熱脆板坯的熱脆性與淬火處理

傳統(tǒng)的板材生產(chǎn)，連鑄板坯在坯庫存放冷卻后，再裝人加熱爐進行加熱、軋制，對冷坯加熱的時間長、效率低、能耗高。近年來，許多生產(chǎn)廠實現(xiàn)直接熱裝工藝，以節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率。然而，直接熱裝工藝不象傳統(tǒng)冷裝工藝那樣可以防止或減輕某些化合物析出對軋制過程的影響，在軋制某些熱裝鋼種時，會在板材表面產(chǎn)生裂紋，這就是熱脆性問題。

熱脆熱脆性產(chǎn)生機理

研究表明，氮化鋁[AIN]的析出是直接熱裝工藝中熱脆性問題產(chǎn)生的根源，在多數(shù)鋁鎮(zhèn)靜鋼中都有氮化鋁存在。鑄坯在經(jīng)歷從奧氏體到奧氏體 鐵素體的相變過程中，氮化鋁在奧氏體晶界析出，如果此時將板坯裝入加熱爐加熱，即使板坯又經(jīng)過另一相變(由奧氏體 鐵素體變?yōu)閵W氏體)，但析出物仍然在奧氏體晶界上，見圖1。

析出物成為降低晶粒間結(jié)合力的薄弱點，晶粒的可遷移性減弱，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)中晶粒邊界強度降低。在軋制過程中板坯表面在晶界處撕裂，產(chǎn)生表面裂紋。這種裂紋的形狀類似于橫向裂紋或網(wǎng)狀裂紋，當(dāng)有其它應(yīng)力增加因素存在和/或因板坯表面不規(guī)則(如振痕等)產(chǎn)生應(yīng)力集中時，結(jié)果將會更嚴(yán)重。氮化鋁的析出也惡化了與其它析出物和或殘余元素相關(guān)聯(lián)的問題，銅、釩、鈮等元素本身會導(dǎo)致有裂紋傾向的微觀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。如果這些元素析出產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)的弱化與曲于氮化鋁析出造成的結(jié)構(gòu)弱化相疊加，鑄坯直接熱裝軋制將會出現(xiàn)嚴(yán)重的熱脆性問題。

熱脆熱脆性的解決辦法及比較

（1）加入合金法

通常加入鈦固定氮，避免氮化鋁的形成。這種辦法是有效的，但會增加生產(chǎn)成本。

（2）高溫鑄坯熱裝法

采用提高拉速、降低冷卻強度等措施，使鑄坯一直保持高溫，即鑄坯不經(jīng)歷從奧氏體到奧氏體 鐵素體的相變過程，防止氮化鋁的析出。

（3）鑄坯冷裝法

采用傳統(tǒng)的冷裝工藝，鑄坯經(jīng)歷了從奧氏體到奧氏體 鐵索體的相變過程且有氮化鋁的析出。但如圖1所示，隨著在坯庫的繼續(xù)冷卻，鑄坯又經(jīng)歷了從奧氏體 鐵素體到鐵素體 珠光體的相變過程。這個相變導(dǎo)致了鋼的再結(jié)晶，再結(jié)晶把析出物包圍在新形成的晶粒內(nèi)，析出物不在晶界上，晶問強度增加，此時再將鑄坯裝入加熱爐加熱軋制，就不會出現(xiàn)熱脆性問題。但這種工藝顯然不能達到熱裝的效果。

（4）鋼水成分控制法

鋼水中[N]和[A1]含量達到一定值時，才會有氮化鋁的形成及析出，如果控制鋼水中[N]和[A1]含量，就會避免或減少氮化鋁的形成及析出，從而避免熱脆性問題。傳統(tǒng)的解決熱脆性問題的辦法都有一定的局限性及缺點。最近國外開發(fā)了一種新的解決方案，即鑄坯淬火處理，它既能解決熱脆性問題，又能實現(xiàn)鑄坯的直接熱裝。

熱脆淬火處理

淬火處理是對出導(dǎo)向段的鑄坯噴水強制冷卻，使鑄坯表面溫度急劇冷卻至某一特定溫度的處理措藍，經(jīng)處理后的鑄．坯可以熱裝。

（1）淬火處理原理

實踐表明，析出只發(fā)生在凝固鑄坯的表層，因此只需將該部分鑄坯淬火，使其快速冷卻，經(jīng)歷再結(jié)晶過程，就像在坯庫自然冷卻時那樣，而鑄坯心部仍然保持高溫。盡管淬火后產(chǎn)生了非常細的馬氏體，但在裝入加熱爐之前，高溫心部對馬氏體有退火作用。

（2）淬火處理設(shè)備及工藝

淬火處理設(shè)備是置于輥道上的一種箱形設(shè)備，內(nèi)部布置若干排噴嘴，可單獨控制或按組進行控制。當(dāng)鑄坯從箱內(nèi)經(jīng)過時，噴嘴對鑄坯表面噴水，使鑄坯表層快速冷卻，完成淬火處理。鑄坯淬火處理一般在出鑄坯導(dǎo)向段后進切割之前進行，有些廠家在切割后進行。淬火處理后鑄坯表面溫度及淬透深度至關(guān)重要，這影響到淬火處理的效果。影響鑄坯表面溫度的因素有鋼種、鑄坯斷面尺寸、進淬火箱前鑄坯溫度及冷卻強度，其中以冷卻強度最為重要。根據(jù)鋼種、鑄坯斷面尺寸、進淬火箱前鑄坯溫度及通過淬火箱的速度等參數(shù)計算噴水壓力及流量，并實現(xiàn)動態(tài)配水。有些廠家把淬火配水與二冷配水結(jié)合在一起考慮，在計算機動態(tài)配水模型中一并計算淬火配水量。淬火處理后鑄坯表面溫度一般在300～350℃，淬透深度為10mm左右。

（3）淬火處理的優(yōu)點

①提高產(chǎn)品質(zhì)量，防止由熱脆產(chǎn)生的裂紋；

②淬火處理可以給生產(chǎn)工藝帶來靈活性，即對鋼水中[N]和[A1]的含量要求可以適當(dāng)放寬；

③能實現(xiàn)某些鋼種鑄坯的直接熱裝，提高熱裝比，節(jié)省能源，提高生產(chǎn)率與冷裝相比可降低燃料消耗40%；

④采用淬火處理可以減少坯庫面積。

（4）淬火處理的局限

①碳含量≥0．45%的鋼以及含礬[V]的鋼不能進行淬火處理。因為這些鋼進行淬火處理時，會使鑄坯產(chǎn)生其它缺陷。這類鋼只有通過傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，即下線到坯庫，自然冷卻到環(huán)境溫度再冷裝進入加熱爐。

②鋼中氫只有鑄坯在坯庫里緩慢冷卻才能逸出，如果對此類鑄坯進行淬火處理，然后熱裝，則鑄坯中氫不能逸出，在軋制過程中會造成新的缺陷，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

熱脆研究結(jié)論

（1）與其它解決板坯熱脆性的辦法相比，淬火處理具有靈活性，既可避免熱脆性，叉能實現(xiàn)熱裝；

（2）淬火處理也有其局限性，在某些情況下不能采用。 2100433B

水中如果加入了很多溶解物比如糖，就相當(dāng)于是合金，它在結(jié)冰的時候也會出現(xiàn)合金的類似現(xiàn)象，糖越多，這種現(xiàn)象越明顯。冰棒之所以松軟就是因為其中放的糖多，結(jié)冰的時候，先結(jié)冰的是熔點高的幾乎不含糖的水，溫度逐漸降低，結(jié)冰的也逐漸是含糖量高的水，因為制冰棒的溫度不會特別低，所以甚至可能有部分很甜的糖水，最后根本都沒結(jié)冰，即使結(jié)冰了，因為它們的熔點非常低，一拿出來吃的時候就先熔化了，所以，這樣的冰棒吃起來就象刨冰似的，非常松軟。而含糖量低的冰棒（放糖精，只要一點點就很甜），幾乎都是在0度結(jié)冰的，拿出來吃的時候，要熔化也是從外往里熔化，里面的始終是一塊整體，不會出現(xiàn)先熔化的間隙，所以非常硬。

根據(jù)上面的知識我們還可以理解下面這些：

松軟的冰棒，外面的部分沒有里面甜，先熔化的部分更甜（我吃冰棒總是使勁的把冰棒的甜水吸干，剩下的部分就是幾乎沒甜味的冰了，相信很多人都有這種體驗），松軟的冰棒會有由外向里刺的針狀的冰晶，里面是最后凝固的最甜的部分。

硬的冰棒沒有上面這些特性，就是一砣死冰，里里外外一樣甜，不存在先熔化的更甜的水，也沒有空隙讓你去吸，你只能從外到里把它熔化掉。

以前單位自制冰棒的人一定記得，那種冰棒非常非常硬，一點不象如今的冰棒這么松軟，這是為什么呢"para" label-module="para">

這里就要先說說合金的“熱脆”現(xiàn)象了?！盁岽唷笔侵负辖鹪诩訜岬竭h沒達到該成分合金的理論熔點的情況下，出現(xiàn)的一敲就散架的現(xiàn)象，看起來好像是太脆，太酥了，所以被稱為“熱脆”。它出現(xiàn)的原因是因為，當(dāng)合金在正常冷卻速度的情況下，并不是象純種金屬那樣開始凝固和結(jié)束凝固的溫度是相同的（即有熔點），而是有一個范圍的，而且先凝固的合金成分和后凝固的不同。先凝固的成分具有更高的熔點，化學(xué)成分和沒凝固的也不相同，先凝固的部分占用掉的金屬成分會改變剩余未凝固金屬的化學(xué)成分，使它的完全凝固溫度比之前更低，越來越低。當(dāng)最后凝固之后，整塊合金中的成分并不是處處相同的，而是先凝固的部分和后凝固的部分具有不同的成分比，所以具有不同的熔化溫度。而我們通常說合金的成分比是指它們的總的成分比，這樣我們根據(jù)總的成分比判斷的熔化溫度就和實際合金當(dāng)中存在的最低熔化溫度不符合，有時要高很多。當(dāng)我們自以為還遠沒達到合金的熔化溫度時，合金當(dāng)中實際上已經(jīng)有部分金屬熔化了，而且因為冷卻是自表向里的關(guān)系，這些易熔成分都是處于垂直合金表面呈放射狀向里密密麻麻分布高熔點成分的針狀體的間隙中的，所以這樣的合金就一敲就碎，顯得非常沒有強度了。

鋼結(jié)構(gòu)蘭脆是指溫度在（250℃）左右的區(qū)間內(nèi)，抗拉強度局部性提高，屈服強度有所回升，強度提高而塑性降低，材料有轉(zhuǎn)脆現(xiàn)象。并且截面變藍，所以叫蘭脆現(xiàn)象。

當(dāng)溫度在250℃左右時,鋼材的抗拉強度有較大的提高，但沖擊韌性變差，鋼材在此溫度范圍內(nèi)破壞時常呈脆性破壞，稱為藍脆（鋼材表面氧化膜呈藍色）。2100433B

由于國家標(biāo)準(zhǔn)中沒有硬性規(guī)定管材壓扁(脆環(huán)試驗)試驗的目的和具體測算方法。所以，關(guān)于管段壓扁試驗的作用和意義一直存在不同的理解與看法，即對其認(rèn)識還不完全一致。比如，對某類管材是否有必要規(guī)定將其壓扁試驗結(jié)果作為產(chǎn)品合格的標(biāo)準(zhǔn)，對于某類管材需要提出哪些抗壓扁性能指標(biāo)，以及經(jīng)壓扁試驗后如何進行正確判定等，都沒有給出統(tǒng)一的規(guī)定，致使人們對壓扁試驗意義的理解各持己見。

在鋼管標(biāo)準(zhǔn)中，脆環(huán)試驗的意義可以理解為兩個方面：其一是通過脆環(huán)試驗暴露管材的表面缺陷，進而考核管材制造質(zhì)量；其二是通過脆環(huán)試驗考核管材的變形性能。歐洲鋼管標(biāo)準(zhǔn)中，提供了圓截面管通過壓扁試驗測試其承受塑性變形的能力，也可用來暴露其表面缺陷和內(nèi)部缺陷。

冷軋精密光亮鋼管的冷脆性(或低溫脆化傾向)用韌性一脆性轉(zhuǎn)化溫度Tc表示。高純鐵(0.01%C)的Tc在一100C，低于此溫度則完全處于脆化狀態(tài)。冷軋精密光亮鋼管中大多數(shù)合金元素都升高冷軋精密光亮鋼管的韌性一脆性轉(zhuǎn)化溫度，增加冷脆傾向。在室溫以上韌性斷裂時，冷軋精密光亮鋼管的斷口為韌窩型斷口，而在低溫下脆性斷裂時為解理斷口。

冷軋精密光亮鋼管的低溫脆化的原因是：

(1)形變時位錯源產(chǎn)生的位錯被障礙物(如晶界、第二相等)阻塞時，局部應(yīng)力超過冷軋精密光亮鋼管的理論強度而產(chǎn)生微裂紋。

(2)幾個塞積的位錯在晶界合成一個微裂紋。

(3)兩個{110)滑移帶相交處反應(yīng)，引起不動位錯<010>，呈楔形微裂紋，它可沿{100}解理面裂開(見圖1b)。

增加冷軋精密光亮鋼管冷脆的因素有：

(1)固溶強化元素。磷升高韌性一脆性轉(zhuǎn)化溫度最強烈；還有鉬、鈦和釩；含量低時影響不大而含量高時升高韌性一脆性轉(zhuǎn)化溫度的元素有，硅、鉻和銅；降低韌性一脆性轉(zhuǎn)化溫度的有鎳，先降低后升高韌性一脆性轉(zhuǎn)化溫度的有錳。

(2)形成第二相的元素。以第二相增加冷軋精密光亮鋼管冷脆最重要的元素為碳，隨冷軋精密光亮鋼管中碳含量增加，冷軋精密光亮鋼管中珠光體含量增加，平均每增加1%珠光體體積，韌性一脆性轉(zhuǎn)化溫度平均升高2．2℃。圖2為鐵素體一珠光體鋼中碳含量對脆性的影響。加入鈦、鈮和釩等微合金化元素，形成彌散分布的氮化物或碳氮化物，引起冷軋精密光亮鋼管的韌性一脆性轉(zhuǎn)化溫度上升。

(3)晶粒尺寸影響韌性一脆性轉(zhuǎn)化溫度，隨晶粒粗化，韌性一脆性轉(zhuǎn)化溫度升高。細化晶粒則降低冷軋精密光亮鋼管的冷脆傾向，這是廣為應(yīng)用的方法。