第10讲、中高碳钢棒线材加热特点与脱碳层控制技术

2022/12/161一、控制轧制与线材的加热特点二、控制冷却三、脱碳层控制技术第一页，共31页。2022/12/162一、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。第二页，共31页。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。第三页，共31页。2022/12/1643、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。第四页，共31页。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φ152mm，而轧制速度高达140m/s。

2022/12/165第五页，共31页。2022/12/1662）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。第六页，共31页。

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900~1050℃，精轧机组入口轧件温度为900~950℃，出口轧件温度为900~1050℃。2022/12/167第七页，共31页。2022/12/168第八页，共31页。2022/12/1693）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℃。第九页，共31页。2022/12/1610二、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。第十页，共31页。

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。2022/12/1611第十一页，共31页。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。第十二页，共31页。2022/12/1613三、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。

第十三页，共31页。

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。2022/12/1614第十四页，共31页。2022/12/1615脱碳层示意图第十五页，共31页。2022/12/16163）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。第十六页，共31页。2022/12/16172、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。第十七页，共31页。2022/12/1618第十八页，共31页。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。第十九页，共31页。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/C0=erf﹛x/2.83[exp﹙1.68/T﹚t]1/2﹜式中：x—脱碳层深度，mm；t—时间，h；

C0—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

第二十页，共31页。2022/12/1621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。

第二十一页，共31页。2022/12/1622

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。第二十二页，共31页。B、脱碳层深度的无损检测

2022/12/1623a、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0.1mm增加到0.4mm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。第二十三页，共31页。2022/12/1624第二十四页，共31页。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。

第二十五页，共31页。2022/12/16263、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。第二十六页，共31页。2)工艺参数对棒线材脱碳层深度的影响2022/12/1627A、加热时间

采用数学回归法回归为如下方程：y=-0.383+0.0433t1/2r=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。

第二十七页，共31页。2022/12/1628第二十八页，共31页。

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