钢材在线热处理技术及金相组织分析

2021-12-01李明

中国金属通报 2021年2期

李明

（河钢邯钢技术中心热轧检验站长材作业区，河北邯郸 056000）

在线热处理是目前在钢材热轧生产中所广泛采用的热处理工艺，属于控制轧制中的一种金属加工方式。其工艺主要是利用钢材热轧后金属内部所存在的潜热，通过对钢材轧制后冷却速度、变形制度的合理控制，使钢材温度变化的过程与离线热处理温降过程相接近，同时获得相同或相近的钢材微观组织和力学性能。在固态相变和热塑性变形的共同作用下，使钢材获得更为细致、紧密和均匀的晶粒组织，从而改善其抗弯曲、抗冲击等各种力学性能，提高产品质量。在线热处理工艺具有生产成本低、生产效率高、产品质量好的优点，目前已经逐渐取代了传统的合金化处理技术，在低合金钢和微合金钢生产领域得到广泛应用。本文首先分析了在线热处理生产工艺组织，对钢材在线热处理的金相组织检测分析方法进行了探讨。

1 在线热处理技术工艺概述

1.1 在线热处理工艺原理

在线热处理技术是基于控制轧制理论而修建发展形成的金属热加工技术，在国外又被称为热机械处理。在高品质长材的热加工生产环节中，在线热处理工艺位于UF精轧和热打印工艺之后，其工艺主要是利用钢材热轧后金属内部所存在的潜热，按照热加工数据模型对钢材的加热过程和温度变化等予以控制，使其内部晶粒组织大小和分布得到改善，控制碳氮化物微合金元素的析出，阻止铁素体晶粒长大，从而达到改善钢材综合力学性能的目的。在热轧生产中，钢材内部晶粒组织会根据内部成分和温度变化呈现出一定规律性，合金钢、低碳钢等都是在奥氏体区进行轧制。在钢材轧制结束冷却的过程中，组织内奥氏体会随轧件温度的降低向珠光体、渗碳体或铁素体转变；与此同时会有某些碳化物析出。由于热轧过程中轧件热变形的作用，由奥氏体相变后的铁素体晶粒会明显长大，珠光体晶粒间距增大，继而会引起钢材力学性能的恶化，变得更容易开裂和折断。为了达到阻止铁素体晶粒长大和缩小珠光体晶粒间隙的目的，我们可以通过对钢材的加热和冷却过程进行控制，采用轧制后快去冷却工艺使其温度变化更接近于离线热处理降温过程，从而防止碳化物析出和改善组织结构，提高钢材的机械强度。根据生产经验，理想的热处理效果其淬层深度可达到35mm以上，钢材整体强度均可得到均匀强化。

1.2 在线热处理工艺的过程

根据对钢材的温度变化的不同，在线热处理一般可分为三个环节：一是淬火环节，主要是利用冷却水对轧制后的高温钢材进行急剧降温冷却，使轧件表面形成具有更高强度与硬度的马氏体结构；第二环节是回火，经过淬火后的钢材，其表面温度要低于内部温度，此时钢材内部的热量就会向外部传递，继而使表面温度升高。由于其温升热量来自于钢材内部，因而也被称为自回火；第三是冷却环节，经过自回火后轧件，其表面与内部温度逐渐趋于一致，内部的奥氏体经过等温相变，获得最终的金相组织。

2 在线热处理过程中轧件金相组织的变化

在淬火冷却和自然冷却的过程中，由于冷却速度、热量传递和轧件温度变化的不同，热处理不同阶段其内部金相组织变化也是不同的。淬火冷却下，轧件可在几秒钟之内由900℃以上快速降低至200℃左右；而在自然冷却状态下，轧件冷却速度则大约在10℃~200℃范围内。

2.1 淬火阶段的金相组织变化

在淬火阶段，轧件表面与心部的温度变化是不一样的，因而其金相组织也是不同的。表面温度在急剧下降之后会形成坚硬的马氏体结构；而心部由于仍保持着较高的问题，因而其金相组织并无显著变化，仍旧以奥氏体组织为主。

2.2 自回火阶段的金相组织变化

由于淬火后轧件表面与心部温度相差很大，因而在自回火阶段，轧件心部的温度会快速地向表面进行传递，最终使轧件表面与心部温度趋于接近。在淬火阶段轧件表面形成的马氏体结构并不稳定，在内部传热和自然冷却的过程中有转变为渗碳体和铁素体平衡组织的倾向。经过自回火后，低碳钢与中碳钢的马氏体组织只有碳原子的偏聚，没有碳化物的析出，其原有的马氏体结构基本不会发生改变；而高碳钢则主要为碳化物析出，其中主要为马氏体组织。自回火阶段，轧件最终温度已低于奥氏体相变温度，因此轧件心部的奥氏体组织会变为珠光体和铁素体组织。

2.3 最终冷却阶段的金相组织变化

高温轧件从自回火阶段自然冷却至室内状态，其温度始终在600℃以下，这个过程中基本不会发生金相组织的变化，心部在较快的冷却速度下会形成晶粒细小的珠光体结构。经过淬火、自回火、自然冷却三个阶段之后，轧件最终的组织结构为心部珠光体、铁素体；表面为马氏体。根据对不同尺寸规格轧件的金相组织检验发现，其规格尺寸大小也会对金相组织有所影响。小规格轧件在热处理过程中其金相组织变化基本与上述变化一致；而大尺寸规格的轧件由于表层与心部存在较大的过渡区，心部温度并不能快速直接地达到表面，而此过渡区的温度则处在贝氏体相变区域内。因此，大尺寸规格轧件在心部与表面过渡区域的金相组织呈现出贝氏体、马氏体与珠光体的混合结构形态。

3 钢材热处理环节金相组织的检验与分析

从理论上来讲，经过在线热处理的钢材具有理想的强度和韧性，表面的马氏体结构使钢材具备了较高的硬度，而内部的珠光体、铁素体组织使其保持了一定的脆性，不易发生折断。如何判断金属热处理是否合格，其关键还是要以金相组织的检验和分析为依据。

3.1 金相组织观察

3.1.1 观察组织物成分类型

根据在线热处理温度控制和材料规格尺寸的不同，钢材组织成分及其含量也会略有不同。金相观察时，首先要判断轧件晶粒组织中有几种组织成分，是单一组成物还是两相或是多相的混合成分。在金相电镜下，不同的组成物呈现为不同的形态特征、明暗程度和色彩差，利用其特征即可快速识别轧件的晶粒组织成分及其厚度。比如最先形成的总是从奥氏体晶界开始形核。大多数情况下，通过在电镜下观察晶粒明暗程度和形态分布的不同，即可判断出钢材热处理的效果和产品是否质量要求。

3.1.2 形态观察

晶粒组织形态是轧件金相检查的基础内容，也是判断热处理是否合格的“金标准”。一些特定的晶粒组织在电镜下有极显著的特征。比如电镜下呈块状分布的白色物质一般为铁素体或奥氏体；呈指纹状分布的是珠光体；呈羽毛状形态的是上贝氏体；黑色针状物为下贝氏体或马氏体。金相组织检查首先要观察组织物的形态，是片状、针状还是网状、颗粒状；是呈亮白色还是暗灰色等。以此来判断轧件的金相组织分布。在金相检查时要注意观察试样的浸蚀程度，选择浸蚀合理的试样才能保证金相检查的准确性；在实际的金相检查操作时，很多缺乏经验的检验人员往往因制样错误或浸蚀不合理而导致金相检查判断错误。在检查时还要注意，不要简单的根据组织颜色就轻易地判断组织成分，还要结合外观形态去综合分析。比如呈亮白色既有可能是碳化物，也有可能是奥氏体或铁素体，可通过调整电镜倍数结合晶粒组织分布去判断。

3.1.3 组成物的分布

内部组织物分布也是判断晶粒组成物的重要依据，对于判断钢材强度也有一定的参考价值。电镜下呈网格状分布的都属于沿晶界分布；呈点状、片状等形式的都属于晶内分布。金相检查时要注意，在沿晶析出物很少时，有时很难判断其是沿晶分布还是晶内分布。此时，就需要采用更高显示倍数更为细致地去观察分布走向，结合经验去做出正确判断；还有就是当组成物较为多样且复杂地夹杂在一起时，也很难识别组成物分布，此时就需要根据电镜检查结果结合热处理理论去综合分析判断。

3.2 金相组织检查的理论分析

热处理组织的理论分析主要利用了过冷奥氏体的转变原理，结合具体的热处理参数进行判断。

3.2.1 分析可能出现的组织物成分

当热处理温度在碳钢实际加热相变温度以上时，碳钢会变成单一的奥氏体；若低于该相变温度，则会出现未溶的碳化物或铁素体。而在钢自然冷却的过程中，该组织由于具有较强的稳定性因而不会发生转变。钢在冷却时，一般会先发生共析转变，析出珠光体；然后发生马氏体和贝氏体转变。具体发生何种转变则需要以刚冷却速度与C曲线变化来判断。大于临界冷却速度得到的马氏体和贝氏体组织是钢材热处理中最为理想的组织成分。每种组织成分的生成量主要与钢材冷却时越过几个转变区，并在该转变区停留的时间呈正比，这也是我们能够通过控制热处理参数来调节钢材内部组织成分的原因；而根据该原理我们也可以推断出不同含碳量钢材在不同热处理条件下钢材内部成分组成。

3.2.2 相近形态组织物的分别

相近形态组织物的分别是金相检查的难点，混淆的话则容易错误判断钢材的组织成分。淬火组织中，块状白色物质有可能是碳化物、铁素体，也有可能是奥氏体，亦或是几种皆有。如果白色块状物出现在亚共析碳钢中，则肯定是铁素体或奥氏体；如果该块状物分布在马氏体间隙，则可判断为残余奥氏体。铁素体根据加热冷却条件可成为末溶铁素体或是共析铁素体，其区别在于末溶铁素体多呈碎块状分散分布；共析铁素体常呈网格状分布，如果生成量较少还有可能呈网状形态的颗粒状分布。白色基体上分布的白色颗粒状有可能为珠光体或者是贝氏体，可根据冷却方式和材料加以判断。如果回火温度大于700℃则很可能为回火珠光体；如果材料中不存在可转变为贝氏体的奥氏体，那么无论是哪种淬火降温方式都可以排除贝氏体存在的可能。回火后常见的金相组织还包括黑色的针状物，为区分其为马氏体还是贝氏体，则要根据材料化学成分和回火温度做出判断。