低碳钢带状组织

低碳钢零件中带状组织的成因、危害和避免
消除工艺设计
摘要：研究了低碳钢零件在热加工过程中带状组织形成的主要原因，讨论了带状组织的存在对低碳钢零件的力学性能、塑性成形性能以及其它性能的的影响。

带状组织中的元素偏析, 在常规退火、正火、淬火、渗碳加热条件下难以消除。

采用电渣重熔、快速结晶、增大锻造比和扩散退火等技术, 可以减轻或避免钢材带状组织的形成。

通过推导控制热加工冷却速度消除带状组织的冷却速度公式，提出了通过控制热加工冷却速度，以及通过高温扩散退火（+1-3次正火）来避免和消除低碳钢零件中带状组织的工艺控制措施。

关键字：低碳钢带状组织冷却速度扩散退火
1.引言
低碳钢零件有各种机械用途，在实际应用过程要求具有较高的力学性能。

然而在实际生产中，我们却经常发现低碳钢零件在热加工后存在带状组织。

如带状组织是钢管中的一种缺陷组织,当带状组织严重时,钢管的力学性能出现明显的各向异性,使钢管横向断面收缩率降低较多,纵向冲击功与横向冲击功约相差一倍,
钢管的塑性或韧性达不到技术标准的要求。

因此,探索消除或减轻低碳变形钢中带状组织的热处理工艺是非常迫切的任务。

2.低碳钢带状组织形成的原因
在含碳量为0. 10% ~0. 35%的低碳钢材料在冶炼浇注后绝大部分要经过热塑性变形(热轧、热锻、热扩)后,方可成为型材。

但是，加工后的低碳钢零件容易得到沿着变形方向，形成珠光体和铁素体呈带状分布的组织，即形成带状组织。

低碳钢零件形成带状组织的原因各不相同，归纳起来大致有2种原因：
（1）由成分偏析引起的带状组织，即当低碳钢零件中含有一定数量的夹杂物，压延时，夹杂物沿压延方向程流线分布。

当低碳钢零件冷至Ar3以下时，这些杂质就成为先共析铁素体成核的核心，使先共析铁素体先在夹杂物周围生成，形态呈带状分布，随后剩余奥氏体转变成珠光体，在室温金相显微镜下观察,铁
素体为白色,而珠光体呈灰黑色,因此出现了白黑相间的条带状,这就是低碳变形钢的带状组织。

（2）由热加工温度不当引起的带状组织，即低碳钢零件热加工停锻温度于二相区时（A1和A3之间），铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出，尚未分解的奥氏体被割成带状，当冷却到A1时，带状奥氏体转化为带状珠光体。

注：下图为带状组织的示意图：
3.带状组织对低碳钢零件力学性能的影响
3.1.带状组织对低碳钢零件的力学性能的影响（参见表1中的关于带状组织的实验数据）。

数据表明：带状组织使低碳钢零件在垂直于轧制方向(即垂直于带状组织方向)的伸长率δ5，断面收缩率ψ及冲击韧度αk降低。

带状组织对低碳钢零件的屈服点σs，和抗拉强度σb影响不大。

3.2.带状组织对于低碳钢零件的危害
（1）带状组织的存在会使低碳钢零件的力学性能呈各向异性，使零件的横向断面收缩率降低较多,纵向冲击功与横向冲击功约相差一倍，沿带状组织的方向明显优于其垂直方向，压力加工时易于从交界处开裂。

（2）对于需要后续热处理的零件，带状组织轻则会导致热变形过大，重者会造成应力集中，甚至出现裂纹。

4.避免或消除低碳钢零件带状组织的两种工艺设计
4.1.通过控制热加工冷却速度来避免低碳钢零件带状组织的工艺
低碳（合金）钢经热轧或锻压后，由于枝晶偏析会使合金元素的富化区和贫化区在形变过程中沿形变方向伸展，由于合金元素的扩散均匀化远比碳要慢的多，这种合金元素的带状偏析分布不易消除。

这些带状分布的合金富化奥氏体与合金贫化的奥氏体之间分解的动力学规律有相当的差别，含合金元素少的奥氏体在慢速冷却时由于在较高温度下首先分解出部分铁素体而使该区域的碳向富化合金区域排挤，从而在继续冷却后使合金富化区形成以珠光体为主的带状组织，而合金贫化区形成铁素体众多的带状组织。

显然，合金元素的带状偏析分布是形成众多带状珠光体-铁素体组织的必要条件，但如果没有碳原子向偏析区内扩散，带状珠光体-铁素体组织就不会形成，因此，合金元素的带状偏析仅仅是造成了钢中带状组织的潜势，而形成带状组织的充分条件则是碳的扩散能力。

为此我们进一步讨论冷却速度对于形成带状组织的影响。

如带状组织中铁素体区（合金贫化区）与珠光体区（合金富化区）的转变温度相差ΔT ，偏析区平均距离为d ，冷却速度为v ，则在ΔT 温度间隔内为碳原子提供的扩散时间为τ=ΔT/v,今碳的扩散系数为Dc ，遵循扩散的抛物线规律
X=K ⨯ τD
式中X-扩散距离（或深度）;
τ-扩散时间;
则 Xc= K ⨯ τDc =K v
T Dc Δ 若在τ时间内碳的扩散距离Xc 小于合金偏析去距离d 时，即
Xc<d
代入 K v
T Dc Δ<d
换算结果 v>K Dc
d ⨯⨯T 2(K 为一常数)
即当冷却速度v>K Dc d ⨯⨯T 2时将不会出现带状珠光体-铁素体组织。

通过控
制热加工冷却速度消除的这种带状组织，在以后的热处理时一定冷速下仍可出现，这是因为合金偏析依然存在，必须通过较高温度下长时间扩散退火才能消除。

4.2.通过高温扩散退火（+ 1-3正火）消除低碳钢零件带状组织的热处理工艺
4.2.1.工艺分析
在固相线以下高温加热到某一温度(>A 3、Acm ，低碳钢为1100~1200C
)，并在此高温下长时间（十几小时几十小时）保温，使钢中的带状偏析元素得到充分地扩散，然后快冷到低于临界冷却温度30~40C 的等温炉等温炉冷到300~500C ，然后空冷至室温。

铁素体和珠光体在上述的冷却再结晶过程中不会形成带状，而形成均匀组织，所以上述工艺可以避免带状组织的形成。

但是，经过高温长时间扩散退火后，组织晶粒会变粗大(3-4级)，因此，还必须进行1-3次的正火处理，以细化晶粒，消除钢中的带状组织，提高综合力学性能。

4.2.2.以 20CrMnMo 凸轮为例讨论低碳钢扩散退火及正火工艺
热处理工艺曲线图如下：
以100~200
C /h 的加热速度将20CrMnMo 凸轮加热到温度1200C ±10C )，并在此高温下保温11.5h ，然后在等温炉等温炉冷到500C 以下空冷至室温。

以100~200C
/h 的加热速度将扩散退火后的20CrMnMo 凸轮加
热到温度900C 10C )，并在此温度下保温2.5h，然后空冷至室温。

常规正火、扩散退火、扩散退火后正火的金相组织对比见图3。

通过常规正火、扩散退火、高温扩散退火后正火的金相组织对比，通过高温扩散退火（+ 1-3正火）热处理工艺，低碳钢零件带状组织可以被消除，晶粒度达到7—8级，满足工艺要求。

图3热处理晶相组织
(a)常规正火(x100．晶粒度7—8级)(b)扩散退火(x100．晶粒度3—4级)(c)高温扩散退火+正火(x100，晶粒度7—8级)
5.结论
(1)低碳钢零件中的带状组织是低碳钢零件在浇注凝固过程中枝晶组织带来的Mn, Si等的合金元素偏析造成的，枝晶偏析在轧后钢板中形成的成分带状是形成组织带状的根源和先决条件。

(2)低碳钢零件中带状组织的存在会降低低碳钢零件的伸长率δ、断面收缩率ψ和冲击韧性α。

(3)低碳钢零件中的带状组织可以用高温扩散退火的方法消除或减轻。

较为严重的带状组织可以通过高温扩散退火后正火+1-3次回火来消除、减轻，对性能均匀性要求比较高的低碳钢零件，合理的热处理工艺可起到减轻带状组织的效果，但需要结合前一项热处理工艺和低碳钢零件的使用性能要求，合理的确定热处理工艺。

(4)合理的加热制度，控轧控冷((TMCP)技术的应用，包括合理的开轧温度、终轧温度、轧后冷却速度和冷却方式，以及奥氏体再结晶区和未再结晶区压下量的分配和道次压下量设定等，对减轻或避免带状组织有重要作用。

6.参考文献
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