鋼中氫致白點(diǎn)及其預(yù)防(續(xù)完

1、鋼中氫致白點(diǎn)及其預(yù)防（續(xù)完）捫金情報(bào)取 fj21前櫥漾鋼中氫致自點(diǎn)畢夢(mèng)熊編譯 （上海冶金情報(bào)研究所 ）l1（接續(xù)上期 :1導(dǎo)言2 白點(diǎn)形成機(jī)理及影響因素 ）5 減少白點(diǎn)的方法3.1 真空脫氣 為減少自點(diǎn)最顯而易見(jiàn)的方法是用真空脫氣處理以降低鋼中氫 氣 .已有好幾種工業(yè)化真空脫氣法 ,如鋼流脫氣法 ,重復(fù)循環(huán)脫氣法 （用RH和DH脫氣裝置）和非循環(huán)脫氣法（如采用鋼包或脫氣罐）各 種類型的真空脫氣法在許多書(shū)刊中已有詳細(xì)介紹 .目前,各生產(chǎn)大型鍛件用鋼的鋼廠使用最普遍的是鋼包脫氣法和罐式脫氣法 .前者是在鋼包頂部加蓋抽真空 ,后者是把鋼包放入真空 罐作脫氣處理 .這兩種脫氣裝置的工作原理是相似的 .

2、氬氣通入鋼水 而翻泡 ,使鋼水混和并為生成氫氣提供一反應(yīng)場(chǎng)所常常也用電磁攪 拌來(lái)改善鋼水的循環(huán)流動(dòng)除氫按下列反應(yīng)進(jìn)行:2旦=H.此反應(yīng)的 速率受制于金屬中氫氣到反應(yīng)地點(diǎn)的質(zhì)量傳遞.反應(yīng)是在氬氣泡表面上和熔體自由表面上進(jìn)行的 .氬氣高速翻泡時(shí)氬氣泡的表面積是極大 的,并且即使考慮到鋼水的飛濺 ,它也是大于自由表面的面積 .有文 獻(xiàn)提出了一個(gè)用氬氣泡進(jìn)行真空脫氣的模型 .最近文獻(xiàn)提出了一個(gè)類 L,胬海匕22 上海冶金情報(bào)似的模型 ,不過(guò)它還包括在熔體自由表面上的脫氣 .該模型改進(jìn)了銅 水中氣泡性狀的相關(guān)關(guān)系 .它被用于 1 臺(tái)現(xiàn)代化的實(shí)用脫氣裝置上 , 并把計(jì)算結(jié)果與操作結(jié)果作了比較 .這個(gè)模型用

3、于計(jì)算1臺(tái)40t,直徑2m銅包脫氣裝置的脫氫速率. 當(dāng)氬氣流速?gòu)牡退俚街兴贂r(shí) ,多數(shù)的反應(yīng)在自由表面上進(jìn)行 ;當(dāng)氧氣 流速較高時(shí) ,氣泡是主要反應(yīng)場(chǎng)所 .電磁攪拌把渣子推向一邊 ,可能 有助于增加反應(yīng)的表面積 ,模型計(jì)算結(jié)果表明 ,當(dāng)氬氣低速翻泡時(shí) , 脫氫主要在自由表面上進(jìn)行 ;而高速翻泡時(shí) ,氬氣泡脫除大量的氫 . 脫氫到 lppm 以下是極緩慢的 , 任何真空系統(tǒng)都有滲漏點(diǎn) ,空氣 通過(guò)它們進(jìn)入真空容器內(nèi) .空氣中有水蒸汽 ,后者與脫氧劑的反應(yīng)決定了平衡氫含量 .例如,對(duì)于一種含鋁 0.03%的鋼以及 H.O 壓力僅1OI5 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 ,在 1600.C 時(shí)平衡氫含量約為 0.4ppm

4、.H20+A12O3+2 旦在此計(jì)算中AI.O.的活度取0.5,對(duì)于CaAl.O. SiO鋼包渣系， 此值具有代表性 .這意味著熔體表面上的反應(yīng)是有限的 ,無(wú)論如何 , 把氫脫到遠(yuǎn)低于 Ippm 是很困難的 .應(yīng)當(dāng)記住 ,真空脫氣后在澆鑄時(shí)鋼水通常要吸氫 ,特別當(dāng)氫含量 低的時(shí)候 .由于大多數(shù)大型鍛件都是經(jīng)過(guò)鑄錠 ,即使采用底注法也有 金屬暴露在空氣中 ;空氣中水蒸汽分解成 2 和后,氫被吸入鋼中 . 如前所述 ,因?yàn)殇撁撨^(guò)氧 ,所以水蒸汽分解反應(yīng)的動(dòng)力是很強(qiáng)的 .當(dāng) 空氣中水蒸汽含量很高時(shí) ,如在濕熱日子里 ,此動(dòng)力也會(huì)增大 .在冬 日里用有保護(hù)作用的底注法時(shí)吸入的氫可以在0.2O.4ppm

5、范圍內(nèi):在濕熱日子里當(dāng)敞開(kāi)澆注時(shí)吸入的氫可達(dá)0.5O.8ppm.因此，鋼水即使被真空脫氣得很充分，脫氣終了時(shí)氫含量低至1ppm,但在澆鑄 結(jié)束后鋼中平均氫含量仍將達(dá)到1.21.8ppm.因此,在最終澆鑄后上海冶金情報(bào)23氫含量達(dá)到 1.5ppm 已是相當(dāng)不錯(cuò)了 ,再要降低是很困難的 .3.2 擴(kuò)散脫氫鋼板坯在高溫下保溫使氫擴(kuò)散出去 ,是板坯脫氫的常用方法 .但是，要知道板坯只有1520cm厚，而大鍛件可厚達(dá)100cm或更厚.在一定時(shí)問(wèn)內(nèi)脫氫量與厚度平方成反比 ,因此大鍛件脫氫所花的時(shí)間 要多 5O 余倍.有文獻(xiàn)對(duì)大塊鋼件中的氫擴(kuò)散作了詳細(xì)分析 .對(duì)目前實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō) ,用相似的計(jì)算來(lái)證實(shí)固體鋼脫

6、氫的難度 .計(jì)算對(duì)象為橫斷面直徑各為125cm和95cm的鋼圓柱體，它們起始 氫含量分別4ppm和2ppm,所處溫度2700.C,此時(shí)氫擴(kuò)散速率約 為1.15x10 一 cm2/s.根據(jù)計(jì)算結(jié)果制成的平均氫含量一時(shí)間曲線 可知,脫去大量的氫需要極長(zhǎng)時(shí)間例如，把氧含量從2ppm降到 lppm,95cm斷面試樣就需要250余小時(shí)，而125cm斷面試樣則需要 425余小時(shí).顯然這種擴(kuò)散脫氫是無(wú)法實(shí)施的. 以上的氫含量指的是平均氫含量 .事實(shí)上沿?cái)嗝姘霃酱嬖谥鴼錆?度梯度，中心部位的氫含量較高將起始?xì)浜?ppm直徑95cm 的2只鋼圓柱試樣分別保溫200h和400h,并作出它們從斷面中心到邊 緣氫含

7、量的分布曲線曲線顯示，即使經(jīng)過(guò)400h保溫,從中心到半徑半處氫含量仍在2ppm以上如果起始?xì)浜繛?ppm則從中心到 半徑一半處的氫含量超過(guò) lppm.雖然這些計(jì)算是在簡(jiǎn)化條件下進(jìn)行的 ,但它們清楚表明 ,僅用高 溫和長(zhǎng)期保溫想去除大型鍛件中足夠的氫是根本不現(xiàn)實(shí)的 .對(duì)于大斷 面鋼錠來(lái)說(shuō) ,即使在 3O 天以后,大部分部位仍將含有一半以上的起始 氫含量 .在高溫下作短時(shí)間保溫雖然不可能除去大量的氫 ,但卻有助干減 少氫偏析 .這種.?；碧幚砟艽偈箽涞亩坛虜U(kuò)散 ,并將消減鋼水凝固z4 上海冶金情報(bào) 時(shí)產(chǎn)生的主要偏析 .處理時(shí)將鋼錠置于 8001000.C 下保溫?cái)?shù)小時(shí) .3.3 熱處理熱加工后

8、的冷卻和熱處理循環(huán)對(duì)鋼中 ,尤其純凈鋼中白點(diǎn)形成與 否有很重要的作用 ,如果工藝正確則可減少白點(diǎn)產(chǎn)生 .熱加工后鋼件 應(yīng)相當(dāng)快地冷卻到鐵素體 ,鐵素體 /珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變溫度以下 ,停 留在 200.C 以上.這些溫度取決于被處理鋼材的合金元素成份.在估算這些重要的轉(zhuǎn)變溫度時(shí) ,必須確實(shí)地考慮純凈鋼中正偏析區(qū)域的成 份 .為了把氫從鐵索體轉(zhuǎn)到奧氏體的偏析減少到最低程度,應(yīng)避免在鐵索體 +奧氏體區(qū)域內(nèi)停留過(guò)多時(shí)問(wèn) .已知偏析區(qū)是十分重要的以及 這些區(qū)域中合金元素含量將是相當(dāng)高的 ,則貝氏體的開(kāi)始溫度和終了 溫度將是人們經(jīng)常與之打交道的溫度 .當(dāng)然,熱加工后 ,冷卻不能太 快以免尋 i 入可能導(dǎo)

9、致熱應(yīng)力開(kāi)裂的過(guò)大殘余應(yīng)力 .白點(diǎn)生成是一種延時(shí)過(guò)程，一般發(fā)生在熱加工后2 20天因此， 最好在鋼材為進(jìn)一步加工而儲(chǔ)倉(cāng)之前進(jìn)行使所有奧氏體轉(zhuǎn)變的預(yù)防 白點(diǎn)處理 .在使材料大部分特別是貝氏體偏析區(qū)轉(zhuǎn)變后,希望將貝氏體進(jìn)行回火（根據(jù)鋼種，回火溫度取600.C左右）以提高材料的韌性，消 除熱,機(jī)械和相變等應(yīng)力 ,同時(shí)也有助于使氫均勻化 ,減少氫的偏析 和局部富集 .典型的純凈鋼預(yù)防白點(diǎn)熱處理方法 :鍛件自加工終了溫度冷至200.C以上，咀氏體轉(zhuǎn)變終了溫度以下，保溫若干小時(shí)，然后再加熱至600.C以上,Ac溫度以下,保溫若干小時(shí)后冷卻至室溫，這種處理工藝可使整個(gè)奧氏體轉(zhuǎn)變?cè)?200.C以上進(jìn)行,并保證

10、在隨后的熱處 理過(guò)程中有合適的細(xì)晶粒 .3.4 硫和硫化物在鋼水冷卻過(guò)程中硫形成如 MnS的硫化物.一般說(shuō)來(lái),MnS對(duì)鋼上海冶金情報(bào) 25的力學(xué)性能，尤其對(duì)斷裂韌性是有害的在0.0150.035%S范圍內(nèi) 就鋼的各種性能來(lái)考慮通常希望硫含量較低另方面,在最近10年里 已有可能煉出硫含量<20ppm(0.002%)的鋼.或許并不要求如此低 的硫含量,實(shí)際上反而可能增加產(chǎn)生氫致白點(diǎn)的機(jī)會(huì) .如前所述,硫化物是弱的捕氫劑，它們只在200.C以下捕獲氫 氣.如果存在的硫化物夾雜量不多 ,如在超低硫含量情況下 ,則積聚 在每一顆夾雜上的氫數(shù)量將增加 .這導(dǎo)致氫壓力提高和促進(jìn)裂紋的傳 播.因此,對(duì)于

11、鋼中一定的氫含量來(lái)說(shuō) ,隨著硫含量的減少出現(xiàn)白點(diǎn) 的機(jī)會(huì)將增大.<2ppm氫含量適合于通常的O.02S且當(dāng)硫含量 減少時(shí) ,則要求氫含量也更低些 .對(duì)于超低硫含量情況 ,考慮到澆注 時(shí)鋼水吸氫 ,氫含量或許應(yīng)當(dāng)?shù)陀谧詈玫恼婵彰摎庋b置所能達(dá)到的水 平(0.5ppm).在超低硫鋼中，可能硫化物捕氫劑數(shù)量不足，無(wú)法把 低于產(chǎn)生白點(diǎn)的臨界氫含量適當(dāng)?shù)胤植荚诹粲阡撝械牧蚧锖脱趸?物 上. 可以近似地估計(jì)出能起到捕氫劑作用的硫化物表面積 .表面積受到硫含量和硫化物大小的影響 .一般說(shuō)硫含量越高 ,夾雜物尺寸也越大，數(shù)量也越多.曾估算過(guò)含0.002S和0.012S低硫鋼中硫化物 的大小，它們分別為2

12、.5/zm和4.0/zm.假設(shè)硫化物是球狀的MnS,則 這兩種鋼中硫化物表面積分別為每立方厘米鋼中0.67cm和2.26cm.非常粗略地說(shuō)，含硫較多的鋼可容納高出34倍的氫.此外還必須考 慮氧化物夾雜 ,在這里有另外一些復(fù)雜的問(wèn)題 .因此,容許氫含量不 是僅與硫化物表面積有關(guān) . 可是隨著硫含量減少 , 容許氫含量確實(shí)是 下降了 .因此,建議不要把鋼中的硫脫到已能滿足其他性能的含量水平以 下.例如,在許多情況下這個(gè)硫含量水平處于 0.010.015范圍內(nèi).26 上海冶金情報(bào)因此技術(shù)規(guī)范應(yīng)給出一個(gè)硫含量范圍 ,如 0.0050.01或 0.O10 0.015%以便既能保證鋼的各項(xiàng)性能，同時(shí)又降低

13、生成白點(diǎn)的機(jī)率.4 結(jié)束語(yǔ)氫致白點(diǎn)是一個(gè)老問(wèn)題了 ,盡管人們對(duì)它有了更深入的了解并能 冶煉出純凈鋼，但它仍然頻頻出現(xiàn).在7o年代白點(diǎn)生成的機(jī)理已有過(guò) 合理而明確的解釋 ,并且在那時(shí)候生產(chǎn)的鋼中曾發(fā)現(xiàn) ,根據(jù)不同的鋼 種如果把氫含量降低到1.52ppm左右,則白點(diǎn)就會(huì)大大減少.另一 方面,隨著氧化物和硫化物夾雜很少的超純凈鋼的開(kāi)發(fā)和測(cè)試技術(shù)的 進(jìn)步,某些鋼中出現(xiàn)白點(diǎn)的情況反而增多了 .本文評(píng)述了人們目前對(duì)產(chǎn)生白點(diǎn)的認(rèn)識(shí)以及影響白點(diǎn)生成的因 素 ,并探討了減少白點(diǎn)生成的可能方法 .根據(jù)目前的認(rèn)識(shí) ,對(duì)有關(guān)白 點(diǎn)問(wèn)題提出下列建議 :1）必須用真空脫氣法 ,降低氫含量 .容許氫含量取決于許多因 素,包

14、括強(qiáng)化元素的含量 ,偏析程度 :殘留奧氏體數(shù)量和硫含量 .在 最終澆注中氫含量很難達(dá)到1.5ppmT.2）澆注時(shí)應(yīng)對(duì)鋼水采取有效的遮蔽措施 ,防止吸氫 .3）用高溫?cái)U(kuò)散法無(wú)法在合理的保溫時(shí)間內(nèi)去除大斷面鋼件中大 量的氫 .在任何情況下 ,只有鋼表面層中的氫能被去除 ,在中心部位 氫濃度仍是很高的 .4）隨著硫含量和氧含量的降低 ,容許氫含量也下降 .氫積聚在 硫化物上 ,夾雜物數(shù)量越少 ,在其余部位的氫就越多 ,硫含量的技術(shù) 規(guī)范應(yīng)有一個(gè)范圍 ,并且在能滿足其他機(jī)械性能要求的同時(shí) ,盡可能 訂得高些 .5）鍛造后應(yīng)把鍛件快速冷卻到奧氏體轉(zhuǎn)變終了溫度以下,貝氏上海冶金情報(bào) 27 體轉(zhuǎn)交溫度以上 .6）在鋼材為進(jìn)一步加工而存入倉(cāng)庫(kù)前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行預(yù)防自點(diǎn)熱處理即加熱到625650.C保溫若干小時(shí)，以消除殘余應(yīng)力和減少 氫的偏析 .低的氫含量能減少產(chǎn)生自點(diǎn)的危險(xiǎn)，但是，超低硫鋼（ 0.002%S） 所要求的氫含量實(shí)際上是達(dá)不到的 .此外 ,僅僅通過(guò)成份挖制是不能 徹底消減白點(diǎn)的 .如果鋼的熱處理不當(dāng) ,產(chǎn)生白點(diǎn)的傾向?qū)⒃龃?. 收稿日期 :1998-4-28更正t本刊上期第年349頁(yè)同篇（待續(xù)）內(nèi)二，三級(jí)標(biāo)題編號(hào)中的章編號(hào)均應(yīng)為 2,如原1.1 應(yīng)更正為 2.1.向作者和讀者致歉 .本討編輯轎車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鉸鏈用鋼帶的研澍,專同 .（上海冶金情報(bào)研究所 ）2=L 概