钢材带状组织的产生原因及消除方法

钢材带状组织的产生原因及消除方法
摘要本文依据钢材产生的带状组织的基本原理，结合公司生产实际情况，参考有关文献，经过分析，得出了钢材带状组织的产生原因，并依此制定出相应的改进措施。

关键词钢材；带状组织；产生原因
0 引言
钢材存在的带状组织是常见的一种缺陷，然而带状组织缺陷问题却影响了钢铁公司的正常生产经营，一方面在公司内部发生了相当数量的由于带状组织不合所造成的废品，另一方面顾客用户提出产品质量异议，导致退货或索赔，这些都给企业产品信誉和经济效益带来了相当大负面影响。

研究证明亚共析钢冷却室温后，显微组织均是由铁素体和珠光体组成，经完全退火的亚共析钢，它的显微组织由铁素体与珠光体组成，正常情况下根据钢的含碳量按一定比例以无规律的混合状态存在，钢的含碳量越高，则珠光体量越高，而铁素体量越少，在热轧钢材上获取与轧制方向平行的截面上的试样，显微组织往往能看到沿轧制方向延伸了的交替排列的带状铁素体与带状珠光体的组织，这种组织在合金钢中最常见。

1 带状组织的成因和影响
1）钢中除C以外的合金元素和杂质的偏析，是形成带状组织的原因。

因钢液在铸锭结晶形成的化学成分是不均匀分布的枝晶组织，铸锭中的粗大枝晶在轧制时沿变形方向被拉长并逐渐与变形方向一致，因此形成碳等元素的贫化带。

当钢中含有硫等害杂质时，因硫化物凝固温度较低，凝固时多分布在枝晶间隙，压延时杂质沿压延方向延伸，当钢材冷Ar3（冷却时奥氏体开始析出游离铁素体的温度）以下时，这些杂质就形成了铁素体形核的核心使铁素体形态呈带状分布，当温度继续降低时，珠光体在余下的奥氏体区域中形成，也相应地成条状分布，形成带状组织，成分偏析越严重，形成的带状组织也越严重；
2）因钢材热加工温度不当引起。

钢材在热加工停锻温度（在停锻时锻件的瞬间温度）低于二相区时（Ar1（冷却时奥氏体向珠光体转变开始温度）和Ar3之间），此时铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出，还没有分解的奥氏体被割成带状，当冷却到Ar1时带状奥氏体转化为带状珠光体。

人们了解到这一点已相当久了。

但是却没有弄明白偏析元素是通过什么样的机理使铁素体与珠光体成析出的。

某XX公司技术部门对各种偏析层的试样进行了研究，提出了关于带状组织成因的如下推测。

该部门认为，向P等提高铁素体开始析出温度的元素，或者像Mn、Ni、Cr等降低铁素体开始析出温度的元素，由于它们沿轧制方向成带状偏析，而引起带状组织，如果P成为带状偏析，就会使偏析部分的铁素体析出温度升高，所以铁素体就在那里成核长大。

在铁素体增多的同时，C被排
挤到部分尚处于奥氏体状态的偏析区外侧的低P区，在这里被富聚而转变成珠光体。

相反，降低铁素体开始析出温度的Mn Ni Cr等成分产生偏析时，由于在偏析区的外侧铁素体最初形核增加，C则是被排挤到铁素体开始析出的温度比较低的，大部分尚处于奥氏体状态的偏析区，在那里富聚而转变成珠光体，结果，偏析区的外侧变成铁素体，偏析区则变成珠光体。

关于带状组织对机械性能的影响，表3.2是某钢铁公司技术部门介绍关于SAE4340 （40CrNi2Mo0）钢的研究结果
表1带状组织对Ni-Cr-M0钢SAE4340 （40CrNi2Mo）调质后的机械性能的影响，可以看出，存在带状组织使垂直于轧制方向的伸长率、断面收缩率以及冲击韧性有所减少。

（1）成分分析值：0.42%C，0.72%Mn，0.82%Cr，1.74%Ni，0.25%Mo ，从843℃油冷后635℃回火2小时的4-5根试样的平均值；
（2）经1200℃×100小时扩散退火后，835℃正火5次。

2 消除带状组织的方法
钢中的带状组织形成原因，对钢材质量的影响和消除方法，结果表明这种组织主要是钢中成分偏析引起的，而且常成因果关系，带状组织会降低钢的力学性能，切削性能和塑性成形性能，带状组织中的合金元素偏析，在常规退火、正火、淬火、渗碳加热条件难以小消除，采取电渣重熔，快速结晶，增大锻造比和扩散退火等技术可减轻或避免钢材带状组织的形成一般认为，带状组织起因于凝固时的树枝状偏析，因此，要完全防止它的发生是十分困难的，但是，可以用扩散退火、电渣重熔、快速结晶；增大锻造比等方法消除或减轻它，在这里介绍一下扩散退火，钢锭在凝固过程中总会产生不同程度的枝晶偏析。

即化学成分很不均匀，扩散退火是将钢锭（或钢锭）高温加热并在次温度下保温，使元素扩散均匀，以减轻或消除枝晶偏析，从而，提高钢材质量。

各种元素在奥氏体中的扩散能力，都是随温度升高而增大，所以扩散退火都要求较高的温度，具体的扩散退火温度由钢种和偏析的程度而定，如钢中偏析严重，含有扩散速度较慢的元素或含有难于溶解的特殊碳化物时，需采用较高温度。

一般合金钢扩散退火温度多采用1200℃～1300℃而高碳钢采用1100℃～1200℃，保温时间为10h～15h。

例如，碳钢的带状组织通过1300℃×5小时的扩散退火，就比较容易消除；镍鉻钼钢SAE4340（40CrNi2Mo）的带状组织，通过1200℃×100小时扩散退火后得以消除。

钢锭在热加工之前要进行一次扩散退火，但是，要完全消除树枝状偏析需要很长时间的退火，因此，通常只在扩散退火温度下保温几小时，这样既能达到扩散退火效果，又简化热处理工序。

3 结论
生产实践证明严格控制钢的冶炼及轧制工艺就可以得到均匀的铁素体和珠光体，有效地防止了带状组织的产生。

参考文献
[1]预防热处理废品的措施[日].吉田亨等著机械工业出版社，1979，11.
[2]金属学宋维锡主编冶金出版社. 1980，5.。