钢材高温短时间脱碳研究.pdf

DOI:10.16683/J.CNKI.ISSN1674-0971.2023.3039前言脱碳1-4是钢铁材料加热过程中经常出现的问题之一。脱碳不仅损害材料组织，而且导致钢材疲劳强度、硬度、耐磨性降低，还会造成合金钢中合金元素的贫化5-7，这严重影响了钢铁材料的使用性能。如材料表面脱碳，表层毛刺促进内部局部区域塑性大，造成胀断受力不均匀，在最终撕裂区形成撕裂岭，也会带来掉屑8。如冷镦开裂原因为热轧钢材高温短时间脱碳研究曾海霞（江阴兴澄特种钢铁有限公司研究院，无锡 江阴 214400）摘 要：为了验证轧制过程中出现裂纹，高温短时间内是否产生脱碳，并为今后更准确地研究钢的表面裂纹，我们立项研究钢材在高温短时间情况下的脱碳现象。试验将试样加工成10mm80mm，在热模拟试验机上以100/S的速度加热到一定温度，保温一段时间后按1/S的速度冷却至室温，然后用线切割从热电偶处切开在金相下观察脱碳情况。结果表明：在空气中900 的温度区间停留1分钟以上，对于新的表面，碳钢的脱碳层深度至少为0.08 mm，合金钢的脱碳层深度至少为0.02mm，并且随着温度的升高和保温时间的延长，脱碳层深度逐渐增加。关键词：裂纹;脱碳温度;时间中图分类号：TG142.1文献标识码：B文章编号：1674-0971（2023）-003-04Study on short time decarburization of steel at hightemperatureZeng Haixia（The Research Institute of Jiangyin Xingcheng Special Steel Co.,Ltd,Jiangyin 214429,Jiangsu,China）Abstract:In order to verify the crack in the rolling process,whether there is decarburization in a short time athigh temperature,and to study the negative surface crack more accurately in the future,we set up a project to studythe decarburization phenomenon of steel under a short time at high temperature.The test samples were processed tobe10 mm80mm,and heated to a certain temperature at the speed of 100/S on the thermal simulator.Afterholding for a period of time,the samples were cooled to room temperature at the speed of 1/S.Then cut throughthe thermocouple with wire cutting to observe the decarburization under the microscopy.The results show that:thedecarburization depth of carbon steel is at least 0.08mm and the decarburization layer depth of alloy steel is at least0.02 mm on the new surface when the temperature900 stays in the air for more than 1 minute.The decarburi-zation layer depth of alloy steel increases gradually with the increase of temperature and the extension of holdingtime.Keywords:crack,decarburization temperature,time收件日期：2023-5-17作者简介：曾海霞（1975），女，本科学历，高级工程师，1997年毕业于株洲冶金工业学校金属压力加工专业，现主要从事轧钢工艺研究，E-mail:。特钢技术Special Steel Technology第29卷 总第116期2023年第3期Vol.29（116）2023.No.3盘条表面存在完全脱碳层，导致强度下降，致使表层基体受冷镦成型过程中应力作用产生开裂9。在加热过程中影响脱碳的主要因素有加热温度、加热时间、钢的成分和炉内气氛，另外在生产过程中还有加热道次、压缩比和孔型设计等因素10。脱碳不仅在加热炉中发生，在轧制后的冷却过程也会发生。火谷三朗等研究Si-Mn弹簧钢的脱碳行为时发现：在转变温度区650800 也发生脱碳。钢铁企业取样分析钢材生产过程中出现的表面裂纹时，经常发现裂纹周围有一定程度的脱碳（0.050.6 mm不等），按照目前的理解，一般认为脱碳是坯料在加热炉加热及保温过程中产生的，因为钢坯出炉后的轧制过程非常短，从连铸坯出炉到轧制完毕钢材上冷床历时最多5分钟，连铸坯出炉时的温度一般为1 100 左右，上冷床的温度大概是在950 左右（随着规格变化的），之后就是在冷床空冷到650 左右的时间约78分钟，650 以后应该不会产生脱碳了。普遍认为，如果在出加热炉后的某个时刻突然产生了裂纹的话，应该不会出现脱碳或者出现极其轻微的脱碳；但实际是不是这样呢？实际情况究竟如何呢？目前鲜有这方面的研究。本文把试样剥皮后加工成1080，按表1的温度和时间在热模拟试验机上以100/S的速度加热到温并保温后按1/S的速度冷却至室温，然后用线切割从热电偶处切开在金相下观察脱碳情况。摸索脱碳规律，为控制钢材的表面裂纹和表面脱碳提供理论依据。1实验钢种试验钢种：C56E2SWRS82BBKGCr1542CrMo55Cr3SWRS87Mn；2试验结果2.1 轴承钢GCr15高温短时间脱碳研究试验结果试验结果见图12，从图1看出，即使是在900 保持1分钟，也会产生0.02 mm的脱碳，并且随着温度的升高和保温时间的延长，脱碳逐渐增加；在1 100 保持1分钟就会产生0.07 mm的脱碳。从金相组织观察看出，短时间产生的脱碳层中，在900 和950 的温度，全脱碳占的比例很大，而部分脱碳层深度占比非常小，随着温度逐渐升高和保温时间的延长，全脱碳深度占比变小，部分脱碳层深度占比增加，并且全脱碳层变得不连续。这应该是温度升高或时间延长后，碳原子扩散加剧导致的结果。根据金相组织观察结果，可以为今后分析裂纹的形成过程提供一定的参考。2.2SWRS82BBK高温短时间脱碳研究试验结果特钢技术第29卷第3期表1 试验方法Table 1 Test method温度（）保温时间（min）9001、2、3、4、5、69501 0001 0501 100图1 GCr15短时间高温加热脱碳组织Fig.1 GCr15 decarburized structure heated at hightemperature for a short time图2 GCr15总脱碳层深度与加热时间的关系Fig.2 Relationship between total decarburized depth andheating time for GCr15图3 SWRS82BBK短时间高温加热脱碳组织Fig.3 SWRS82BBK decarburized structure heated at hightemperature for a short time图4 SWRS82BBK总脱碳层深度与加热时间的关系Fig.4 Relationship between decarburized depth and heatingtime for SWRS82BBK 32试验结果见图 34，随时间及温度的增加，脱碳逐渐增加。在950 以上保持1分钟，就会产生0.10 mm以上的脱碳。82B钢的脱碳明显比GCr15大，应该和钢中含的Cr元素及其碳化物有关。2.3SWRS87Mn高温短时间脱碳研究试验结果试验结果见图56，对比82B和87Mn的脱碳情况，相同条件下，87Mn的脱碳层深度小于82BBK，对照着两个钢的化学成分，82B纯碎是一个含0.8的碳钢，87Mn添加了0.3%的Cr和0.038%的V，由于这些碳化物形成元素会阻碍C的扩散，所以脱碳比较小。2.4中碳合结钢42CrMo钢高温短时间脱碳研究试验结果试验结果见图78，随着加热温度升高、加热时间延长，脱碳层加深。以1 000 为界，低温段的脱碳速度大于氧化速度，高温段反之。2.5中碳钢C56E2高温短时间脱碳研究试验结果试验结果见图910，在900 保持1分钟，会产生0.10 mm的脱碳，并且随着温度的升高和保温时间的延长，脱碳逐渐增加；在1 100 保持1分钟就会产生0.25 mm的脱碳。对碳钢来说，高温短时间会产生比较明显的脱碳。2.6中碳结构钢55Cr3高温短时间脱碳研究试验结果试验结果见图1112，总的趋势与前面几个钢类似，随着温度升高及时间的延长，总脱碳呈上升趋势。脱碳深度比较平稳。曾海霞：钢材高温短时间脱碳研究第29卷第3期图5 SWRS87Mn短时间高温加热脱碳组织Fig.5 SWRS87Mn decarburized structure heated at hightemperature for a short time图6 SWRS87Mn钢总脱碳层深度与加热时间的关系Fig.6 Relationship between total decarburized depth andheating time for SWRS87Mn图7 42CrMo短时间高温加热脱碳组织Fig.7 42CrMo decarburized structure heated at hightemperature for a short time图8 42CrMo钢总脱碳层深度与加热时间的关系Fig.8 Relationship between total decarburized depth andheating time for 42CrMo图10 C56E2钢总脱碳层深度与加热时间的关系Fig.10 Relationship between total decarburized depth andheating time for C56E2图9 C56E2短时间高温加热脱碳组织Fig.9 C56E2 decarburized structure heated at hightemperature for a short time 33特钢技术第29卷第3期3试验分析当温度越高时，分子氧化内部能量越多，反应激活能越大11,将所有钢种脱碳趋势汇总成如图13，随着温度的升高，钢的脱碳深度依次为：C56E282BBK87Mn55Cr342CrMoGCr15。可见：在相同的温度、时间和环境下，钢的脱碳主要与钢中的含碳量、碳化物形成元素的含量有关，碳化物形成元素越多，钢的脱碳就越少。从图13看出，同等条件下：合金钢的脱碳层深度小于碳钢，并且含Cr、V元素的钢脱碳更少。4结论（1）在空气中900 的温度区间停留1分钟以上，对于新的表面，碳钢的脱碳层深度至少为0.08 mm，合金钢的脱碳层深度至少为0.02 mm，并且随着温度的升高和保温时间的延长，脱碳层深度逐渐增加。（2）同等条件下，合金钢的脱碳层深度小于碳钢，并且含Cr、V元素的钢脱碳更少。（3）高温短时间条件下产生的脱碳，有一个较明显的特征，1 000 以下全脱碳层深度明显高于部分脱碳层。（4）在钢材轧制过程中在表面形成的裂纹或其它轧制缺陷会出现明显的脱碳层；在钢材表面发现的有脱碳的裂纹不一定全部都是连铸坯上带来的裂纹。（5）高温段快速冷却及控制轧制有利于控制轧材的脱碳。参考文献1 石子源,王旭东.碳钢高温防氧化脱碳涂料J.新技术新工艺.1997（2）：36-372周翔，杨鑫，张晋浩镁铝尖晶石对钢液脱碳的影响J 材料与冶金学报，2015，14(2)：87903 毛莹.高碳铬轴承在加热过程中氧化与脱碳特性研究J.中国金属通报，2018(1)：1414 任凤章，柴芳芳，沈洪涛，等GCrl5在木炭非接触性保护下退火的氧化脱碳研究J轴承，2011（2）：33-365 王宇飞，任凤章，黄胜操.轴承钢盘条在不同保护条件下退火时的氧化脱碳行为J机械工程材料，2015，39（12）：22-246 孙永平钢坯表面防脱碳自动喷涂设备及工艺应用J现代冶金，2017,45(6)：34367 梁文，吴金平玻璃基高温防氧化涂料的研究J材料保护，2007，40（3）：37-398 邓向阳，谢 有，李仕超，微合金化C70S6胀断连杆断裂面掉屑缺陷分析与工艺改进.特殊钢，.2022.43（4）：50-539 苏振伟，赵，屠兴圹等.SWRCH35K钢盘条冷镦开裂分析与工艺改进,特殊钢.2022.43（4）：32-3510 徐烈山.加热过程中降低脱碳率的主要途径 工业炉，2004，（05），19-2011 马志军，王鲁义，方元杰.60Si2MnA弹簧钢盘条脱碳层控制工艺的优化.特殊钢，2016，37（4）：26-28图11 55Cr3短时间高温加热脱碳组织Fig.11 55Cr3 decarburized structure heated at hightemperature for a short time图12 55Cr3钢总脱碳层深度与加热时间的关系Fig.12 Relationship between total decarburized depth andheating time for 55Cr3图13 各钢种总脱碳趋势汇总Fig.13 Summary of total decarburization trend of each steel type斌贝 34