试验钢热处理工艺论文

[摘要]利用高温烧结工艺制备高碳化铬耐磨钢复合材料，利用金相显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪，分析碳化铬耐磨钢的组织及物相结构，并进行硬度测试。采用环块摩擦磨损试验机，考察干摩擦条件下，碳化铬耐磨钢铸件的摩擦磨损性能。实验结果表明，高碳化铬耐磨钢的物相组成主要为Cr7C3、Cr3C2和α-Fe三种物相，其组织结构为针状或条状结构。今天小编为大家精心挑选了关于《试验钢热处理工艺论文(精选3篇)》仅供参考，希望能够帮助到大家。

试验钢热处理工艺论文 篇1：

Nb元素对微合金钢热处理组织和性能的影响

摘 要： 本文设计了三种含铌量不同的微合金试验钢，采用热处理模拟方法研究了900 ℃奥氏体化550 ℃等温处理后试验钢的组织与性能，结果表明：低铌钢热处理后组织为多边形铁素体加少量板条贝氏体铁素体，随着铌含量增加，试验钢组织中板条贝氏体铁素体含量明显增加，且组织细化，同时随着铌含量的增加强度提高，中高铌试验钢的屈服强度可达到400MPa水平，且屈强比较小。

关键词： 铌微合金钢 热处理 板条贝氏体铁素体

低碳微合金高强度钢是目前高强度钢材研究的热点之一。通过单独或复合加入微量合金化元素Nb、V或Ti，达到晶粒细化、提高力学性能的目的。其中Nb在钢中能显著提高奥氏体的粗化温度和再结晶温度，具有细化晶粒和弥散强化的作用，是提高材料强韧性最为有效的合金元素之一[1，2]。同时，Nb的加入能使钢实现高温轧制，并且Nb的价格相对稳定和相对于V与Ti的低廉，让Nb更具有经济性和竞争力[3]。因此，铌微合金化钢的研究具有重要意义。

本文设计了三种含铌量不同的微合金试验钢，并参照实际轧制过程中高温固溶、终轧温度及卷曲温度这个关键温度参数，采用了热处理模拟方法研究试验钢组织与性能。

1.实验材料及方法

表1为三种含铌试验钢的实际成分，三种试验钢由低铌到高铌的顺序标定为Nb1、Nb2、Nb3。

表1 试验用钢的实际成分（质量分数，%）

将试验钢圆柱锭在箱式炉中加热，加热温度为1150 ℃～1250 ℃，在560 kg的空气锤上进行锻压变形，锻成宽120 mm×厚8 mm的试验钢钢板。将锻压后的钢板试样加热至1230 ℃保温25 min，盐水淬火进行固溶处理。然后将试样加热至900 ℃奥氏体化5 min，迅速分别放入550 ℃硝盐浴保温10 min，空冷。

在热处理后的钢板割取金相试样，经研磨、抛光、腐蚀，利用光学显微镜对试样显微组织进行观察。另取试样，经研磨、冲片、减薄制取透射试样，利用透射电镜观察试样的精细组织与粒子析出情况。

利用网格法[4]对试样进行组织中铁素体含量的测定。

为了对比分析，将SPHC钢放在相同条件下进行试验，其成分为0.05%C、0.02%Si、0.22%Mn。

2.实验结果与分析

图1所示为SPHC钢和三种含铌试验钢热处理后的金相组织。如图1（a）所示，SPHC钢的组织为多边形铁素体加极少量珠光体。如图1（b）所示，Nb1的组织为多边形铁素体加少量板条状组织。Nb2的组织为多边形铁素体加板条状组织加少量粒状组织，但板条状组织的含量明显增多，如图1（c）所示。Nb3的组织为板条状组织加粒状组织加少量多边形铁素体，板条状组织的含量大大增多且出现不少的粒状组织（如图1（d）所示）。

图1 SPHC钢与三种含铌试验钢热处理后的金相组织

（a） SPHC；（b） Nb1；（c） Nb2；（d） Nb3

利用网格法对试样进行组织中铁素体含量的测定，结果如图2，可见随着铌含量的增加铁素体含量减少。

图2 SPHC钢与三种含铌试验钢铁素体的体积分数

（a） Nb1；（b）Nb2；（c） Nb3

表2所示的是热处理后三种含铌试验钢的力学性能结果。可以看出，三种含铌试验钢在550 ℃等温温度条件下，随着含铌量增加，强度提高，而延伸率有所下降，但下降不大。中高铌钢σs>400 MPa，且三种含铌试验钢均有较低的屈强比（<0.8）。

表2 热处理工艺下三种试验钢的力学性能

对比含铌钢和SPHC表明铌可以明显促进贝氏体铁素体的转变，而对比含铌钢随含铌量的增加贝氏体铁素体明显增加。由于贝氏体铁素体相对于铁素体有更高的强度，贝氏体铁素体含量的增加，使含铌钢随着含铌量增加强度提高而延伸率下降不大，加上贝氏体铁素体与铁素体双相共存，使含铌钢有较低的屈强比（<0.8）。在转变温度下，当在奥氏体中有大量的Nb固溶，固溶铌通常对连续冷却过程中的CCT曲线与随后的相变有重要的影响。微量铌与碳、氮形成铌的碳氮析出物，在奥氏体化中，原先固溶铌形成的这类化合物在奥氏体内和晶界析出，这些铌的碳氮析出物会推迟铁素体相转变，促进贝氏体铁素体形成。结果是转变开始温度降低，获得非多边形铁素体组织的可能性更高，在高的冷速下更是如此。已有的研究表明，溶质Nb改变的不仅是转变温度，淬透性的提高也意味着，对相同的一般性条件，尤其在高的冷速下，Nb钢将有更多量的低温转变产物，如针状铁素体、Widmanstatten铁素体和贝氏体型铁素体[5]。在较高铌含量的条件下，铌更有效地阻止铁素体相转变和促进形成更高体积分数贝氏体铁素体的形成及在铁素体中铌的碳氮化物析出，从而进一步提高了钢的强度[6]。从表2可以看出，Nb3中高铌含量并没有带来高的性能，这是因为Nb3中的C含量为0.095%。高的C含量使Nb在固溶阶段固溶不完全。由于C含量高，使奥氏体中铌的溶解度下降，无法更有效地促进铁素体中铌的碳氮化物析出。这是Nb2和Nb3的力学性能相近的原因。

3.结语

（1）试验钢在550 ℃等温后，含铌试验钢与SPHC钢组织有明显变化，低铌钢热处理后组织为多边形铁素体加少量贝氏体铁素体，随着铌含量增加试验钢组织中贝氏体铁素体含量明显增加，且组织细化。

（2）含铌试验钢在550 ℃等温后，含铌钢中随着铌含量增加强度提高而延伸率却有所下降，中高铌试验钢的屈服强度可达到400MPa水平，且屈强比小于0.8。

参考文献：

[1]蔡爱国. 铌钒微合金中碳钢的微观组织与强度的关系[J]. 钢铁研究学报，1996，8（2）：35-39.

[2]陈国安，杨王明，郭守真，等. 低碳微量铌钢形变强化相变的组织演变[J]. 金属学报，2004，40（10）： 1076-1084.

[3]东涛，付俊岩. 铌/钒微合金化400 MPa Ⅲ级钢筋的生产技术[J]. 中国冶金，2004，（5）： 1-5.

[4]孙业英. 光学显微分析[M]. 北京： 清华大学出版社，2003： 78-79.

[5]Anthony J. DeArdo. 铌在钢中物理冶金基本原理.

[6]付俊岩. Nb微合金化和含铌钢的发展及技术进步[J]. 钢铁，2005，40（8）： 1-6.

作者：王子瑜

试验钢热处理工艺论文 篇2：

碳化铬耐磨材料的制备及摩擦学性能研究

[摘 要] 利用高温烧结工艺制备高碳化铬耐磨钢复合材料，利用金相显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪，分析碳化铬耐磨钢的组织及物相结构，并进行硬度测试。采用环块摩擦磨损试验机，考察干摩擦条件下，碳化铬耐磨钢铸件的摩擦磨损性能。实验结果表明，高碳化铬耐磨钢的物相组成主要为Cr7C3、Cr3C2和α-Fe三种物相，其组织结构为针状或条状结构。在1300°C加热60分钟保温10分钟条件下得到的试样，平均硬度值较高，有较好的力学性能。磨损率较低，整体摩擦系数较高，表现出良好的耐磨性能。

[关键词] 碳化铬 耐磨铸钢 组织结构 摩擦磨损性能

前言

磨损是工程构件的主要破坏方式之一， 同时也是机械零件失效的三种主要原因(磨损、腐蚀、疲劳)之一，各种机械零件的磨损所造成的能源和材料的消耗是惊人的。高锰钢和耐磨铸铁作为耐磨材料被广泛应用。近年来，高锰钢在理论研究和实际应用方面日益得到重视。有许多学者在超高锰钢成分设计、生产制造等方面做了大量工作，既提高了高锰钢的加工硬化能力、耐磨性以及制造加工性能外，又将高锰钢的应用领域拓展到高强度高塑性钢领域[1]。

不断开发性能更好的耐磨材料，以提高生产效率，降低生产成本，节约资源和能源，这具有十分重要的意义。

中碳低合金耐磨铸铸钢由于合金元素含量较低，具有高硬度、高耐磨和良好的韧性配合，工艺简单，成本低廉，获得了广泛应用，成为近年来发展的热点在各种形式的合金铸钢的成份中，碳是影响衬板材料力学性能，如硬度、冲击韧性的主要元素；铬则是合金耐磨铸钢常用的主要合金元素，但我国铬资源比较短缺，因此本文研制碳铬系合金铸钢，探讨碳铬含量对试验钢力学性能(硬度、冲击韧性)及耐磨性的影响。由于通过控制化学成份和适当的热处理得到马氏体或马氏体—贝氏体组织，具有良好的耐磨性。

1 实验方法和内容

1.1 试验过程简图

1.2 实验材料制备

1.2.1 成分设计

实验以美国SAS公司的高性能SA1750CR碳化铬耐磨钢为设计依据，耐磨钢的元素含量设计为：Cr：45%、C：6.5%、Mn：1.5%，余量为Fe。由于耐磨钢中的Cr是以碳化铬形式存在硬质强化相，固实验选用Cr3C2粉末、纯Fe粉和Fe-Mn合金粉为原料，按照复合粉体的混合比例，设计其配比为Cr3C2：51.92wt%、纯Fe粉：46.08wt%、Fe-Mn粉：2wt%。实验采用球磨法混料12h，干燥后备用。

1.2.2 耐磨钢的制备

加热炉为SX3-6-14快速升温电阻炉，最高温度1400°C。实验时预设定好最高加热温度和保温时间，实验完成后随炉冷却至室温。

1.3硬度测试

1.3.1 洛氏硬度测试

实验采用时代TH300硬度计洛氏硬度计和数字自动转塔LCD显微维氏硬度计，测试不同条件下试样的硬度值并进行对比，研究不同条件对材料的硬度的影响，试样与金相试样相同。测试条件为150kN，保压3秒，每组试样测六次，最后求硬度平均值。

1.3.2 维氏硬度测试(HV)

采用HXD-1000TM/LCD数字式显微硬度计测定维氏硬度。以一定的试验力，将两相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头压抛光处理后的试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，测量压痕两对角线长度，用压痕单位面积承受的试验力表示维氏硬度值。本次试验选择了不同的试验力进行测定，以0.3mm/s的加载速度施加载荷，保持试验力20s，同一试样上测试压痕点数6个。显微硬度值按下列公式进行计算：

HV=

式中：HV为维氏硬度值(N/mm2)，F为试验力(N)，d为压痕两对角线的平均值(mm)，α为金刚石压头相对面夹角(136°)。

1.4金相组织观察

本实验采用OLYMPUS GX51金相显微镜，观察耐磨铸钢试样的金相组织，研究组织和性能之间的关系。金相试样制备：取样*人工研磨水冲洗*抛光*水冲洗*酒精棉球清洗*烘干*浸蚀*水冲洗*酒精棉球清洗*烘干*观察。用金相显微镜采集系统观察至清晰的组织并照相分析。浸蚀剂：4%的硝酸酒精，浸蚀时间：10s左右。

1.5 XRD衍射成分分析

X射线衍射仪主要用于材料相结构分析。所用仪器为日本理学(Rigaku)公司D/Max-3B型X射线衍射仪。利用Origin70软件和MDI jade软件对衍射结果进行处理分析。

1.6摩擦磨损试验

实验仪器为M2000型磨损试验机。实验条件：转速(r)：200r/min摩擦用钢环直径(D)为40mm，载荷(F)为200N，每个试样实验时间(t)为60min。实验主要是将不同条件下制备的试样在试验机上进行摩擦磨损试验，试样尺寸规格：10×10×20mm试样表面应打磨的较平整并将要进行试验的一面抛光。试验前先将所有试样在超声波仪器中用无水乙醇清洗(至少30min)，再放入60℃的干燥箱中干燥(至少12小时)。干燥后称量磨损前的质量(每个至少三次，取平均值)，然后进行摩擦磨损试验，试验时记录实验数据，试验后同样将试样进行清洗干燥，干燥后称量磨损后的质量(每个至少三次，取平均值)。

根据所选取的磨损试验方法和磨损材料的不同，可选用不同的耐磨性能评定方法，以期获得精确可靠的实验数据，本实验利用称重法进行耐磨性能的评定[1]:即利用电子天平分别测量实验前后的试样的质量，计算出质量变化，从而来评定铸件材料的耐磨性能。

磨损率(Wear rate)是评定材料耐磨性能的重要指标，可以用来表征材料在不同加载条件，不同行程下的磨损量大小，其计算公式如下所示：

磨损率：Wear rate=Δm/F·L

式中：Δm为磨损失重，单位mg，N为摩擦磨损试验时载荷，单位N，L为摩擦行程，单位m。

摩擦系数μ按下列公式进行计算：

摩擦系数

其中，M为摩擦力矩(N·m)；N为载荷，200N；R为圆环半径，0.020m。

根据所得到的数据结果计算磨损率，然后对磨损试样进行扫描电镜试样，观察表面形貌并分析机理。摩擦磨损实验后，用扫描电子显微镜对磨损表面的微观组织形貌进行观察分析，确定不同试样在不同实验条件下的磨损情况和磨损机制。

2 试验结果和分析

2.1 硬度测试

2.1.1 洛氏硬度测试

图2.1为洛氏硬度测试结果，可以看出，由于实验条件不同，所制备的试样的硬度也不同，升温时间和升温温度对铸件硬度的有明显影响。铸件制备过程中，升温时间过长，在高温情况下会发生氧化而影响组织成分，对硬度也会发生影响。由上图可知相同最高温条件下， 60min条件所获得铸件硬度相对较高。另一方面，比较60min、120min、180min相同升温时间下，最高温也应选择适当的温度。对于一号试样最高温1250°C条件下试样无法成功制备，然而温度过高也不好，1300°C时所制备的铸件硬度较高。综述可得，二号(1300°C/60+10)和五号(1360°C/60+10)试样获得的硬度较高。

2.1.2 氏硬度测试(HV)

对于不同试样的维氏硬度的测定结果见图2.2。可以看出，同一种试样在随应力增加的情况下，其硬度变化趋势为先升高后降低然后趋于平稳。另一方面，同一种应力测试条件下，其硬度变化和洛氏硬度测试变化情况基本吻合。

2.2金相组织分析

在不同实验条件下制取的碳化铬耐磨钢试样的金相组织中可以看出，出现白色针状和条块状组织为碳化铬，它存在与Fe基体之中。我们所希望的是能得到独立的而非相互融合的碳化铬组织，对于1300°C温度的二号、三号、四号试样，二号试样碳化铬组织较均需，为针状及长条状且较清晰，相互熔融状态较少。碳化铬组织能起到很好的固定作用，类似于钉扎效应，能有效提高耐磨性。四号试样组织不均匀，且有较多碳化铬相互熔融。而三号试样情况则介于两者之间。

对于1300°C温度下制备的五号、六号、七号三种试样，五号和七号组织较均匀，二号和五号组织结构较为相似，但由于温度不同，结构又稍有不同。七号试样组织较均需，但其硬度结果并不是最好，可能是由于升温时间过长导致部分发生氧化的原因。综上所述，结合其硬度测试结果可知，熔融较少且分布较均匀的细长条或针状的碳化铬组织，有利于提高碳化铬耐磨钢的抗磨损性能。

2.3 XRD衍射成分分析

X射线衍射仪主要用于材料相结构分析。所用仪器为日本理学(Rigaku)公司D/Max-3B型X射线衍射仪。利用Origin7.0软件和MDI jade软件对衍射结果进行处理分析。本试验主要对力学性能较好的二号(1300°C/60+10)和五号(1360°C/60+10)试样进行X射线衍射分析。从结果可以看出，耐磨钢的物相组成主要为Cr7C3、Cr3C2和α-Fe三种物相，Cr7C3化合物相的生成，表明经高温烧结并保温后，部分Cr3C2相发生了转变。从金相组织分析可以看出，Cr7C3化合物相依然为针状或条状，由于Cr7C3、Cr3C2均为高硬度碳化铬相，对硬度和耐磨损性的提高显然是十分有利的。

3 碳化铬耐磨钢摩擦磨损特性研究

3.1 对磨损的一般认识

Nam.P.Su将磨损分为两天类：一类为由材料机械性能决定的磨损，另一类为由化学过程和热激活过程控制的磨损。前者又包括五种类型的磨损即:滑动磨损(剥层磨损)、微动磨损、磨粒磨损、冲蚀磨损(固体颗粒冲击)和疲劳磨损;后者包括四种磨损类型:溶解磨损、扩散磨损、氧化磨损及腐蚀磨损。

3.2磨损试验结果及分析

3.2.1磨损率和摩擦系数

在M-2000型磨损试验机上，分别对二号、三号、四号、五号、七号试样分别进行摩擦磨损实验，摩擦副为GCr15钢环。实验转速(r)：200r/min，钢环直径(D)：40mm，施加载荷(F)：200 N，摩擦磨损时间(t)：60min。利用电子天平分别称出个试样在磨损前后的重量，获得质量差，从而计算磨损率。图3.1给出了磨损率柱状图，可以看出，相同的实验条件下，二号试样(1300°C/60+10)和七号试样(1360°C/180+20)的磨损率几乎一致，四号试样由于试样多孔磨料粉末进入无法比较。其中三号试样(1300°C/120+20)的磨损率最大。由此可知，二号试样和五号试样表现出较好的抗磨损性能。考虑其综合力学性能，二号试样(1300°C/60+10)优于五号1360°C/180+20)试样，实验结果与硬度的测试结果相一致。

图3.2为试样在M-2000型摩擦磨损试验机上测得的摩擦系数随时间的变化曲线。由图中可以看出五种试样的摩擦系数的变化情况。所有试样的摩擦过程可以分为三个阶段：第一阶段为起始阶段，表现出摩擦系数随时间而迅速下降；第二阶段摩擦系数随时间有波动性的变化，但总体呈上升变大的趋势，我们称之为磨合阶段；第三阶段为稳定摩擦阶段，摩擦系数随时间变化缓慢，并趋于平稳，最后达到稳定摩擦系数。由于试样有气孔的存在，使得该阶段存在个别波动稍大的特例。

另外，由图3.2也可以看出，二号试样和三号试样摩擦系数整体较高，而且三号试样在趋于平稳时有稍下降趋势，而二号试样呈稍上升趋势。其中七号试样摩擦系数整体较低。四号、五号试样情况则介于其中。

综上所述，由磨损率和摩擦系数的分析可以比较出，二号和三号试样摩擦性能较好，且综合其力学性能分析，二号试样(1300°C/60+10)要优于三号试样(1300°C/120+20)。相比较两者而言，由于制备时间不同，120min升温时部分会发生氧化，组织也稍有不同，造成这种现象。同时，也可以看出摩擦磨损是一个非常复杂的过程。

3.2.2 磨损区和未磨损区成分分析

摩擦磨损试验后，对试样的进行扫描电镜观察，同时利用X-射线分析磨损区和未磨损区的成分。采集条件：加速电压：20.00keV，活时间：28秒，出射角：35.00度。由表3.3可以看出，磨损区Fe含量有所增加，其它成分变化不大。造成这种现象的原因是耐磨钢的硬度较高，与之配副的材料发生材料了转移。

3.2.3试验结果的影响因素分析

a．摩擦实验外部环境：由于实验时，外部环境相同，故非外部环境影响。

b．材料的成分方面：该实验试样都是有相同的配置，材料成分含量都是相同的，因此上述试样的耐磨性和成分无关。

c．试样本身：由于试样在实验室有限条件下制备，试样铸件有一定的孔，实验过程中可能会有磨料粉末进入，虽然实验前后都经过长时间的超声波清洗，但可能还会有少许残留，造成一定的影响。

d．试验钢的组织方面：由于试样制备的条件(温度、时间)不同，使试样的微观组织结构不同，力学性能也不同，结合各试样的组织图片和力学性能结果分析，这是造成其磨损性能不同的主要原因。

其中，二号试样组织较均匀，长条状和细针状的碳化铬组织较多，弥散效果好，能起到一定的钉扎效应。使其力学性能和摩擦磨损性能有效提高。综上所述，影响实验中相同成分的铸件试样耐磨性的主要因素是试验钢的组织结构。

3.3 试样磨损形貌及磨损机理分析

五个试样分别在M-2000型摩擦磨损试验机上进行60分钟摩擦磨损试验，经过无水乙醇在超声波仪器中清洗并干燥后，在电子分析天平上称量后，在扫描电镜下扫描磨损面。

由各试样磨损面的图片对比可发现，二号试样和五号试样的磨损面较平整，磨损较轻。其中二号试样出现较轻的犁沟，而五号试样只出现极轻的疲劳磨损。四号试样磨损最严重，有严重的疲劳剥落现象发生，主要是微观断裂磨损机理，同时也伴随着犁沟的出现。对于三号试样，其磨损机理主要是以疲劳剥落为主。七号试样则是犁沟和疲劳剥落同时发生。

4 结论

1. 高碳化铬耐磨钢的物相组成主要为Cr7C3、Cr3C2和α-Fe三种物相，其组织结构为针状或条状结构。

2. 实验结果表明，二号试样(1300°C/60+10)和五号试样(1360°C/60+10)的平均硬度值较高，有较好的力学性能，且二号要优于五号试样。

3．相同摩擦磨损实验条件下，二号试样(1300°C/60+10)和七号试样(1360°C/180+20)的磨损率几乎一致，四号试样由于试样多孔磨料粉末进入无法比较，三号试样(1300°C/120+20)的磨损率最大。由此可知，二号试样和五号试样表现出较好的抗磨损性能。

4. 根据摩擦磨损试验及对磨损面的扫描电镜分析可知，碳化铬耐磨钢二号和五号试样的磨损面较平整，表面只有少量的疲劳磨损和较轻的犁沟。磨损率较低，整体摩擦系数较高，表现出良好的耐磨性能。升温时间长的三号、四号试样有严重的疲劳剥落现象发生，主要是微观断裂磨损机理，同时也伴随着犁沟的出现。

参 考 文 献

[1]徐雪霞，白秉哲.我国贝氏体耐磨铸钢的发展及应用[J]，北京：铸造技术 2008

[2]丁晖，陈恒新，力玉海，车殿科.中碳低合金耐磨钢及其磨料磨损行为的研究[J]

[3]王洪发.金属耐磨材料的现状与展望[J].铸造，2000，(增刊):57.

[4]丁晖，陈恒新，力玉海，车殿科.中碳低合金耐磨钢及其磨料磨损行为的研究[J]

[5]刘菊东，陈康敏，侯达盘，曾伟民，王大镇，许志龙.40Cr钢磨削淬硬层的磨损试验.金属热处理2008，33(2)

[6]刘洪涛.不同热处理条件下45# 钢与40Cr钢摩擦学性能比较[J]. 润滑与密封.2007，32(7)

作者：陈世涛

试验钢热处理工艺论文 篇3：

钢铁加热钢坯及钢料热处理的主要问题探讨

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热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，从而显著增強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

作者：刘润杰 孙志远 汪志忠