

最終冷卻階段是由600℃緩冷至室溫狀態下，此時的金相組織無任何變化。由于回火階段心部冷卻速度較快，大約在400℃/分左右，因此形成的心部珠光體結構，其晶粒是非常細小的。因此，經過水冷的軋件，最終組織結構表面為回火馬氏體，心部為鐵素體及珠光體組織。

此外還需說明，對軋件規格大小的不同，其冷卻后的金相組織也稍有不同。對于小規格的產品，其結果如前所述，而對于較大規格的軋件，主要是由于表層與心部的過渡區較大，而在此過渡區的過冷溫度是在貝氏體相變區域內，因此，過渡層中的結構是馬氏體、貝氏體與珠光體的混合結構形態。

三、機械性能比較

對于自然冷卻與經過在線水處理的軋件，由于內部金相組織變化不同，其機械性能是不同的。

由附表可見，通過水冷獲得的軋件機械性能，其屈服強度比自然冷卻提高25%～50%，抗拉強度提高12%～30%。由于表面的馬氏體組織，使硬度相應增加，同時由于心部的珠光體、鐵素體組織，又不會使其脆性增大。

結束語

在線熱處理是一個十分有效的方法，通過它可以改善軋件的內部組織結構，從而獲得較好的機械強度。軋件的在線熱處理，可以通過淬火形成表層的馬氏體組織，又通過心部熱量外傳，對表層馬氏體自回火，使表層得到回火馬氏體組織。而心部由于表層的冷卻，致使溫降較大，從而細化了生成的珠光體組織。這不僅加強了表層的硬度，而且使心部組織也得以改善。因此，能夠經濟地獲得高機械性能的鋼材。

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