钢铁加热钢坯及钢料热处理的主要问题探讨①

刘润杰 孙志远 汪志忠

摘要：钢坯及钢料热处理是钢铁冶炼中一个极为重要的工艺流程，其处理质量能够直接影响钢铁的力学性能，因此，如何提高钢坯及钢料热处理质量是相关企业及技术人员重点思考的问题。本文主要对脱碳、裂纹、硬度不均这三个钢坯及钢料熱处理常见问题的产生原因和预防措施进行探究，以期促进钢坯及钢料热处理技术水平的提升，推动我国钢铁冶炼行业的健康、持续发展。

关键词：钢铁;钢坯;钢料;热处理

钢坯及钢料的热处理质量对钢材各项性能具有决定性的影响，因此在钢铁冶炼中具有极为重要的地位和作用。然而，从实际情况来看，很多钢铁企业在进行钢坯及钢料热处理时，存在脱碳、材料裂缝、硬度不均的质量问题，对钢材质量造成严重的影响。因此，为有效保障钢材冶炼、生产质量，更好地满足新时期人们对钢材的质量和性能要求，推动我国钢铁行业健康、稳定发展，深入探究钢坯及钢料热处理过程中，脱碳、材料裂缝、硬度不均等主要问题的产生原因和预防措施是极有必要的。

一、脱碳问题及其预防措施

经科研人员试验分析，引发脱碳问题的原因主要有以下几点：（1）加热温度。钢坯加热过程中，脱碳层深度与加热温度成正比例关系，会随着温度的提高而增加。当温度≤1000℃时，钢坯表面氧化铁皮能够有效阻碍碳原子的扩散，此时脱碳速度比氧化速度慢;当温度>1000℃后，氧化铁皮保护能力逐渐下降，达到某一温度值后，脱碳速度就会大于氧化速度，从而引发脱碳问题;（2）加热时间。通过观察试验可以发现，加热时间越长，钢坯脱碳层越深，但脱碳层深度与加热时间并不成正比增长关系，以高速钢为例，1000℃条件下加热30min后，脱碳层厚度为0.4mm;加热240min后，厚度为1.0mm;加热720min后，厚度为1.2mm;（3）加热炉内气氛。受燃料成分、温度、燃烧条件等因素的影响，加热炉内既有氧化性气氛，也有还原性气氛。这些气氛中，能够引发脱碳问题的介质有：H2O（汽）、H2、O2、CO2;具有增碳作用的介质有：CH4、CO。若炉内气氛中脱碳介质较多，则会显著增加脱碳问题的发生几率;（4）材料自身化学成分。钢坯的碳含量越高，则加热后发生脱碳问题的几率越大。其中W、Al、Si等元素含量越高，脱碳几率越大;而Cr、Mn等元素则能够一定程度上阻止钢脱碳[1]。

基于对脱碳问题产生原因的了解，可以通过以下措施有效预防脱碳问题的发生：（1）加强对加热温度的控制。在满足相关工艺技术标准的基础上，尽可能采用较低的加热温度，以确保氧化速度高于脱氧速度。以碳素钢为例，最佳加热温度为600℃～640℃;（2）加强对加热时间的控制。在规范标准允许的情况下，尽可能缩短加热时间，特别是易脱碳钢种，应避免对其进行长时间的高温加热;（3）尽可能将炉内气氛控制为强氧化性或中性气氛，如在盐浴炉进行加热，此外，若条件允许可加入适当的保护性气体[2]。

二、裂纹问题及其预防措施

经科研人员试验分析，裂纹问题的产生主要有以下两方面原因：（1）钢材质量及化学成分原因。首先，钢材自身含碳量和元素组成情况能够直接影响裂纹问题的发生几率。马氏体中含碳量的增加会导致钢材脆性增大、脆断强度降低，从而更易发生裂纹问题;其次，原始组织为片状珠光体的钢材，在较高的加热温度下奥氏体晶粒会长大，从而导致钢坯过热，增大裂缝问题的产生几率;（2）工艺技术原因。主要包括：升温速度过快、钢坯表面积碳或脱碳、过烧或过热、含氢气氛下进行加热[3]。

基于对裂纹问题产生原因的了解，可以从“横裂纹”和“纵裂纹”两个层面着手，展开有效预防工作。

对于“横裂纹”问题可通过以下措施进行有效预防：（1）合理锻造钢料。尽可能将锻造比控制在2～3之间。同时采用“双向十字变向”锻造方法，经五镦五拔多火锻造，使钢料中的杂质和碳化物以细小、均匀的状态分布在基体中，从而显著增强钢料的横向力学性能，消除或减少应力源，有效避免横裂缝问题的发生;（2）科学选择冷却介质和速度。在钢料Ms点以上应尽可能加快冷却速度，确保其大于钢料临界淬火冷却速度，使冷奥氏体产生热应力，促进钢料内部和表层间的张应力相互抵消，以此预防热应力对钢料结构的破坏作用，避免横裂缝问题的产生;（3）延缓钢料Ms～Mf间的冷却速度，使淬火马氏体形成时所产生的组织应力显著降低，从而达到降低钢料相变应力，确保控制应力总和为负值的目的，以此预防横裂纹的产生;（4）使用Cl-1有机淬火介质，并通过科学调整浓度配比，获得不同的冷却速度，以此控制硬化层分布的合理性，减少畸变，有效预防横裂纹的产生。

对于“纵裂纹”问题可通过以下措施进行有效预防：（1）优先选用真空冶炼方式;（2）根据实际情况，灵活运用真空加热、等温淬火、分级淬火、脱氧盐浴炉加热、保护性气氛加热等先进工艺技术;（3）对钢料质量进行全面检测，对钢料中有害杂质含量进行严格控制;（4）用有心淬火方式代替无心淬火方式，通过不完全淬透这一工艺技术，获得高韧性的下贝氏体组织，从而显著降低钢料内容拉应力，有效避免纵裂纹的产生[4]。

三、硬度不均问题及其预防措施

硬度不均是钢坯、钢料热处理过程中一个常见的问题，其产生原因主要有以下几点：（1）热处理过程中，钢坯、钢料未处于均温区;（2）缺风，火焰飘动;（3）卡距遮挡住了烧嘴;（4）加热炉内钢坯、钢料堆放数量过多，虽热电偶读数符合热处理温度要求，但测量值主要为表面温度，而钢坯、钢料的实际温度并没有达到工艺要求;（5）材料本身淬透性较低;（6）热处理过程中，钢坯、钢料表面有脱碳层残留;（7）钢坯、钢料完成淬火冷却，从淬火介质中取出时，温度过高、冷却不足;（8）回火温度过高或不充分。

基于对硬度不均问题产生原因的了解，可以通过以下措施进行有效预防：（1）确保钢坯、钢料具有良好的预备热处理组织，并根据实际情况，科学选择最为合理的球化退火工艺及锻造工艺;（2）明确淬火、回火工艺标准和操作要点，确保回火充分;（3）冷却方式和介质的选择应科学、合理，符合钢料的使用技术要求;（4）热处理前必须要彻底清除钢坯、钢料表面的氧化物和锈垢，并做好脱碳处理;（5）淬火油应定期过滤和更换，并严格按照相关规范标准控制碱浴水分含量;（6）若对钢材硬度具有较高的要求，应在采用深冷处理的基础上，通过渗氮、氮碳共渗热处理技术对其表面进行强化处理[5]。

结语：

综上所述，钢铁企业应深刻意识到钢坯及钢料热处理的重要性，在全面了解脱碳、裂缝、硬度不均的主要问题产生原因的基础上，通过行之有效的技术措施进行有效预防和应对，以此切实提升钢坯及钢料热处理的技术水平和质量，促进我国钢铁行业的健康、稳定发展。

参考文献：

[1]史媛媛.金属材料热处理形变的影响因素及预防措施[J].世界有色金属，2021（11）：5-6.

[2]潘子民.我国金属热处理技术发展问题分析及对策研究[J/OL].热加工工艺：1-6[2021-11-23].https：//doi.org/10.14158/j.cnki.1001-3814.20192553.

[3]刘春菱.浅谈中国热处理工艺方法的发展趋势和主要存在问题[J].中国金属通报，2020（05）：24-25.

[4]邱佳文，陈蓓.钢铁加热钢坯及钢料热处理容易出现的问题[J].化工管理，2019（14）：183-184.

[5]窦毅民.浅谈钢铁的热处理工艺[J].中国金属通报，2017（10）：38+37.

作者简介：

刘润杰（1992年09月），男，汉族，籍贯：河南省安阳市，大学本科学历，职称：助力工程师，研究方向——冶金