钢材生产在线热处理的金相组织分析

刘娟妮

摘要：在线热处理，目前已广泛地应用在世界各地的棒材生产线，现在随着技术的发展，在高速线材生产中此技术也得以广泛应用，通过轧钢过程中的在线热处理，可使轧件的金相结构得到合理的改善，获得较好的组织结构，从而提高轧件的机械性能，而且使钢材的焊接性、延伸性等不会受到影响。本文论述了钢材生产在线热处理的原理及过程，经金相组织分析表明，通过在线热处理可以改善轧件的内部组织结构，从而获得较好的机械强度。

关键词：在线热处理；金相组织；相变；机械性能

导言

随着轧钢生产设备的日趋完善，制定轧制过程的变形制度和温度制度的调整范围越来越宽，这就为优化轧制工艺制度提供了良好的条件。在加工金属学领域，优化轧制生产工艺制度，达到控制产品性能的目的，逐渐减少火取消特殊生产过程中，离线热处理的工作量，产生良好的经济效益，这种技术的开发和应用已成为一种发展趋势。控制轧制就是在热轧过程中，通过对金属加热制度、变形制度和温度制度的合理控制，使热塑变形与固态相变相结合，获得细小的晶颗组织，使钢材具有优异的综合力学性能。控制冷却就是控制刚热轧后的冷却速度，目的是控制奥氏体晶颗长大，达到改善钢材组织和性能的目的。控制轧制和控制冷却相结合，共同应用与生产过程中，才能得到钢材等待良好综合性能。

一、钢材轧制在线热处理过程

（一）在线热处理原理

钢在热轧过程中其组织有一定的变化规律，对于低碳钢、低合金钢、微合金化钢和多数合金钢都是在奥氏体区进行轧制，轧制后，随轧件温度的降低，由奥氏体向铁素体或渗碳体及珠光体转变，在这些过程中也有某些碳化物析出。轧件在热轧过程中由于热变形的作用，形变诱导相变，促使变形奥氏体向铁素体转变，相变后的铁素体在高温下晶粒容易长大，珠光体晶粒片层间距增大，引起力学性能降低，为了达到细化铁素体晶粒，减小珠光体晶粒的间距而采用轧后控制冷却。对中高碳钢变形后，由于变形作用，碳化物要析出，而且在高温时碳化物要长大，这样降低了钢的韧性，因此采用轧制后快速冷却工艺可以防止碳化物的析出，改变其组织结构，从而提高机械强度。

（二）在线热处理过程

钢材轧制后的在线热处理，一般分以下三步：第一，淬火阶段：由布置在最后机架的水冷系统组成。合理有效的水冷设备可以使轧件在此处得以强烈冷却，在轧件表面，其冷却值超过马氏体临界值，因而可以在表面形成马氏体结构。第二，回火阶段：此时轧件经过水冷系统后暴露在空气中，心部的热量会传到表层，那么对表面进行回火，即所谓的自回火。第三，最后冷却：此阶段发生在后面，主要是心部的奥氏体进行等温相变，获得最终的金相组织状态。

二、金相组织分析

（一）自然冷却时的金相组织变化

由上面的介绍可以清楚地看出，自然冷却与在线水处理，其冷却速度及金相组织是不同的，图1为在自然冷却与水冷系统中轧件的冷却曲线。

在自然冷却状态下，轧件的冷却速度大约在5℃/分～300℃/分，此冷却速度在珠光体相变范围内，因此，最终生成的金相组织为珠光体及铁素体组织。

（二）水冷处理的钢材金相组织

1.淬火阶段的金相变化

在淬火阶段，轧件温度变化见图1，可以看出，轧件的心部及表面冷却速度是不一样的，表面的冷却速度要比心部快得多，表面大约在几秒之内便由轧制温度的950℃左右冷却到200℃左右，因此表面高温的奥氏体经过此强冷后，将转变为马氏体组织，而此时心部温度保持在高温区，其结构仍是奥氏体组织。

2.回火阶段的组织变化

回火过程即为自回火，主要是心部保持的高温与表层低温的相互传导，心部的热量在较短的时间内传到表层，与表层的温度最终达到一致，图1中P点即为回火后轧件的温度，此时温度可达600℃左右。经过淬火阶段形成的马氏体组织是不稳定的，有自发转变为铁素体和渗碳体平衡组织的倾向。由于轧件自身的心部热量回火，可以使这种转变容易进行。在200℃左右回火，高碳钢有碳化物析出，其中主要是马氏体组织；中碳钢回火仍保持淬火时形成的板条和片状马氏体形态；而对低碳钢淬火后将获得板条状马氏体组织，经过回火后，只有碳原子的偏聚，而没有任何碳化物析出，其形态是保持不变的，因此回火后得到的回火马氏体仍为板条状结构。在此阶段中，由于最终的温度已达600℃左右，已低于奧氏体相变温度，因此，心部的奥氏体组织变为铁素体和珠光体组织。

3.最终冷却阶段的金相组织

最终冷却阶段是由600℃缓冷至室温状态下，此时的金相组织无任何变化。由于回火阶段心部冷却速度较快，大约在400℃/分左右，因此形成的心部珠光体结构，其晶粒是非常细小的。因此，经过水冷的轧件，最终组织结构表面为回火马氏体，心部为铁素体及珠光体组织。

此外还需说明，对轧件规格大小的不同，其冷却后的金相组织也稍有不同。对于小规格的产品，其结果如前所述，而对于较大规格的轧件，主要是由于表层与心部的过渡区较大，而在此过渡区的过冷温度是在贝氏体相变区域内，因此，过渡层中的结构是马氏体、贝氏体与珠光体的混合结构形态。

三、机械性能比较

对于自然冷却与经过在线水处理的轧件，由于内部金相组织变化不同，其机械性能是不同的。

由附表可见，通过水冷获得的轧件机械性能，其屈服强度比自然冷却提高25%～50%，抗拉强度提高12%～30%。由于表面的马氏体组织，使硬度相应增加，同时由于心部的珠光体、铁素体组织，又不会使其脆性增大。

结束语

在线热处理是一个十分有效的方法，通过它可以改善轧件的内部组织结构，从而获得较好的机械强度。轧件的在线热处理，可以通过淬火形成表层的马氏体组织，又通过心部热量外传，对表层马氏体自回火，使表层得到回火马氏体组织。而心部由于表层的冷却，致使温降较大，从而细化了生成的珠光体组织。这不仅加强了表层的硬度，而且使心部组织也得以改善。因此，能够经济地获得高机械性能的钢材。

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