水浴淬火技术有待突破

铅浴淬火工艺自问世以来，一直被金属线材制品企业广泛应用，国内制品生产对于中高碳钢丝的中间或成品热处理大多采用铅浴淬火以达到钢丝等温处理的目的。可是，由于铅对环境的污染、对人体的危害，以及投资高、能耗大等弊端，寻求一种新型、高效、节能、环保的无铅化热处理工艺取代铅浴淬火已成为金属线材制品领域亟待解决的课题。

据国家金属线材制品工程技术研究中心的研究人员介绍，国内外的科技工作者一直致力于金属等温热处理工艺以及生产装备的前沿化研发使用，一方面采用无污染、少污染的工艺方法，另一方面将有害物质经过无害化处理后排放。到目前为止，虽然国外发达国家在钢帘线和切割钢丝等产品的生产方面已经成功实现用水浴淬火代替铅浴淬火的工艺，但是对于大多数的金属线材制品，如电梯用钢丝绳、港口码头起重用钢丝绳，以及大量的镀锌钢丝绳而言，仍然采用铅浴淬火处理，水浴淬火处理技术并没有实现突破并广泛应用。

在国内，随着钢帘线行业的蓬勃发展，一些生产企业一直致力于工艺优化，在实践中对于淬火方式进行改变，由原来的铅浴淬火处理、流化床处理转变为水浴淬火处理，但也仅限于帘线用细小规格的钢丝，但水浴淬火不能广泛应用于中粗规格的钢丝。钢丝绳生产由于规格跨度大，对于半成品钢丝的等温处理，如果全部采用水浴淬火，将成为金属线材制品行业的一个突破。

全新的不等温式淬火工艺

研究人员介绍说，钢丝的热处理生产一般有等温冷却和连续冷却两种冷却方式，对于钢丝绳用半成品钢丝而言，一般选择等温冷却。钢丝中的奥氏体在临界温度以上是一种稳定相，一旦冷却到临界温度以下，则处于热力学的不稳定状态，称为“过冷奥氏体”。过冷奥氏体发生转变，形成新的稳定相。金属线材制品行业生产钢丝绳用钢材基本都为中高碳钢，一般使用亚共析钢和过共析钢的线材，根据各自的过冷奥氏体等温转变动力学曲线（即C曲线，不同温度下过冷奥氏体转变量与转变时间关系的曲线）。制绳钢丝的生产采用高温（500℃~650℃）转变，形成均匀的索氏体化组织，在实际生产过程中，通过控制转变温度和转变时间即可得到适合钢丝进一步拉拔的细小、均匀的索氏体组织。

传统铅浴淬火工艺的原理是根据钢的等温转变C曲线，让过冷奥氏体在600℃左右的铅液中进行等温转变，产生适合深度拉拔的索氏体组织。由于铅在300℃以上开始融化，一直到900℃左右开始沸腾，有非常宽的液态状态的温度区间，又由于液态铅的热容量非常大，900℃左右的钢丝一接触液态铅，即被快速冷却至铅液的温度，只要保证钢丝随后在液铅中停留足够时间，则可完成钢丝的索氏体化组织转变。而水浴淬火要达到铅浴淬火的同样效果，就要让钢丝在水溶液中的冷却遵循与铅浴处理相同的冷却曲线来冷却和进行组织转变。钢丝水浴淬火就是通过在水溶液中加入添加剂，改变钢丝、溶液、水蒸气三者之间的表面张力，来改变钢丝在水浴溶液中的冷却速度，达到使钢丝在水溶液中的冷却曲线与铅浴中的冷却曲线相同或相似的目的。

铅浴淬火和水浴淬火都是钢丝在连续冷却过程中发生的相变，不是在等温的铅浴温度上进行的，而是在钢丝线温由淬火温度（900℃左右）降至铅浴温度之间的连续冷却过程完成的。

水浴不是一个全新的连续淬火方式，而是一种全新的不等温式淬火工艺。通常钢丝和水之间产生的膜态冷却过程很短，难以被利用，奥氏体化的高碳钢丝被单纯水介质冷却的过程中，一般会得到坚硬的马氏体，根本无法拉拔。水浴淬火是在水中加入能溶解的高分子聚合物添加剂后，大大提高了水的黏度，将水分子和它自身的高分子结合，增大了水蒸气界面的表面张力，使热传导系数率大大降低，提高蒸汽膜的稳定性，充分延长了膜态冷却过程，从而实现钢丝的慢速而稳定的冷却，获得我们所需要的适合拉拔的索氏体组织。

水浴淬火在钢丝绳生产中的应用

在20世纪70年代，一些较大的钢丝绳厂对水浴淬火进行了大量的科研和生产试验，并且一致认为水浴热处理是钢丝绳生产工艺的一项重大技术革命，随后在制品行业掀起了水浴淬火的热潮，相继有30多家钢丝、钢丝绳厂家建起了以水代铅的生产线。但很遗憾的是，由于水浴淬火的质量稳定性，以及产品性能的通条性、均匀性不能得到有效控制，水浴淬火工艺的应用一度停止。然而，高等院校以及设计研究单位的专家通过进一步理论研究分析，从理论上阐明和肯定了以水代铅的可能性，因此水浴淬火工艺一直得到了高等院校、设计研究机构的使用和发展完善。

有关研究人员阐述了水浴淬火在钢丝绳生产中的应用情况：钢丝经过热处理加热奥氏体化后，在一般的自来水（25℃~35℃）中经过数秒钟短暂冷却，以此达到抑制铁素体相变并接近等温温度要求时，迅速进入480℃左右的空气介质等温转变炉中完成索氏体化处理。这种工艺在有关工学院等研究单位得到应用。钢丝经过热处理加热奥氏体化后，立即进入含有一定聚丙烯酸钠的高分子水溶液中急冷数秒钟，以此使钢丝周围形成蒸汽膜的条件下，让钢丝迅速进入500℃左右的空气介质中，完成索氏体化转变，这种工艺已经在某些钢丝绳厂得到应用。

要实现水浴淬火工艺，主要有4个方面的工艺条件要求：一是要求足够高的水溶液温度，以便蒸汽膜快速形成，若水温偏低，则膜形成所需的热量较多，无法在短时间内形成汽膜；二是要求较高的水溶液浓度，因为浓度高则溶液的黏度高，能够增大蒸汽界面的表面张力，使蒸汽膜存在时间变长；三是要控制水溶液中的杂质，杂质特别是无机盐的存在，会破坏蒸汽膜的稳定性，因此在炉前需对钢丝进行表面清洗；四是控制水溶液溢流的速度，水溶液溢流速度过快，也会破坏蒸汽膜的稳定性，溢流太慢，则钢丝周围溶液会沸腾，也会压迫蒸汽膜，导致不稳定。

有关研究人员表示，实现水浴淬火的工艺方法有单段式水浴和双段式水浴，单段式水浴即一段水浴加一段空气，双段式水浴即一段水浴加一段空气加一段水浴。粗规格钢丝主要是在空气中发生转变，一方面心部温度向外扩散，另一方面相变放热，使得转变时钢丝温度会上升至索氏体区域以外，导致部分组织转变生成粗大的珠光体，不利于后续工艺，因此宜选用双段式水浴淬火方法。但对于细规格的钢丝而言，比较理想的水浴方法是单段式，它减少了工艺程序，控制较双段式更为便利。双段式水浴，各比例长度的控制，第一段水浴池长度的增加，会使得索氏体化平均转变温度升高，强度会降低；空气段长度的增加，会使得索氏体化平均转变温度升高，强度也会降低。第二段水浴池长度的增加，会使得索氏体化平均转变温度降低，强度就会提高。

有关研究人员强调指出，水浴淬火处理是金属线材制品行业在钢丝热处理工艺上彻底根除铅害的一项研究成果。该工艺不仅能够满足各种钢丝以及各种规格钢丝绳用钢丝的生产工艺要求，而且具有环保、节能、操作方便、投资少、效益高等特点。