过共析钢

含碳量高于0.77%的碳素钢

工具用钢的含碳量往往超过0.77%，这种钢组织中渗碳体的比例超过12%，所以除与铁素体形成珠光体外，还有多余的渗碳体，于是这类钢的组织是珠光体+渗碳体。这类钢统称为过共析钢。

钢材简介

含碳量高于0.77%的碳素钢。显微组织有珠光体和先析渗碳体。该渗碳体沿原奥氏体晶界成网状分布。过共析钢因含有较多的碳、热处理后可得到很高的强度和硬度。通常采用不完全淬火，保留一部分未溶解的渗碳体，淬火后这些渗碳体以粒状分布在马氏体基体内，能提高钢的耐磨性。这种钢多用作工具钢使用。

过共析钢的淬火加热温度不能低于AC1，因为此时钢材尚未奥氏体化。若加热到略高于AC1温度时，珠光体不完全转变成奥氏体，并又少量的渗碳体溶入奥氏体。此时奥氏体晶粒细小，且其碳的质量分数已稍高于共析成分。如果继续升高温度，则二次渗碳体不断溶入奥氏体，致使奥氏体晶粒不断长大，其碳浓度不断升高，会导致淬火变形倾向增大、淬火组织显微裂纹增多及脆性增大。同时由于奥氏体含碳量过高，使淬火后残余奥氏体数量增多，降低工件的硬度和耐磨性。因此过共析钢的淬火加热温度高于AC1太多是不合适的，加热到完全奥氏体化的ACm或以上温度就更不合适。

质量影响因素

过共析钢冶炼

过共析钢难于连铸，由于碳含量高，钢中碳和杂质P，S的偏析比较严重，铸坯的凝固收缩率高，因而造成很大的中心缩孔。此外，钢中的Al很容易与氧反应生成沉积在水口壁堵塞水口，在浇铸时堵塞水口现象比较严重。国内外钢厂冶炼过共析钢主要通过控制非金属夹杂物形态、降低P和S的含量，提高钢的纯净度，得到高质量的终点钢水。精炼过程中应控制精炼时间，采取控白渣及吹Ar搅拌等操作防止钢水二次氧化。

1、中心偏析：

中心偏析是连铸小方坯代表性的缺陷，解决的办法是采用大尺寸矩形方坯轧制，因为大尺寸铸坯在轧制时能增加压缩比，消除上述缺陷，所以一般不宜用小于120mm×120mm_的连铸方坯，特别是轧制碳质量分数大于0.75%的线材。

为实现过共析钢的连铸，在连铸过程中应深入研究钢水过热度和电磁搅拌强度等工艺参数的合理配合，以减轻或基本上消除中心偏析，采用全保护浇注、钢水控温、加双层覆盖剂、稳定拉速、二次冷却水制度、中间包涂料控制等措施，以获得高质量的过共析钢钢坯。

2、夹杂物：

随着钢丝绳、预应力钢丝钢绞线的高应力化和使用条件的苛刻，非金属夹杂物成为拉拔脆断和失效的主要原因，因此过共析钢对钢液洁净度的要求与日俱增。

非金属夹杂物存在于线材中，对线材后续加工主要危害：（1）拉拔和捻制变形时，破坏了钢丝基体的连续性，造成应力集中，一旦受到拉应力或切应力的作用，沿夹杂物方向就产生破裂，造成钢丝拉拔捻制时易断裂，且断口不规则；（2）非金属夹杂物降低钢丝力学性能，尤其是降低其横向力学性能，使钢丝塑性降低，在高变形情况下易断裂，弯曲、扭转值降低，非金属夹杂物成为钢丝疲劳断裂源，造成钢丝耐疲劳极限降低；（3）在钢丝热处理时，由于非金属夹杂物的膨胀系数与钢丝基体有差异，在钢丝内割裂钢丝基体连续性，造成钢丝在热处理过程中形成微裂纹，在继续拉拔、捻制时微裂纹扩展使钢丝断裂。

3、气体含量

钢中含氮过高会造成钢质恶化，氮能增加钢的时效硬化性，使钢的强度和硬度提高，塑性、抗冲击性和韧性显著下降。

一般采用如下措施来控制钢中氮含量：（1）采用高拉碳一次点吹出钢，少加增碳剂，防止增氮；（2）LF精炼后采用吹Ar软搅拌，钢包和中间包加入覆盖剂，避免钢水裸露防止增氮；（3）钢包使用吹Ar密封的长水口保护浇铸，中间包浸入式水口采用密封圈。

钢中的氧也会对钢的力学性能产生不良影响，影响程度与氧的含量以及含氧的夹杂物类型、分布、多少有关。

钢中的氢危害极大，随着钢中含氢量的增加，塑性和韧性显著下降，尤其对于过共析钢这样的高碳钢，在加工冷却过程中，这种现象更为严重。

过共析钢轧制

过共析钢轧制分为高温轧制、常规轧制和热机械变形轧制（即控制轧制）。过共析钢的轧制大都采用控制轧制，轧制时使用气氛和压力可调的步进式加热炉，严格控制加热温度和均热时间，以减少加热对总脱碳厚度的影响；采用先进的高速无扭轧机进行轧制，尽可能设计孔型辊缝最小，并让自由表面最小；采用轧辊孔型设计，轧辊研磨的计算机辅助设计和制造技术，以及闭环张力控制保证轧件的尺寸公差和断面形状；采用在线修整和检测技术，以保证表面质量，避免出现表面缺陷。

轧制工艺

在实际生产时主要是通过对轧制温度的控制即控温轧制来实现的。控温轧制的主要目的是细化晶粒。通过低温开轧，可以控制原始奥氏体晶粒的尺寸；通过降低终轧温度，可以阻止形成奥氏体晶粒长大；通过对精轧后线材的急剧水冷，达到所设定的吐丝温度，不仅可以将形变奥氏体迅速转变成过冷奥氏体，为组织转变作好充分准备，同时也控制了过冷奥氏体晶粒尺寸。但由于轧机设备负荷的限制，开轧温度不能太低，否则设备易发生故障。

加热温度和轧制温度不均匀或波动较大时，坯料奥氏体化不均，碳化物不能充分溶解，铸坯中的偏析等缺陷不能得到有效改善，造成线材通条性能差及最终组织异常。

杂质元素控制

钛含量控制措施

过共析钢中Ti的来源主要有：

（1）合金料带入。（2）炉渣中被还原到钢液中，因此控制钢中Ti含量可以在以下方面入手：低钛含量的合金及其它原辅料，严格挡渣，防止转炉渣进入钢包。

一、合金带来的钛：

要使过共析钢中的钛含量较低，选用较纯净的铁合金是比较有效的途径之一，对过共析钢中的硅、锰成分所涉及的铁合金，应控制其钛含量，用低钛合金。

二、优化工艺，减少转炉出钢过程下渣量：

采用电炉冶炼对控制出钢过程下渣量具有较大的优势，电炉生产一般均配备有偏心底出钢等设备，因此电炉对氧化渣的控制较为简便。转炉虽然也有挡渣设备，但各厂的应用情况均不理想，总会有部分氧化渣进入钢包，这也使出钢过程成为控制钛含量的关键。

实现高炉挡渣有如下措施：

（1）转炉出钢前加石灰使炉渣利化黏度较大的炉渣可以减少出钢过程中的卷渣，提高挡渣效果。

（2）采用挡渣塞挡渣，提高挡渣成功率：挡渣球在转炉内是以随波逐流的方式运动到出钢口，当出钢前加入石灰使炉渣稠化后，挡渣球有时达不到出钢口，不能有效地在钢水流尽时堵住出钢口。另外，挡渣球在挡渣时，如完全落到出钢口上方，在钢水还未流尽时会过早封堵出钢口，降低了钢水收得率，采用该法挡渣不可靠。因此，采用了挡渣塞挡渣，与挡渣球相比，可灵活调节比重，能自动而准确地达到预定位置，具有抑制涡流和挡渣的双重功能，挡渣率达到96%以上。

（3）出钢快结束时变流抬炉：因加入石灰后，炉渣黏度较大，加入挡渣塞时使用挡渣机械将其压入渣层下，在出钢将要结束时，移动钢包台车，使钢流距钢包壁250mm左右，见钢流发生变化时立即抬炉，并同时向出钢口

反方向移动钢包台车，此时流淌的炉渣就会浇到钢包外侧。

氮含量控制措施

一、出钢及精炼过程采用低氮增碳剂：

增碳剂是高碳钢增氮的主要来源之一。普通增碳剂的氮含量一般在3000~5000mg/L，特别是大量增碳后需加大氨气搅拌，致使钢水裸露在空气中进一步增氮，而本身的增碳剂增氮就进入钢水中。因此必须采用氮含量小于等于500mg/L的低氮增碳剂。

二、转炉采用高碳出钢工艺：

转炉采用高拉碳出钢工艺，提高转炉出钢碳含量，减少出钢过程增碳剂加入量。可使出钢碳含量稳定在0.45%以上，大幅减少了增碳剂使用量。

三、精炼增氮控制措施：

（1）提高入LF炉精炼钢水成命中率，减少调整增碳剂和合金的加入量，以缩短大氩气搅拌时间。

（2）LF炉加入电石造泡沫渣，减少电弧区发生氮气分解反应。

（3）在生产节奏允许的前提下，适当延长VD真空处理时间，有效降低钢中氮含量。

四、连铸增氮控制措施：