控冷过程中高碳硬线用钢 表面脱碳与氧化研究 学 生 王灿 张强 贾超君 玉买提别克 导 师 刘雅政 教授 周乐育 讲师

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1 控冷过程中高碳硬线用钢 表面脱碳与氧化研究 学 生 王灿 张强 贾超君 玉买提别克 导 师 刘雅政 教授 周乐育 讲师
2011年本科生科技创新结题答辩—— 控冷过程中高碳硬线用钢 表面脱碳与氧化研究 学 生 王灿 张强 贾超君 玉买提别克 导 师 刘雅政 教授 周乐育 讲师 专 业 材料科学与工程学院 材料成型与控制工程08级

2 主要内容 课题的背景、研究目的及意义 1 研究材料与方案 2 加热温度及碳含量对硬线脱碳的影响 3 冷却工艺对氧化层厚度的影响 4
结论、项目成果与创新点 5 北京科技大学 University of Science and Technology Beijing

3 1. 课题背景、研究目的及意义 课题背景 通常把优质碳素结构钢种含碳量≥0.45%的中高碳钢轧制的线材称为硬线。
硬线主要是供给金属制品行业的原料，广泛用于加工低松弛预应力钢丝、钢丝绳、钢绞线、轮胎钢丝及钢帘线、中高强度的紧固件等。 硬线成品 钢绞线

4 1. 课题背景、研究目的及意义 存在的问题之一：表面脱碳
硬线的表面脱碳是影响硬线成品的表面质量的主要因素之一，必须在生 产中加以特别的控制。 表面脱碳是钢加热时表面碳含量降低的现象。线材硬度、耐磨性、疲劳 强度和冲击韧性等明显下降，造成钢帘线、钢绞线、钢丝绳等使用寿命明 显降低。 通常认为碳含量越高，硬线脱碳层深度越大。然而生产实践表明并非如 此。有关两相区对硬线脱碳层深度及结构影响的研究较不完善；此外，加 热温度对脱碳层深度及结构的影响也有待进一步研究。 北京科技大学 University of Science and Technology Beijing

5 1. 课题背景、研究目的及意义 存在的问题之二：表面氧化
钢材与氧发生反应，生成的化合物称为氧化铁皮，其质地硬而脆， 后续 拉拔时易导致钢丝表面的损伤和加剧模具的磨损增加后续处理步骤（如酸 洗），降低金属收得率，并引起环境污染。 目前为止，关于加热及轧制过程中高碳硬线的氧化行为的相关研究做得 较为透彻，在控制轧制和组织性能控制方面已取得了较显著的成果。然而， 在轧后控冷过程中，高碳硬线仍会继续发生氧化行为。而对此相关研究进 行得较少，较为理论和系统的研究少见于报道。 北京科技大学 University of Science and Technology Beijing

6 1. 课题背景、研究目的及意义 研究目的： 研究意义：
探究加热温度及碳含量对硬线脱碳层厚度及结构的影响，以及高碳硬线 轧后控制冷却过程中工艺参数（吐丝温度、风冷冷速等）对线材表面氧化 层厚度的影响，进而为线材生产提供理论指导。 研究意义： 为制定合理的轧后冷却工艺提供依据，从而有效控制轧后线材的表面脱 碳，提升产品表面质量。 减小表面氧化铁皮厚度，优化其结构，以提高金属收得率，缩短酸洗时 间，减少酸耗，甚至可以用机械除鳞取代酸洗，根除环境污染。 对轴承钢、弹簧钢和模具钢等中高碳钢表面脱碳与氧化的研究与控制， 具有普遍的适用价值。 北京科技大学 University of Science and Technology Beijing

7 2. 研究材料与方案 脱碳实验 脱碳实验研究了60、70与82B钢的加热过程脱碳行为。采用箱式电阻炉分别加热3个钢种的试样到不同温度（650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃），加热时间为90min，出炉后空冷。脱碳实验后，将试样进行打磨、抛光和浸蚀，采用光学金相显微镜观察脱碳层形貌，并测定脱碳层深度。 试验钢化学成分 钢种 C Si Mn S P Cr Ni 60 0.57~0.65 0.17~0.37 0.50~0.80 ≤0.035 ≤0.25 ≤0.30 70 0.67~0.75 82B 0.79~0.86 北京科技大学 University of Science and Technology Beijing

8 2. 研究材料与方案 氧化实验 氧化实验针对70钢Φ6.5mm硬线，采用工业实验研究控制冷却参数（吐丝温度、相变后冷却工艺）对70钢氧化铁皮厚度的影响，工业实验方案采用4组冷却工艺，如下表所示。 70钢Φ6.5mm硬线试轧工艺要点 编号 风冷工艺 G1 吐丝890℃，1~5#风机开100%，6~14#风机开50%，保温罩全开 G2 吐丝850℃，1~5#风机开100%，6~14#风机开50%，保温罩全开 G3 吐丝890℃，1~5#风机开100%，6~14#风机关，保温罩全开 G4 吐丝890℃，1~5#风机开100%，6~12#风机开30%，13~14#风机关，保温罩全开 北京科技大学 University of Science and Technology Beijing

9 2. 研究材料与方案 工业实验的冷却曲线 实测斯太尔摩风冷曲线

10 3. 加热温度及碳含量对硬线脱碳的影响 脱碳层厚度及结构的影响因素 加热温度对硬线脱碳的影响 碳含量对硬线脱碳的影响
a. 碳含量对γ单相区脱碳的影响 b. 碳含量对α+γ两相区脱碳的影响

11 不同温度加热90min下60钢脱碳层形貌光学金相
3. 加热温度及碳含量对硬线脱碳的影响 加热温度对硬线脱碳的影响 60钢在不同温度（650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃），加热时间为90min，出炉后空冷至室温。其脱碳层形貌光学金相见图。 650 ℃ 700 ℃ 750 ℃ 800 ℃ 850 ℃ 900 ℃ 不同温度加热90min下60钢脱碳层形貌光学金相

12 3. 加热温度及碳含量对硬线脱碳的影响 从上图中可以看出： 加热温度为650℃时，由于温度较低，表面无明显脱碳发生。
当温度为700℃、750℃和800℃时，表面为全脱碳层+部分脱碳层。并且随着温度的升高，全脱碳层深度逐渐减小。 随着温度继续升高，当加热温度为850℃和900℃时，脱碳层形貌为部分脱碳。 结果表明：60钢存在一个发生全脱碳的敏感温度区间 ℃，在700℃时全脱碳达到最大值75μm，并且随着温度的升高，全脱碳深度降低。这与我们通常的认识是不一致的。 北京科技大学 University of Science and Technology Beijing

13 不同碳含量硬线900℃加热90min脱碳层形貌光学金相
3. 加热温度及碳含量对硬线脱碳的影响 碳含量对γ单相区脱碳的影响 不同碳含量硬线900℃加热90min脱碳层形貌光学金相如图所示。从图 中可见看出，三种硬线60、70和82B，脱碳层均为部分脱碳，并且随着 碳含量的增加，脱碳层深度逐渐增大。 900℃时，实验钢处于γ单相区。实验结果表明，处于γ单相区时，硬线 发生部分脱碳，且脱碳层深度随碳含量的升高而增大。 60钢 70钢 82B钢 不同碳含量硬线900℃加热90min脱碳层形貌光学金相

14 不同碳含量硬线700℃加热90min脱碳层形貌光学金相
3. 加热温度及碳含量对硬线脱碳的影响 碳含量对α+γ两相区脱碳的影响 加热到60和82B脱碳层均以全脱碳为主，而70钢无表面脱碳。 700℃时，实验钢处于α+γ两相区。因此，处于α+γ两相区时，硬线主要 发生全脱碳，且随着碳含量的增加，全脱碳层深度先减小后增大。 60钢 70钢 82B钢 不同碳含量硬线700℃加热90min脱碳层形貌光学金相

15 4. 冷却工艺对氧化层厚度的影响 吐丝温度的影响对氧化层厚度的影响
对于相变后冷却工艺相同（1~5#风机开100%，6~14#风机开50%，保温 罩全开），而吐丝温度不同（890℃、850℃）的试轧试样，氧化层光 学SEM金相如图所示。 由图可见，吐丝温度为890℃时，氧化层厚度为7.5μm；吐丝温度降低 到850℃时，氧化层厚度降低为4.5μm，减少了40%。可见，降低吐丝 温度，可以有效减少表面氧化。 850℃ 890℃ 不同吐丝温度硬线氧化层光学SEM金相

16 不同相变后冷却工艺硬线氧化层光学SEM金相
4. 冷却工艺对氧化层厚度的影响 相变后冷却工艺的影响对氧化层厚度的影响 对于吐丝温度相同（890℃），而相变后冷却工艺不同（而相变后冷却 工艺不同（6~14#风机开50%，保温罩全开；6~14#风机关，保温罩全 开；6~12#风机开30%，13~14#风机关，保温罩全开）的试轧试样，氧 化层光学SEM金相如图所示。 由图可见，对比6~14#风机关，6~12#风机开30%能够将氧化层厚度由 11.0μm降至8.0μm，降幅达27%。继续加大冷却，氧化厚度降低较少。 G3工艺 G4工艺 G1工艺 不同相变后冷却工艺硬线氧化层光学SEM金相

17 5. 结论、项目成果及创新点 结论 （1）60钢存在一个发生全脱碳的敏感温度区间 ℃，在700℃时全 脱碳达到最大值75μm，并且随着温度的升高，全脱碳深度降低。结 果证明完全脱碳产生的温度区间与Fe-Fe3C相图上α+γ两相区温度区间 基本一致。 （2）碳含量对硬线脱碳有明显影响：处于γ单相区时，发生部分脱碳， 且脱碳层深度随碳含量的升高而增大；处于α+γ两相区时，硬线主要 发生全脱碳，且随着碳含量的增加，全脱碳层深度先减小后增大。 （3）轧后冷却工艺可以显著影响70钢盘条氧化层的厚度。相同的风冷条 件下，吐丝温度由890℃降低到850℃，氧化层厚度减少40%；控制相 变结束后至集卷段平均冷却速度由2.6℃/s升至4.2℃/s，集卷温度由 475℃降为385℃，就能达到显著降低氧化层厚度的目的。

18 5. 结论、项目成果及创新点 项目成果 研究了轧后冷却工艺对70钢硬线氧化铁皮厚度的影响，制定了相 应冷却工艺参数；
研究不同因素对不同含量硬线脱碳层深度及结构的影响，明确了 脱碳层的控制策略； 在期刊“武汉科技大学学报”上发表科技论文一篇“轧后冷却工 艺对70钢盘条氧化层厚度的影响”； 完成项目研究报告。 北京科技大学 University of Science and Technology Beijing

19 5. 结论、项目成果及创新点 项目创新点 采用了工业试验与实验室实验结合的研究手段；
重点关注了目前研究较少的轧后冷却过程中硬线的氧化行为探究了 吐丝温度及相变后冷却工艺对氧化层厚度的影响； 研究了加热温度与碳含量对脱碳层深度及结构的影响，重点关注了 相区对脱碳的影响。 北京科技大学 University of Science and Technology Beijing

20 谢谢！