过热与过烧

钢加热超过一定温度时，奥氏体晶粒迅速长大，形成粗大的晶粒，这种现象称过热。碳钢对过热的敏感性小一些，合金钢则容易过热，在对过热敏感的钢种中，以镍铬钼钢最为突出。过热与加热温度、加热时间有关。加热温度越高，时间越长，晶粒越变的粗大，而使钢的机械性能降低、变脆。冶炼方法对钢的过热温度具有显著影响。电渣重熔钢比具有相同化学成分的电弧炉钢（非真空）的过热起始温度低，这是由于超纯钢里通常聚集在晶界、阻止晶粒长大的Al2O3等夹杂物极少存在，使它容易出现晶粒长大。由于钢的纯度而使过热起始温度降低的程度，已知为15℃以上。真空熔炼钢的过热起始温度较在大气熔炼的同种钢低30～40℃。例如40CrMnSiMoVA真空自耗重熔钢和电炉钢的过热温度分别为1160℃和1200℃。一般过热对锻造影响不大，但过热严重（即俗称“稳定过热”）的锻造中过热区域会产生龟状裂纹。过热的金属，如果变形许可的话，可再锻或在锻后进行正火，将晶粒细化。但是Ni-Cr，Cr-Ni-Mo，Cr-Ni-W，Cr-Ni-Mo-V系多数合金结构钢严重过热之后，用正常热处理工艺极难改善，此种过热称为稳定过热。稳定过热时，除奥氏体晶粒粗大或大小晶粒混淆外，还会沿原奥氏体晶界析出硫化物（MnS）等异相质点。硫化物质点越多，原奥氏体晶界也就越稳定。虽然在以后的正火、淬火时钢重新奥氏体化了，但原奥氏体晶界上硫化物等质点的分布、大小和形状不会受到多大程度的改变，结果形成了稳定过热。过热组织，由于晶粒粗大，引起机械性能降低，尤其是（低温）冲击韧性大大降低。钢长时间在高温炉内的强烈氧化介质中加热时，就会产生过烧。过烧的实质是高温的钢被炉气中的氧渗透到晶界处，使晶界氧化，形成脆壳，严重地破坏了晶粒之间的联结。过烧的钢料，在锻压时会崩裂成碎块，断面呈浅灰色。晶粒粗大，炉气中含氧越多，加热时间越长，越易过烧。过烧的金属是无法挽救的，在加热时必须特别注意。在炼钢温度下，氧化物和硫化物在钢中都有一定的溶解度，在钢液凝固过程中，因氧化物和硫化物溶解度的变化，会按一定的规律析出非金属夹杂物。硫化物的析出温度是个很重要的参数。在硫、锰含量高的钢种里MnS可以在奥氏体阶段都析出来，也都会固溶进去，就看速度随温度上下而变化，温度越低析出速度越快，量越多，而低硫低锰钢900C才开始析出，它低于热处理的奥氏体化温度而被固溶掉。当MnS大量聚集在晶界上形成网状（的Ⅱ类硫化物）时，这种低熔点相极大地破坏材料的成形性及高温状态下的使用性。降硫限锰是主要应对方法——目前在高温用钢如石化反应器的16Mn、15CrMo、14Cr1Mo、2.25Cr1Mo（0.25V）等等钢种的抗氢致裂材料里都要求S≤0.002、Mn除16Mn外也有较大限制的其中一个原因就在此。另外，析出过程是S、Mn平衡迁移的过程，它需要在冷却时聚集能量——过热钢具备了这种条件。过烧钢就不谈了，因为它把晶粒间的金属键给破坏了，——这已经不是MnS析出的问题了，像鱼子一样，轻轻一碰就碎——废物一堆。在热加工过程中，钢锭中的粗大枝晶和各种夹杂物都要沿着金属的变形方向被拉长，这样就使钢锭中的枝晶偏析和非金属夹杂物逐渐与热加工时金属的变形方向一致，成为带状组织。带状组织使钢的机械性能呈现各向异性，即沿纤维伸展的方向具有较高的机械性能，而在垂直于纤维伸展方向上机械性能较为低劣。严重带状组织的材料在热处理淬火时还容易产生沿纤维方向的纵向开裂。过烧与过热相比，不但晶粒粗大，而且晶界发生氧化脱碳，甚至晶界熔化，过烧之后的零件稍一锻打就会粉碎，无法补救。过热：是加热温度过高或在高温下保温时间过长，易导致奥氏体晶粒的粗大，粗大的奥氏体晶粒会导致钢的强韧性降低。一般认为，金属由于加热温度过高或高温保温时间过长而引起晶粒粗大的现象就是过热。至于晶粒粗大到什么程度算过热，应视具体材料而有所不同。碳钢（包括亚共折钢和过共折钢）、轴承钢和一些钢合金，过热之后往往出现魏氏组织；马氏体和贝氏体钢过热之后往往出现晶内织构组织；1Cr18Ni9Ti、1Cr13和Cr17Ni2等不锈钢过热之后α相（或δ铁素体）显著增多；工模具钢（或高合金钢）往往以一次碳化物角状化为特征判定过热组织。钛合金过热后出现明显的β晶界和平直细长的魏氏组织，这些通过金相检查便可以判定。对铝合金的过热现在没有明确的判定标准。一般过热的结构钢经正常热处理（正火、淬火）之后，组织可以得到改善，性能也随之恢复。但是Cr—Ni、C—Ni—Mo、Cr—Ni—W、Cr—Ni—Mo—V系多数合金结构钢严重过热之后，冲击韧度大幅度下降，而且用正常热处理工艺，组织也极难改善，因此对过热组织，按照用正常热处理工艺消除的难易程度，可以分为不稳定过热和稳定过热两种情况。不稳定过热是用热处理方法能消除所产生的过热组织，亦称一般过热；稳定过热是指经一般的正火（包括高温正火）、退火或淬火处理后，过热组织不能完全消除。合金结构钢的严重过热常常表现为稳定过热。碳钢、9Cr18不锈钢、轴承钢、弹簧钢中也发生类似情况。过烧：加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗大，而且晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化等。过烧加热温度比过热的更高，但与过热没有严格的温度界限。一般以晶粒边界出现氧化及熔化为特征来判定过烧。如对碳素钢来说，过烧时晶界熔化、严重氧化，工模具钢（高速钢、Cr12Mo等钢）过烧时，晶界因熔化而出现鱼骨状莱氏体。铝合金过烧时，出现晶界熔化三角区和复熔球等现象。锻件过烧后往往无法挽救，只好报废。带状组织钢材内部缺陷之一，出现在热轧低碳结构钢显微组织中，沿轧制方向平行排列、成层状分布、形同条带的铁素体晶粒与珠光体晶粒（见图）。这是由于钢材在热轧后的冷却过程中发生相变时铁素体优先在由枝晶偏析和非金属夹杂延伸而成的条带中形成，导致铁素体形成条带，铁素体条带之间为珠光体，两者相间成层分布带状组织（bandedstructure）带状组织：金属材料中两种组织组分呈条带状沿热变形方向大致平行交替排列的组织。例如钢材中的铁素体带1珠光体带，珠光体带1渗碳体带等。。带状组织的存在使钢的组织不均匀，并影响钢材性能，形成各向异性，降低钢的塑性、冲击韧性和断面收缩率，造成冷弯不合、冲压废品率高、热处理时钢材容易变形等不良后果。产品标准中有带状组织评级图片，根据用途确定允许的级别。6、钢坯的过热和过烧钢在加热过程中的过热和过烧都意味着钢的结晶组织发生了变化。钢坯在高温下长时间加热时，钢的晶粒不断长大，当晶粒长大到一定程度时，晶粒间结合力减弱，钢的塑任变坏。这种现象就是钢的过热。过热的钢坯在轧制过程中产生裂纹，使产品报废。如果钢坯温度继续上升，达到铁碳平衡图的液相线时，钢的晶粒边界便开始熔化。因为，钢在凝固过程中，非金属夹杂的凝固点较低，被留在金属晶粒之间最后凝固，当温度升高时，熔点低的夹杂先熔化。一旦晶粒边界开始熔化，则钢的结晶组织便遭到破坏，失去金属应具有的塑性和强度。这种现象称为钢的过烧。钢坯过烧后易折断和碎裂，喂入轧机轧制时便造成推钢事故。钢坯过热和过烧都是严重的加热质量事故，过烧是在过热的基础上发生的，情况更为严重。过热的钢坯若未经轧制，可将其冷却至700℃以下，然后重新加热使用，而过烧的钢坯无法恢复原来的组织状态，只能报废。高碳钢较低碳钢熔点低，若最高加热温度控制不当，往往发生钢坯过热和过烧现象，当轧制作业线突然出现故障停轧时，对炉温控制不及时，很容易造成过热或过烧。在钢坯的加热过程中，只要严格控制炉子温度和钢坯的加热温度，并在轧制作业线出现故障时及时调整炉况，则各种加热缺陷是完全可以避免的。合金钢过热、过烧的鉴别方法对过热、过烧的判定，目前最广泛应用的是低倍（50倍以下）检查、金相分析和断口分析等三种方法。这三种方法相互配合，相辅相成地使用。1.低倍检查合金结构钢过热之后，在锻件低倍上表现为低倍粗晶。低倍粗晶的显示方法如下：一般采用1:1的盐酸水溶液热浸蚀。对材料纯洁度较差的电弧钢，采用10％～20％的过硫酸氨水溶液等冷浸蚀剂，效果较好。在过热锻件的酸浸低培试片上，按过热程度不同，用肉眼可观察到：轻微过热时有分散零星的闪点状晶粒；一般过热时晶粒呈片状或多边形；严重过热时则呈雪片状。目前尚无统一的低倍检验标准。2.金相分析利用腐蚀剂对磨制好的金相试样进行电解腐蚀或化学腐蚀，然后在金相显微镜下观察晶界及附近有无过热、过烧的特征，进而判定钢材是否过热与过烧。在大多数情况下，应用饱合的硝酸铵水溶液对试件进行电解腐蚀，然后在显微镜上观察基体和晶界的颜色。过热钢奥氏体晶界呈白色，基体呈黑色。过烧钢晶界呈黑色，基体呈白色。也可应用硝酸[10％（质量分数）]加硫酸[10％（质量分数）]的水溶液或奥勃试剂，对试样进行化学腐蚀，效果也很好。已过热的钢在显微镜下可见到黑色断续或完整的晶界（有人认为黑色晶界是由于沿晶界析出的MnS被腐蚀造成的），而过烧钢的晶界则呈白色。还有其它一些金相检查的方法，详见《锻件质量分析》一书。3.断口分析用断口来检查材料的过热、过烧，也是一种既简便又可靠的方法。通常有两类断口，一类叫“萘状断口”，另一类叫“石状断口”。石状断口是经调质处理后进行的检查。所谓“萘状断口”是典型的穿晶解理断裂；而所谓“石状断口”是典型的沿晶断裂。萘状断口可以显示晶粒的大小，但不能反映第二相颗粒沿晶界析出的情况，即不能表征材料是否稳定过热。采用“石状断口”来评定过热则有以下优点：1）“石状断口”表面上出现的过热小平面的大小，反映了晶粒的大小；韧窝的大小和数量多少，反映了MnS等夹杂沿原奥氏体晶界的析出情况；2）在纤维状断口上出不出现“过热小平面”，标志着稳定过热是否开始；3）“过热小平面”的尺寸、形状、数量及分布情况，反映过热的严重程度。当断口由纤维状完全变为“过热小平面”（石状断口）时，就表示严重过热了，可见在韧性状态下检查钢材是否过热，是比较合理的。例如，某厂对18Cr2Ni4WA钢过热断口进行了研究，在950℃加热时获得正常纤维状断口，在1150℃加热时，在纤维状断口基体上出现了少数分散而细小的“过热小平面”，此时开始轻度过热。随着加热温度的进一步升高，“过热小平面”增多增大，在400℃时断口的表面全是由大颗粒灰白色“过热小平面”组成，此时为严重过热断口。