8.4  热处理

8.4.1  前言

传统上人们认为轧管厂没有热处理工序，但是实际上控轧控冷、在线常化和芯棒光亮退火都可以认为属于热处理范畴。另外，一般公司都把热处理线设置在轧管厂。

控轧控冷是上世纪80年代以来的新工艺，大量应用于板材生产，主要是通过控制轧制温度（多数情况需要结合V、Nb、Ti等细化晶粒元素）和轧制后的冷却速度来使得强度韧性指标的提高。

在线常化即在轧制线进行常化（正火）热处理，就是将荒管加热到奥氏体化后经过定径机在大冷床上进行空冷来达到提高强度的目的。轧管厂最为常见的钢级是N80Ⅰ类、K55接箍料等以下钢级。目前我公司还在开发在线准淬火的准贝氏体的P110纲级套管。

8.4.2  热处理的定义和意义

钢（管）的热处理是通过钢在固态下加热、保温和冷却的操作来改变钢（管）的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。通常根据目的要求，可以把钢的热处理工艺分为：退火、淬火+回火、调质处理、和表面处理。

通过热处理可以充分发挥钢材（管）的潜力，提高工件（钢管）的使用性能，减轻工件（钢管）重量，节约材料降低成本，延长使用寿命。另一方面，热处理工序还可以改善加工工艺性能，提高加工质量减少刀具磨损。同时，一些理化指标必须经过热处理才能获得。诸如：高抗H2S应力腐蚀性能、不锈钢钢管的强化等。

对于我公司来说，无论是轧管厂还是管加工厂，热处理工序都提高了钢管的强韧性等理化指标，从而满足用户要求，提高经济效益。在轧管厂，通过在线常化工艺显著简化了工艺流程降低了生产成本；在管加工厂，主要通过调质处理来生产高附加值的钢管，特别是TP系列抗腐蚀、抗挤毁、既抗腐蚀又抗挤毁和超高强度的非API石油专用管。

8.4.3  热处理基本原理

8.4.3.1  金属热处理工艺的发展过程

通过加热、保温、冷却的方法使金属和合金内部组织结构发生变化，以获得工件使用性能所要求的组织结构，这种技术谓之热处理工艺。同一种材料经过不同的热处理后，可以获得不同的性能，性能的变化是因为组织发生了变化，因此，了解热处理过程中钢的组织变化，是正确进行热处理的基础。

金属热处理工艺学和其它自然科学相同，是随着生产力的发展而发展的，同时和其它科学技术的发展紧密相关。热处理是古代冶金技术发展的结果，是作为冶金技术的一部分，逐渐发展而形成一门学科的。

在我国历史上，热处理工艺出现于铁器时代，是伴随着铸铁的出现产生的。古代的炼钢是采用铸铁脱碳退火及反复锻打方法进行的，即所谓“百炼成钢”。随着炼钢技术的发展，热处理技术也得到发展。从汉代开始，我国的热处理技术已有文字记载，内容包括一般淬火技术、淬火介质及渗碳工艺等，几乎涉及热处理技术的各个方面。例如《史记、天宫书》中载有：“火与水合为淬”，《蒲元别传》所载，蒲元在今陕西眉县一带的斜谷为诸葛亮制剑三千把，他说：“汉中的水钝弱，不任淬；蜀水爽烈”，于是派人到成都取水，淬之果然锋利。从出土文物的考证及一些文字的记载可以清楚的看出，我国的热处理工艺历史悠久，技艺高超是当时其他国家所不及的。

8.4.3.2  热处理的基础理论知识

1  钢的组织结构

金属的晶体结构

物质是由原子组成的，按原子排列方式的不同可把物质分为二类，即晶体和非晶体。晶体中的原子排列是有规律的，即“有序排列”，这种规律的排列方式称为晶体的结构；而非晶体中的原子排列是无规律的，即“无序排列”。通常把原子的排列方式称为晶格结构，所有金属的原子排列方式都是有规律的，因此，金属是属于晶体。

铁的最基本的晶格结构有两种：即体心立方晶格（α-Fe）和面心立方晶格（γ-Fe）。两种晶格结构见图8-11和图8-12。

图8-11 体心立方晶格           图8-12  面心立方晶格

2  钢的金相组织

“相”的概念：金属合金组织中的化学成分、晶体结构、物理性能相同的组分。在金属学的范畴称为金相，其中包括固溶体、金属化合物和纯元素。

“组织” 的概念：泛指使用金相方法看到的，由形态、尺寸不同、分布方式不同的一种或多种相构成的总体，以及各种材料缺陷和损伤。

通常我们把铁（Fe）和一定的碳（C）组成的合金称之为钢，但碳在钢中是以铁与碳的化合物（Fe3C）形式存在。由于碳在钢中的存在，将对铁的晶格结构产生影响，并形成了不同的组织，一般将钢中的各种组织统称为金相组织。钢的金相组织不同，其性能具有很大的差别。而对钢进行不同的热处理，就可以获得不同的组织，最终获得我们所需要的性能，钢的基本组织有以下几种：

(1)  奥氏体：铁和其它元素形成的面心立方结构的固溶体，一般指碳和其它元素在γ铁中的间隙固溶体。

(2)  铁素体：铁和其它元素形成的体心立方结构的固溶体，一般是指碳和其它元素在α铁中的间隙固溶体。

(3)  马氏体：奥氏体通过无扩散型相变而转变成的亚稳定相。实际上，是碳在铁中过饱和的间隙式固溶体。晶体具有体心正方结构。

(4)  珠光体：铁素体片和渗碳体片交替排列的层状显微组织，是过冷奥氏体进行共析反应的直接产物，也可理解为铁素体和渗碳体的机械混合物。

(5)  贝氏体：过冷奥氏体在低于珠光体转变温度和高于马氏体转变温度之间范围内分解成的铁素体和渗碳体的聚合组织。在较高温度分解成的叫上贝氏体，呈羽毛状；在较低温度分解成的叫下贝氏体，呈类似于低温回火马氏体针状组织的特征。

此外，在实际生产中，根据产品性能的要求及具体执行的热处理工艺，在钢中还会有其它一些组织，如索氏体、屈氏体、粒状珠光体、回火马氏体、回火索氏体等，但这些组织与上面的几个基本组织无本质上的区别。

3  钢在加热时的转变

无论是退火、正火、淬火、渗碳，都首先需要将钢件加热到奥氏体状态。奥氏体是碳原子固溶于铁的面心立方晶格间隙中的固溶体。奥氏体的成分，均匀性，晶粒大小以及其它相的数量、分布状况等，对冷却时奥氏体的分解过程和分解产物及其性能都有很大影响。同时，钢在加热过程中，也会引起表面质量和成分的变化（氧化和脱碳），这些都会影响工件的热处理效果。

为了保证热处理能够达到预期的目的，就需要掌握钢在加热时奥氏体形成和长大的规律，并运用这些规律去控制热处理效果。

(1)  奥氏体的形成

钢在加热时形成奥氏体的温度范围，一般可以根据铁—碳合金状态图 (图8-13) 来说明。从图中可以看出，组织为珠光体的共析钢，由室温加热到A1温度以下时，除铁素体的含碳量有微量的增高外，没有其它组织转变。当温度缓慢升高到A1稍上时，珠光体转变为奥氏体。同样，具有铁素体和珠光体的亚共析钢，加热到A1稍上时，珠光体转变为奥氏体，铁素体则未发生转变，而随着加热温度的继续升高，铁素体不断转变为奥氏体。当温度升高到A3时，铁素体全部转变为奥氏体。

图8-13  铁—碳合金状态图

(2)  奥氏体的形成过程

珠光体到奥氏体的转变，大致可分为四个阶段，即奥氏体晶核的形成、晶体的长大、残余碳化物的溶解及奥氏体的均匀化（图8-14）。

图8-14  共析碳钢中奥氏体的形成过程

①  奥氏体晶核的形成

奥氏体晶核通常优先产生于珠光体中铁素体与渗碳体的相界面上，因为在相界面上原子排列较不规整，容易获得形成奥氏体时所需要的能量和浓度的条件。在等温条件下，随着时间的增长，奥氏体晶核从无到有，从少到多，在铁素体和渗碳体相界面上长大。

②  奥氏体的长大

奥氏体晶核形成以后，碳在奥氏体中的分布是不均匀的，随着碳扩散的进行，奥氏体与铁素体及渗碳体接触处的碳浓度在不断发生变化，即发生着碳浓度失去平衡和恢复平衡的反复循环过程，使奥氏体一方面向渗碳体长大，另一方面向铁素体长大，直至铁素体消失而全部转变为奥氏体。

③  残余碳化物（渗碳体）的溶解

珠光体转变为奥氏体刚结束时，钢中还残留着一些未溶解的碳化物（渗碳体）。共析钢加热到A1以上温度时，开始形成奥氏体，但还残余着碳化物，随着时间的增长，碳化物不断溶解，直至全部消失。

④  奥氏体均匀化

当残余碳化物全部溶解时，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的，在原来碳化物的区域，含碳量较高，在原来铁素体的中心区域，含碳量较低。如果继续延长时间，通过碳的扩散，可使奥氏体的含碳量逐渐趋于均匀。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程，与共析钢基本相同，但是还具有过剩相溶解的特点。

亚共析钢的退火组织为珠光体和过剩铁素体。当缓慢加热到点时，珠光体转变为奥氏体，此时，成为奥氏体和自由铁素体的混合组织；如果进一步提高温度和保温时间，则自由铁素体将逐步转变为奥氏体。在温度超过时，自由铁素体完全消失，全部组织为较细的奥氏体晶粒。若进一步提高加热温度和保温时间，奥氏体晶粒将长大。

过共析钢的退火组织为珠光体和过剩渗碳体，其中过剩渗碳体往往呈网状分布。当缓慢加热到AC1点时，珠光体转变为奥氏体，此时，成为奥氏体和过剩渗碳体的混合组织；如果进一步提高温度和延长保温时间，则过剩渗碳体将逐渐溶解于奥氏体。在温度超过Acm时，过剩渗碳体完全溶解，全部组织为奥氏体，此时奥氏体晶粒已经粗化。对于过共析碳钢制造的工具或模具，在加热时不可使渗碳体完全溶入奥氏体，否则因奥氏体晶粒粗大，导致钢淬火后脆性增大，甚至产生淬火裂纹。因此正常的淬火加热温度控制在A C1~Acm的范围内。

(3)  奥氏体的形成速度

为了能够控制钢的奥氏体化状态，必须了解奥氏体的形成首都。奥氏体的形成速度可在奥氏体等温形成图中反映出来。图8-15为共析钢奥氏体等温形成图。从图的左面起，第一条线表示有0.5%奥氏体形成，可作为奥氏体形成开始线；第二条线表示有99.9%奥氏体形成，可作为奥氏体形成终了线；第三条线表示残余碳化物溶解完了；地四条线表示奥氏体碳浓度基本达到均匀。

图8-15  共析钢的奥氏体等温形成图

从图8-15可见：奥氏体化所需要的时间与等温转变温度有密切关系。在稍高于温度时，奥氏体化所需时间较长；随着温度的提高，奥氏体化过程加快。

奥氏体形成的时间较短，残余碳化物溶解的时间较长，而奥氏体均匀化的时间更长。以780℃等温为例，形成奥氏体的时间不到10秒，要完全溶解碳化物却需要几百秒，要实现奥氏体均匀化就要10000秒（约3小时左右）。

图8-16 亚共析钢奥氏体等温形成图

在亚共析钢和过共析钢中，奥氏体等温形成图基本上与共析钢相同。但亚共析钢有其特点，如图8-16所示，即在含碳量较高的亚共析钢中，铁素体转变终了线与残余碳化物溶解线有交叉的特征，当温度较高时，自由铁素体溶解之后，仍有残余碳化物；而当温度较低时，残余碳化物先溶解，而后自由铁素体再溶解，在A3温度以下，当残余碳化物溶解之后 仍有铁素体存在，而且不能全部溶解。

(4)  各种因素对奥氏体形成的影响

奥氏体形成是一个扩散过程。凡是影响扩散的一些因素如温度、成分等等都将影响奥氏体形成。

1)  温度的影响

珠光体向奥氏体转变遵循形核并长大的规律。实验表明，奥氏体形核率（N）和长大率（G）与等温形成温度之间有密切关系。见表8-6所示。

表8-6  等温温度对奥氏体转变参数的影响

表中指出，随着温度的升高，奥氏体的形核率和长大率都急剧增加，当温度从740℃提高到800℃时，奥氏体的形核率（N）约增加270倍，长大率（G）约增加80倍，从而使奥氏体转变速度大大加快。

2)  成分的影响

A  碳的影响

随着钢中含碳量的增加，渗碳体的数量相应地增加，而铁素体的数量却相对地减少，因铁素体和渗碳体的相界面总量增多，从而加速了珠光体向奥氏体的转变。

B  合金元素的影响

钢中加入合金元素不改变加热时奥氏体的形成过程，但影响奥氏体的形成速度。

由于合金元素改变A1、A3或Acm点的位置，有的元素降低A1点，如Nl、Mn等；有的元素提高A1点，如Cr、Mo、W、Si，在制定热处理的工艺时，应根据合金元素对临界点的影响，适当提高或降低奥氏体化温度。

合金元素影响碳原子在奥氏体中的扩散系数和残余碳化物的溶解。镍（Ni）既降低A1点，增加过热度，同时又增加碳在奥氏体中的扩散系数，从而加快了奥氏体的形成速度。硅（Si）和铝（Al）对碳原子在奥氏体中的扩散系数影响不大，但由于它们是升高A1，降低过热度的元素，因此，它们对奥氏体的形成速度还是减慢的。

铬（Cr）、钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、钛（Ti）等是能够形成稳定碳化物的元素，它们既升高A1点，降低过热度，又显著降低碳在奥氏体中的扩散系数，从而也就显著地减慢奥氏体的形成速度。上述元素是按其所形成碳化物的稳定性逐渐增强的次序排列的，其中以钛（Ti）所形成的碳化物最稳定。所形成的碳化物越稳定，就越难溶解，就越减慢奥氏体的形成速度。在实际生产中，为了加速稳定碳化物的溶解，经常采取大幅度提高加热温度的措施。

C  原始组织的影响

珠光体中碳化物的形态和分散度，对铁素体和渗碳体相界面多少及彼此间的距离都有影响，在相同的温度下，相界面越多，形核率越大；层间距离越小，奥氏体中碳浓度梯度越大，扩散速度便越快，另外，扩散距离缩短，使奥氏体晶体长大速度加快。所以，原始组织越细，奥氏体形成速度越快。

4  连续加热时奥氏体的形成

实际生产中钢件的热处理大都是采用连续加热的方法，在连续加热的情况下，通过实验表明连续加热时奥氏体的形成与等温形成的规律基本相同，但是也有其特点，主要表现在以下几方面：

(1)  连续加热时的加热速度改变了Ac1、Ac3和Acm点的位置，通常是随着加热速度的增大而提高，特别是Ac3点提高得更明显。

(2)  连续加热时奥氏体是在一个温度范围内形成的，而且随着加热速度的增大，形成温度增高，形成温度范围加大。

(3)  钢中的原始组织对连续加热时的奥氏体形成有很大影响，原始组织中分散度越小，特别是有大块自由铁素体或渗碳体存在时，奥氏体的均匀化将移向高温。

5  奥氏体晶粒长大及其控制

奥氏体的晶粒大小影响其转变产物的组织和性能，晶粒细化可以提高钢的强度和韧性，所以研究奥氏体晶粒长大问题，具有重要的实际意义。

(1)  奥氏体晶粒度的概念

根据奥氏体形成过程和晶粒长大情况，奥氏体晶粒度可分为：起始晶粒度、实际晶粒度和本质晶粒度三种。

起始晶粒度是指珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的奥氏体晶粒度，一般情况是，奥氏体起始晶粒度比较细小，在继续加热或保温时将要长大。

实际晶粒度是指钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒度。它的大小直接影响钢件的性能。实际晶粒一般总比起始晶粒大，因为热处理生产中，通常都有一个升温和保温阶段，在这段时间内晶粒有了不同程度的长大。

在不同牌号的钢中，奥氏体晶粒长大的倾向不同，有些钢的奥氏体晶粒随着加热温度的升高会迅速长大，而有些钢的奥氏体晶粒则不容易长大。我们可以将钢的奥氏体晶粒长大倾向分为二类，即本质细晶粒钢和本质粗晶粒钢。这二类钢的区别是：在一定的温度范围内，本质粗晶粒钢的奥氏体晶粒随着温度的升高而不断长大，也就是说晶粒长大的倾向性大；而本质细晶粒钢随着温度的升高奥氏体晶粒长大的倾向性小。“本质晶粒度”不是晶粒大小的实际度量，而是表示在规定的条件下奥氏体晶粒长大倾向性的高低。

在工业生产中，一般用铝脱氧的钢大都是本质细晶粒钢，只用硅猛脱氧的钢为本质粗晶粒钢。沸腾钢一般都为本质粗晶粒钢，镇静钢一般都为本质细晶粒钢，需要热处理的工件一般都采用本质细晶粒钢。

(2)  奥氏体晶粒长大及其影响因素

图8-17  恒温奥氏体晶粒长大示意图

在高温下奥氏体晶粒长大是一个自发过程，实际上奥氏体晶粒长大基本上是一个晶界迁移过程，所以，一切影响奥氏体晶界迁移的因素，都能影响奥氏体晶粒的长大。

奥氏体化温度越高，晶粒长大越明显，当晶粒长大到一定程度后，即使继续延长保温时间，奥氏体晶粒不会再有明显的长大，如图8-17所示。奥氏体晶粒大小与以后的冷却速度无关。

随着钢中含碳量的增加，奥氏体晶粒长大倾向也增大，但是当碳含量超过某一限度时，奥氏体晶粒反而细小，这是因为碳含量超过超过某一限度时，出现未溶渗碳体，渗碳体可以

阻止晶界的迁移，所以晶粒反而长得慢，奥氏体实际晶粒较细小。

钢中加入合金元素也影响奥氏体晶粒长大。凡是产生稳定碳化物的元素（如钛、钒、铌、钨、钼、铬等），产生不溶于奥氏体的氧化物及氮化物的元素（如铝），都会阻碍奥氏体晶粒长大。而锰、磷则有加速奥氏体晶粒长大的倾向。在目前工业生产中，铝是广泛用来控制奥氏体晶粒度的元素，用铝脱氧的钢中存在着高熔点的AIN质点，阻碍奥氏体晶界的移动，从而细化了晶粒。一般钢中残余铝含量约0.02~0.04%可以获得本质细晶粒钢。

总之，合金元素对奥氏体晶粒长大作用的影响如下：

强烈阻止晶粒长大的元素有AI、Ti、Zr、V；

能够阻止晶粒长大的元素有W、Mo、Cr；

阻止晶粒长大作用较弱的元素有Si、Ni、Cu；

促进晶粒长大的元素有Mn（指高碳情况），P、C（指溶入奥氏体中的情况）。

(3)  控制奥氏体晶粒长大和细化晶粒的措施

1） 合理选择加热温度和加热时间加热

加热温度高一些，奥氏体形成速度就快一些。温度越高，奥氏体长大倾向性越大，实际晶粒就越粗。保温时，随着保温时间的延长也出现奥氏体晶粒长大，但是，加热温度对晶粒长大的影响要比保温时间的影响显著得多，故加热温度的合理选择十分重要。

合金钢的奥氏体形成和均匀化所需的时间比碳钢长，所以合金钢一般需要较长的加热时间。

2） 合理选择钢的原始组织

钢的原始组织对奥氏体晶粒长大有影响，一般情况下，片状珠光体比粒状珠光体容易过热，因为片状碳化物溶解快，转变为奥氏体的速度快，奥氏体形成后，就较早地开始长大，所以，在生产中对于轴承钢、工具钢等要求其原始组织为粒状珠光体，原因之一就是这种组织不易过热。

3） 加入一定量的合金元素

晶粒长大是通过晶界原子的移动来实现的，因此，可以通过加入某些合金元素来限制和推迟晶粒的长大。

其一是加入的合金元素在钢中形成弥散的化合物，如碳化物、氮化物、氧化物等等，这些弥散的化合物对晶界的迁移起到机械阻碍作用，阻碍了晶粒的长大。不过，这些化合物一旦被溶解后，阻碍作用就消失，晶粒将迅速长大，这时晶粒长大的速度甚至比本质粗晶粒钢还大，工件经热加工（轧制、锻造、铸造、焊接等）以后晶粒容易粗大，使其机械性能降低，同时对最终热处理亿将带来不利影响，为此，可通过重结晶来细化晶粒，例如对于有粗大晶粒的亚共析钢工件，可以用完全退火（或正火）来细化晶粒。

6  钢的加热缺陷（含有轧制加热）及其防止措施

(1)  欠热、过热及过烧

钢在加热过程中出现的欠热、过热及过烧等缺陷主要是由于炉温仪表不准或失灵，以及装炉方法不当，炉温不均匀等原因造成的。

所谓欠热，即亚共析钢的淬火组织中出现铁素体，从而造成淬火钢的应答不足；对于过共析钢淬火组织中有较多的未溶碳化物。所谓过热，即钢在加热时奥氏体晶粒的粗化，淬火后得到粗大的马氏体，使工件变脆。而过烧则是不仅发生了奥氏体晶粒的剧烈粗化，而且还有晶界的氧化，甚至晶界融化，造成工件报废。

为了防止这些缺陷的产生，应该经常检验测温仪表，并采用正确的加热规范和装炉方法。如果钢件在加热时一旦产生欠热或过热时，可将钢件进行一次退火或正火，然后再重新淬火。

(2)  氧化、脱碳

氧化，是指钢的表面与加热介质中的氧、氧化性气体、氧化性杂质相互作用形成氧化铁的过程。由于氧化铁皮的形成，将使工件的尺寸减小，表面光洁度降低，还会严重影响淬火时的冷却速度，造成软点或硬度不足。钢的氧化虽然是化学反应，但在钢的表面形成氧化膜后，氧化速度便主要取决于氧和铁原子通过氧化膜的扩散速度。随着温度的升高，原子扩散速度增大，钢的氧化速度便急剧地增大，特别是在600℃以上时，所形成的氧化膜是以FeO为主，它是不致密的，氧和铁原子容易通过这一氧化膜而透入内部，是氧化膜越来越厚；而在600℃以下时，氧化膜则由比较致密的Fe3O4所构成，所以氧化的速度比较缓慢。

脱碳，是指钢的表层中的碳被氧化，是表层含碳量降低。加热温度越高，钢的含碳量越高（特别是含有较多的硅、钼及铝等元素时），钢就更容易脱碳，由于碳的扩散速度较快，所以钢的脱碳速度总是大于其氧化速度，在钢的氧化层下面，通常总是存在着一定厚度的脱碳层。由于脱碳是钢的表层含碳量下降，导致工件淬火后表层硬度不足，疲劳强度下降，而且还容易在钢件的表面形成表面裂纹。

为了防止氧化、脱碳，可根据工件的要求和实际情况，采用保护气氛加热、真空加热、以及用表面涂料包装加热等方法；在盐浴中加热时，应建立规范的脱氧制度，定期加入脱氧剂。

(3)  魏氏组织

在轧制过程中，如果轧制温度过高，随后的冷却过程中在特定的冷却速度下会形成网状魏氏组织。这会明显降低韧性指标。解决办法是通过正火来消除。

8.4.3.3  热处理在轧管厂的应用

控轧控冷是上世纪80年代以来的新工艺。主要是通过控制轧制温度（多数情况需要结合V、Nb、Ti等细化晶粒元素）和轧制后的冷却速度来使得强度韧性指标的提高。在我公司比较典型的品种是X52～X60钢级管线管。在生产中，即以加入V、Nb、Ti等元素或它们与其它元素的组合来达到强化的目的。

在线常化即在轧制线进行常化（正火）热处理，就是将荒管加热到奥氏体化后经过定径机在大冷床上进行空冷来达到提高强度的目的。轧管厂最为常见的钢级是N80Ⅰ类、K55接箍料等以下钢级。目前我公司还在开发在线准淬火的准贝氏体的P110纲级套管。

正如在线常化、热装和直接轧制工艺的发展一样，目前在轧制后进行直接淬火＋回火等热处理工艺会逐步得到应用，从而大大降低能源消耗。