水浴淬火技術有待突破

鉛浴淬火工藝自問世以來，一直被金屬線材制品企業廣泛應用，國內制品生產對于中高碳鋼絲的中間或成品熱處理大多采用鉛浴淬火以達到鋼絲等溫處理的目的。可是，由于鉛對環境的污染、對人體的危害，以及投資高、能耗大等弊端，尋求一種新型、高效、節能、環保的無鉛化熱處理工藝取代鉛浴淬火已成為金屬線材制品領域亟待解決的課題。

據國家金屬線材制品工程技術研究中心的研究人員介紹，國內外的科技工作者一直致力于金屬等溫熱處理工藝以及生產裝備的前沿化研發使用，一方面采用無污染、少污染的工藝方法，另一方面將有害物質經過無害化處理后排放。到目前為止，雖然國外發達國家在鋼簾線和切割鋼絲等產品的生產方面已經成功實現用水浴淬火代替鉛浴淬火的工藝，但是對于大多數的金屬線材制品，如電梯用鋼絲繩、港口碼頭起重用鋼絲繩，以及大量的鍍鋅鋼絲繩而言，仍然采用鉛浴淬火處理，水浴淬火處理技術并沒有實現突破并廣泛應用。

在國內，隨著鋼簾線行業的蓬勃發展，一些生產企業一直致力于工藝優化，在實踐中對于淬火方式進行改變，由原來的鉛浴淬火處理、流化床處理轉變為水浴淬火處理，但也僅限于簾線用細小規格的鋼絲，但水浴淬火不能廣泛應用于中粗規格的鋼絲。鋼絲繩生產由于規格跨度大，對于半成品鋼絲的等溫處理，如果全部采用水浴淬火，將成為金屬線材制品行業的一個突破。

全新的不等溫式淬火工藝

研究人員介紹說，鋼絲的熱處理生產一般有等溫冷卻和連續冷卻兩種冷卻方式，對于鋼絲繩用半成品鋼絲而言，一般選擇等溫冷卻。鋼絲中的奧氏體在臨界溫度以上是一種穩定相，一旦冷卻到臨界溫度以下，則處于熱力學的不穩定狀態，稱為“過冷奧氏體”。過冷奧氏體發生轉變，形成新的穩定相。金屬線材制品行業生產鋼絲繩用鋼材基本都為中高碳鋼，一般使用亞共析鋼和過共析鋼的線材，根據各自的過冷奧氏體等溫轉變動力學曲線（即C曲線，不同溫度下過冷奧氏體轉變量與轉變時間關系的曲線）。制繩鋼絲的生產采用高溫（500℃~650℃）轉變，形成均勻的索氏體化組織，在實際生產過程中，通過控制轉變溫度和轉變時間即可得到適合鋼絲進一步拉拔的細小、均勻的索氏體組織。

傳統鉛浴淬火工藝的原理是根據鋼的等溫轉變C曲線，讓過冷奧氏體在600℃左右的鉛液中進行等溫轉變，產生適合深度拉拔的索氏體組織。由于鉛在300℃以上開始融化，一直到900℃左右開始沸騰，有非常寬的液態狀態的溫度區間，又由于液態鉛的熱容量非常大，900℃左右的鋼絲一接觸液態鉛，即被快速冷卻至鉛液的溫度，只要保證鋼絲隨后在液鉛中停留足夠時間，則可完成鋼絲的索氏體化組織轉變。而水浴淬火要達到鉛浴淬火的同樣效果，就要讓鋼絲在水溶液中的冷卻遵循與鉛浴處理相同的冷卻曲線來冷卻和進行組織轉變。鋼絲水浴淬火就是通過在水溶液中加入添加劑，改變鋼絲、溶液、水蒸氣三者之間的表面張力，來改變鋼絲在水浴溶液中的冷卻速度，達到使鋼絲在水溶液中的冷卻曲線與鉛浴中的冷卻曲線相同或相似的目的。

鉛浴淬火和水浴淬火都是鋼絲在連續冷卻過程中發生的相變，不是在等溫的鉛浴溫度上進行的，而是在鋼絲線溫由淬火溫度（900℃左右）降至鉛浴溫度之間的連續冷卻過程完成的。

水浴不是一個全新的連續淬火方式，而是一種全新的不等溫式淬火工藝。通常鋼絲和水之間產生的膜態冷卻過程很短，難以被利用，奧氏體化的高碳鋼絲被單純水介質冷卻的過程中，一般會得到堅硬的馬氏體，根本無法拉拔。水浴淬火是在水中加入能溶解的高分子聚合物添加劑后，大大提高了水的黏度，將水分子和它自身的高分子結合，增大了水蒸氣界面的表面張力，使熱傳導系數率大大降低，提高蒸汽膜的穩定性，充分延長了膜態冷卻過程，從而實現鋼絲的慢速而穩定的冷卻，獲得我們所需要的適合拉拔的索氏體組織。

水浴淬火在鋼絲繩生產中的應用

在20世紀70年代，一些較大的鋼絲繩廠對水浴淬火進行了大量的科研和生產試驗，并且一致認為水浴熱處理是鋼絲繩生產工藝的一項重大技術革命，隨后在制品行業掀起了水浴淬火的熱潮，相繼有30多家鋼絲、鋼絲繩廠家建起了以水代鉛的生產線。但很遺憾的是，由于水浴淬火的質量穩定性，以及產品性能的通條性、均勻性不能得到有效控制，水浴淬火工藝的應用一度停止。然而，高等院校以及設計研究單位的專家通過進一步理論研究分析，從理論上闡明和肯定了以水代鉛的可能性，因此水浴淬火工藝一直得到了高等院校、設計研究機構的使用和發展完善。

有關研究人員闡述了水浴淬火在鋼絲繩生產中的應用情況：鋼絲經過熱處理加熱奧氏體化后，在一般的自來水（25℃~35℃）中經過數秒鐘短暫冷卻，以此達到抑制鐵素體相變并接近等溫溫度要求時，迅速進入480℃左右的空氣介質等溫轉變爐中完成索氏體化處理。這種工藝在有關工學院等研究單位得到應用。鋼絲經過熱處理加熱奧氏體化后，立即進入含有一定聚丙烯酸鈉的高分子水溶液中急冷數秒鐘，以此使鋼絲周圍形成蒸汽膜的條件下，讓鋼絲迅速進入500℃左右的空氣介質中，完成索氏體化轉變，這種工藝已經在某些鋼絲繩廠得到應用。

要實現水浴淬火工藝，主要有4個方面的工藝條件要求：一是要求足夠高的水溶液溫度，以便蒸汽膜快速形成，若水溫偏低，則膜形成所需的熱量較多，無法在短時間內形成汽膜；二是要求較高的水溶液濃度，因為濃度高則溶液的黏度高，能夠增大蒸汽界面的表面張力，使蒸汽膜存在時間變長；三是要控制水溶液中的雜質，雜質特別是無機鹽的存在，會破壞蒸汽膜的穩定性，因此在爐前需對鋼絲進行表面清洗；四是控制水溶液溢流的速度，水溶液溢流速度過快，也會破壞蒸汽膜的穩定性，溢流太慢，則鋼絲周圍溶液會沸騰，也會壓迫蒸汽膜，導致不穩定。

有關研究人員表示，實現水浴淬火的工藝方法有單段式水浴和雙段式水浴，單段式水浴即一段水浴加一段空氣，雙段式水浴即一段水浴加一段空氣加一段水浴。粗規格鋼絲主要是在空氣中發生轉變，一方面心部溫度向外擴散，另一方面相變放熱，使得轉變時鋼絲溫度會上升至索氏體區域以外，導致部分組織轉變生成粗大的珠光體，不利于后續工藝，因此宜選用雙段式水浴淬火方法。但對于細規格的鋼絲而言，比較理想的水浴方法是單段式，它減少了工藝程序，控制較雙段式更為便利。雙段式水浴，各比例長度的控制，第一段水浴池長度的增加，會使得索氏體化平均轉變溫度升高，強度會降低；空氣段長度的增加，會使得索氏體化平均轉變溫度升高，強度也會降低。第二段水浴池長度的增加，會使得索氏體化平均轉變溫度降低，強度就會提高。

有關研究人員強調指出，水浴淬火處理是金屬線材制品行業在鋼絲熱處理工藝上徹底根除鉛害的一項研究成果。該工藝不僅能夠滿足各種鋼絲以及各種規格鋼絲繩用鋼絲的生產工藝要求，而且具有環保、節能、操作方便、投資少、效益高等特點。