第10讲、中高碳钢棒线材的加热特点及脱碳层控制技术.ppt

University Of Science and Technology Beijing,USTB,材料科学与工程学院,2026/4/16 周四,1,第,10,讲：中高碳钢棒线材脱碳控制技术,2026/4/16 周四,2,一、控制轧制与线材的加热特点,二、控制冷却,三、脱碳层控制技术,2026/4/16 周四,3,一、控制轧制与线材的加热特点,1,、棒线材的控制轧制（,CR,）,随着线材轧制速度的提高，轧后控制冷却成为必不可少的一部分。轧制温度的控制主要取决于加热温度、开轧温度。,为满足用户对线材的高精度、高质量要求，高速线材轧机得到发展。有的在高速线材精轧机组前增设预冷段（可降低轧件温度,100,）及在精轧机组各机架间设水冷导卫装置，以降低轧件出精轧机组的温度等。,2,、线材控温轧制的优点：,1,）、减少脱碳；,2,）、控制晶粒尺寸；,3,）、改善钢的冷变形性能；,4,）、控制抗拉强度及显微组织；,5,）、取消热处理及控制氧化铁皮。,2026/4/16 周四,5,3,、棒线材的加热：,1,）棒线材生产的特点,产品特点：,断面小，长度大，尺寸精度和表面质量要求较高。,生产特点,：,增大盘重、减小线径和提高质量、精度二者是相互矛盾的。这是由于盘重增加和线径减小，导致轧件长度和轧制时间增加，从而又使轧件终轧温度降低，首尾温差加大，结果造成轧件首尾尺寸公差和性能不均。,为解决上述矛盾，必须尽量增加轧制速度。目前线材轧机成品出口速度已达,100m/s,以上。,线材轧机的高速是通过小辊径、高转速得到的。目前新式线材精轧机轧辊辊径仅为,152mm,，而轧制速度高达,140m/s,。,2026/4/16 周四,6,2026/4/16 周四,7,2,）现代化高速棒线材轧机的特点及要求,特点：,坯重大，坯料 长，首尾温差大。,要求：,加热温度均匀，温度波动范围小。理想的加热温度是钢坯各点到达第一架轧机时其轧制温度始终一样。,对高碳钢而言，一般开轧温度为,9001050,，精轧机组入口轧件温度为,900950,，出口轧件温度为,9001050,。,2026/4/16 周四,8,2026/4/16 周四,9,2026/4/16 周四,10,3,）采取方法及加热的要求,采用步进式加热炉加热。,要求：,1,）氧化脱碳少；,2,）钢坯不发生扭曲；,3,）不产生过热、过烧等加热缺陷，,对易脱碳的钢，要严格控制高温段的停留时间，采取低温、快热，为减少轧制温降，加热炉应尽量靠近轧机。通常是将钢坯两端的温度提高一些，通常钢坯两端比中部加热温度高,30,50,。,2026/4/16 周四,11,二、棒线材生产中的控制冷却,1,、,控制冷却的原理：,所谓控制冷却，就是利用热轧后的轧件余热，以一定的控制手段控制其冷却速度，从而获得所需要的组织和性能的冷却方法。,在线材生产过程中，线材轧后冷却的温度和冷却速度决定了线材内在组织、力学性能及表面氧化铁皮数量，对产品质量有极其重要的影响，所以线材轧后如何冷却，是产品质量控制的关键环节之一。,现代化的高速线材轧机：终轧速度高达,100m/s,以上；终轧温度高于,1000,，盘重达到,2,3,吨。如果采用自然冷却，不仅使冷却时间加长，厂房、设备增大，而且会加剧盘卷内外温差，导致冷却极不均匀；并使得成品组织晶粒粗大而不均匀；表面氧化铁皮过厚；线材全长上的性能波动较大。对于中高碳钢的线材，冷却缓慢还容易引起二次脱碳。,因此，对高速线材轧机，为了克服上述缺陷，提高产品质量，实现热轧后的控制冷却是必不可少的。,2026/4/16 周四,12,2,、线材控制冷却的主要优点,（,1,）提高了线材的综合机械性能，改善其在长度方向上的均匀性；,（,2,）改善金相组织，使晶粒细化；,（,3,）减少氧化损失，缩短酸洗时间；,（,4,）降低线材轧后温度，提高产品质量，有利于线材二次加工。,2026/4/16 周四,14,三、脱碳层的控制技术,1,、脱碳层的基本概述：,1,）脱碳现象,脱碳是钢加热时表面碳含量降低的现象。钢中碳在高温下会与氢或氧发生作用生成甲烷或一氧化碳。加热造成的脱碳保留到钢材上就称之为脱碳缺陷。钢材表面脱碳层厚度称为脱碳层深度。,2,）脱碳与氧化,钢铁在加热的情况下，表面同时发生两种化学变化。,a,：脱碳。,b,：氧化。,当环境中氧气含量充分时，氧化程度要大于脱碳，表面就形成氧化皮，如锻造过程中出现的大面积氧化皮。,随着加热温度的提高，脱碳层的深度不断增加。一般低于,1000,时，钢表面的氧化皮阻碍碳的扩散，脱碳比氧化慢，但随着温度升高，一方面氧化皮形成速度增加；另一方面氧化皮下碳的扩散速度也加快，此时氧化皮失去保护能力，达到某一温度后脱碳反而比氧化快。,2026/4/16 周四,15,2026/4/16 周四,16,脱碳层示意图,2026/4/16 周四,17,3,）脱碳层存在的危害,脱碳层的形成，对主要的中高碳钢棒线材如滚动轴承钢、工具钢和弹簧钢等，对其抗拉强度，尤其是疲劳强度将产生严重的影响。,原因如下：,（,1,表面脱碳后，脱碳的表面层形成犬牙状铁素体嵌入基体中，降低表面硬度；,（,2,）内外膨胀系数不同，淬火时容易出现裂纹；,（,3,）用于冷拉的线材，由于内外组织差异，会增加变形抗力；,（,4,）一些对表面硬度要求高的零件，因脱碳降低其耐磨性、切削性和弹性等。,故对中高碳钢棒线材，应严格控制其表面脱碳层的深度。,2026/4/16 周四,18,2,、脱碳层的检测,1),常规的检测方法及特点,目前，钢表面脱碳层深度的检测方法主要有金相法、硬度法和化学法。这三种方法能够有效地运用于脱碳层深度检测，且比较成熟，同时存在一些缺点。,A,、金相法,理论依据是碳与显微组织的相关性，即碳含量的差异可引起显微组织的明显变化。实际上，碳与显微组织的相关性受到很多因素的影响，由此引起测量误差。,2026/4/16 周四,19,B,、硬度法,利用含碳量与钢在热处理后硬度存在相关性的原理测定脱碳层深度，由于这种相关性只有在一定的含碳量范围内才是显著的，因此其适用性受到限制。,C,、化学法,通过测定表面不同层的含碳量来测定脱碳层深度的，操作复杂，误差大，不适用于生产检验。,共同点：,三种方法的共同问题是检验的破坏性，无法实现,100%,检测，也无法实现现场检测。,A,、利用菲克扩散定律计算脱碳层厚度,相关文献在大量生产和试验数据基础上，对碳素钢在高温有氧环境中脱碳动力学问题进行探讨，采用菲克扩散定律，推导出碳素钢脱碳层厚度与表层碳浓度、温度和时间的理论公式：,C/C,0,=erfx/2.83exp1.68/Tt,1/2,式中：,x,脱碳层深度，,mm,；,t,时间，,h,；,C,0,钢中含碳量，,wt%,；,R(,气体常数,),，,R=8.314,；,T,绝对温度，,K,；,C,钢表面的含碳量,(,实验测定,),。,2,）脱碳层的新检测方法,2026/4/16 周四,22,当含碳量为,0.45%,，,T=973K,，,保温,8h,时，,可由上式得到图,1,，,由图,1,能够得到预测公式,:x=20.69C-0.479,。,2026/4/16 周四,23,此方法的实际意义：,(1),解决了一直困扰工业中的脱碳层的厚度无法定量计算问题。结束了传统的不合理的金相法或硬度法定性的留余量。,(2),对大型零件在有氧气氛中加热和保温，,给出了留余量的计算依据，以便节约材料和降低成本。对生产具有重要的指导作用。,结论：随着表层碳含量的增加，,钢的脱碳层厚度随之增加。,B,、,脱碳层深度的无损检测,2026/4/16 周四,24,a,、对淬火,回火的直径变化进行探究,相关文献研究了脱碳层深度和弹簧钢件热处理前后尺寸变化关系，提出一种对弹簧钢脱碳层深度进行无损检测的方法。,结果表明：脱碳层深度和弹簧钢件热处理前后尺寸存在关系，脱碳层深度从,0.1 mm,增加到,0.4 mm,的过程中，弹簧钢试样直径增加0.0545mm,。,因此，由弹簧钢直径变化的数值能够间接地检测弹簧钢脱碳层深度。,2026/4/16 周四,25,b,、理论基础,热处理后的金相组织分为表层和心部两大部分。心部是碳含量正常的回火屈氏体组织；表层为脱碳层，其组织为纯铁素体。,弹簧钢件进行淬火,-,回火处理时，由于产生组织变化而引起尺寸变化。,淬火生成马氏体时发生膨胀；回火引起的马氏体的分解，造成尺寸收缩，,但若以淬火前的状态为基准，经过淬火,-,回火后的综合尺寸变化最终是膨胀的，且马氏体的含碳量越高，最终的尺寸膨胀变化越大。,可见，表面脱碳层的深度和马氏体的含碳量存在一定关系。,2026/4/16 周四,27,3,、脱碳层的控制技术,1,）生产设备的影响,对于中高碳钢及其棒线材产品，由于含碳量高，,钢坯加热过程氧化、脱碳较严重。国外主要重轨生产厂，钢坯加热设备均采用计算机控制的步进梁式加热炉；国内部分重轨生产厂加热设备采用推钢式连续加热炉，步进梁式加热炉操作灵活，能够控制钢坯在加热炉内不同位置处的加热时间。进而保证产品质量。,2),工艺参数对棒线材脱碳层深度的影响,2026/4/16 周四,28,A,、加热时间,采用数学回归法回归为如下方程：,y=-0,.,383+0,.,0433,t,1/2,r=0.956,式中：,y,脱碳层深度,mm;,t,加热时间,min,。,加热炉内钢坯加热时间越长，钢轨的脱碳层深度越趋加厚，且脱碳层深度与钢坯加热时间的平方根成正比。,2026/4/16 周四,29,钢坯加热温度与脱碳层深度直接相关。在相同的加热时间下，加热炉炉温越高，钢轨脱碳层越趋加深。这主要是钢坯加热温度大于,950,时，脱碳层深度随加热温度的升高而显著增加。因此，加热重轨钢时，在满足轧制温度要求的条件下，应尽量降低钢坯的加热温度。,C,、炉内气氛,在加热炉均热段为还原性气氛下，由加热钢坯轧成的钢轨，,其脱碳层深度均,0.5mm,，,这主要是因为在均热段钢坯加热温度较高，,此时将均热段空气消耗系数控制在,1.0,以下，,保持高温段炉内气氛为还原性气氛，有利于阻止钢坯加热时的进一步脱碳，从而降低钢轨脱碳层深度。,B,、炉温分布,2026/4/16 周四,31,3,）降低棒线材脱碳层深度的对策,从上述对影响钢轨脱碳因素的分析可见，加热炉内减少脱碳的主要措施：,a,、缩短钢坯加热时间,优化钢坯加热制度；,b,、降低钢坯加热温度,制定合理的钢坯加热温度；,c,、适当控制炉内气氛,分段控制炉内气氛；,谢 谢！,2026/4/16 周四,32,