东北特殊钢集团大连特殊钢丝有限公司徐效谦
摘要：本文分析了钢丝性能与组织结构的关系、索氏体组织转变特点；淬火介质的物理性能和化学性能、索氏体化处理的实践经验和试验数据、各国弹簧钢丝标准的技术要求。深入、系统地论证了铅淬火目前尚无法完全被取代。对国家相关产业结构的调整提出切实可行的建议。 关键词：铅淬火、水浴、盐浴、索氏体化处理。
“铅淬火”是英国人詹姆斯·豪斯福尔(James·Horsfall)19世纪中期（1854年）发明的一项热处理技术，当初作为专利(patent)技术发布，又称为派登脱(patenting)处理。就其本质而言，铅淬火(或铅浴)处理称为索氏体化处理似乎更合适。
尽管铅淬火热处理过程中产生的铅烟和铅尘对人体的危害，对环境的污染都很严重，100多年来人们也一直在寻代替铅的淬火介质，但时至今日，铅淬火作为经典工艺，仍然广泛地应用在碳素弹簧钢丝、制绳钢丝、橡胶管增强用钢丝、胎圈钢丝、针布钢丝、预应力钢丝和钢绞线等众多生产领域，究其原因是铅淬火可以获得具有优异综合力学性能和冷加工性能的索氏体组织。要到取代铅淬火工艺，必须首先弄清索氏体组织的特性、索氏体转变特点、以及索氏体化处理方法。
1索氏体组织的特性
索氏体是奥氏体等温转变的产物，是由铁素体薄层（片状）与渗碳体（包括碳化物）薄层（片状）交替重叠组成的共析组织，索氏体片间距大致为0.10～0.40μm，通常放大600倍以上才能看清其片层结构。在放大1500倍的显微镜中观察，其铁素体呈宽条状，渗碳体呈窄条状。若干铁素体与渗碳体平行排列组成一个晶体叫索氏体晶团。一个奥氏体晶粒等温淬火时可能转变成几个索氏体晶团，各晶团之间的位向稍有差别。如果放大到足够倍数，就可以看清铁素体和渗碳体都呈灰白，有珍珠的亮光，两者交界处因被腐蚀得凹凸不平而呈黑。放大倍率不够时，渗碳体两边的界线分辨不开，渗碳体呈现为黑细条。放大倍率太低时，整个索氏体都呈现为一片灰黑。
索氏体是钢铁组织结构中强韧性兼备、综合力学性能最好的一种组织，具有以下特性：
（1）具有索氏体组织的碳素钢丝抗拉强度高，有优异的深冷加工性能，能承受98%减面率的拉拔，冷加工强化系数也大于其它组织的钢丝，见表1，所以高强度高韧性钢丝首先要进行索氏体化处理，尤其是超高强度（R m＞3000MPa）弹簧钢丝，希望通过铅淬火，获得索氏体晶团偏大，片间距偏薄的索氏体1。
表1 不同组织状态的碳素钢丝冷拉性能比较
（2）索氏体组织具有良好的耐磨性，就制绳用钢丝而言，如果索氏体化处理工艺不当，生成先共析铁素体，或因表面脱碳形成铁素体，都造成钢丝绳早期或局部磨损，成为安全隐患。
（3）弹簧的疲劳寿命是一项重要指标，从组织结构着手，提高疲劳寿命的基本措施是保证钢丝具有单一的、片间距基本一致的索氏体。钢丝中如有游离铁素体，其疲劳寿命会成十倍，甚至是上百倍的下降；如有贝氏体或马氏体存在，其疲劳寿命会成百倍，甚至是上千倍的下降。
（4）索氏体组织对氢脆的敏感性低于其他组织，酸洗、磷化以及弹簧电镀一般不会引起氢脆，因
此，具有索氏体组织的钢丝在高应力条件下使用，具有良好的抗延迟断裂性能2。
（5）索氏体对缺口和应力腐蚀的敏感性低于其他组织。
(６) 铅淬火+冷拉可获得纤维化的索氏体组织，见图1。具有这种组织的钢丝退火后可获得碳化物充分弥散的细粒状珠光体，特别适合进行冷顶锻、开齿、冲眼、研磨、淬火等精细加工，碳素弹簧钢丝、制绳钢丝、橡胶管增强用钢丝、胎圈钢丝、预应力钢丝和钢绞线选用铅淬火+冷拉的生产工艺是鉴于索氏体组织的前五项持性。纺织工业各种针丝和金属针布钢丝选用铅淬火+冷拉的生产工艺是鉴于索氏体组织的第六项持性1。
图1 70钢丝铅淬火+冷拉获得的索氏体组织图2 70钢丝油淬火-回火获得的回火索氏体组织回火索氏体组织也是钢丝中常见的高强度、高韧性、高疲劳寿命的组织结构。回火索氏体组织是马氏体、贝氏体、托氏体组织经高温回火（450℃～600℃）后得到的组织，如图2。回火索氏体组织可以理解为具有球化倾向的索氏体组织。在相同转变温度下得到的回火索氏体抗拉强度略低于索氏体，回火索氏体的冷加工性能却远不如索氏体，能承受的极限减面率一般不超过80%，冷加工强化系数也较低。回火索氏体对缺口和应力腐蚀的敏感性也高于索氏体组织，对酸洗、磷化、电镀引起的氢脆特别敏感。 铅淬火+冷拉钢丝金相组织呈纤维状，各向异性明显，回火索氏体几乎是各向同性的。同时油淬火-回火钢丝的抗松弛性能优于冷拉钢丝，使用温度（≤175℃）也略高于冷拉钢丝（120℃～160℃）。
回火索氏体组织另一重要特性是3：马氏体、贝氏体、托氏体回火得到的回火索氏体抗拉强度差别不大，但塑性和韧性差别很大，以断面收缩为例，原始组织为马氏体的具有最大的断面收缩率，贝氏体的其次，托氏体的最差。若用不同温度下的冲击韧性来比较，差别更明显，如图3所示，原始组织为马氏体的脆性转变温度最低（约－80℃），贝氏体的其次（约0℃），托氏体的最差（0℃以上）。正因为如此，淬火的目标是尽可能获得100%马氏体组织。
1—马氏体回火，2—贝氏体回火，3—托氏体回火
图3不同组织的钢回火到相同抗拉强度时冲击韧性的差别
2. 索氏体转变特点
铅淬火处理工艺流程是：将钢丝逐根展开，通过奥氏体化炉加热，使钢丝转变为单一的奥氏体组
织，然后进入熔融的铅槽淬火，完成索氏体化转变，出槽后水冷，用收线机组收线。钢丝在热处理过程中，遵循钢的等温转变曲线完成组织转变，转变特点可描述如下：
(1) 加热充分的钢丝组织为均匀的奥氏体，冷却后形成片状组织。未烧透的钢丝组织为不均匀的奥氏体，冷却过程中易形成粒状组织。 (2) 完全奥氏体化的钢丝，随着等温温度的下降，分别转变成片状珠光体、索氏体、托氏体、上贝氏体、下贝氏体和马氏体。在珠光体与上贝氏转变区间当奥氏体全部转化为索氏体时，钢丝抗拉强度和硬度达到最大值。
(3) 等温的过冷度与片间距有严格的对应关系，碳素钢索氏体等温转变区间为550～450℃。同一牌号的钢丝，在特定温度下等温转变，索氏体的片间距是相对衡定的。
(4) 奥氏体晶粒度对索氏体晶团的大小有决定性影响，索氏体晶团的尺寸与奥氏体的晶粒度成正比。索氏体片间距基本不受奥氏体晶粒度的影响。
(5) 索氏体等温转变除铅温外，在铅时间也是关键参数。钢丝在铅液中停留时间必须大于奥氏体完全分解所需时间，否则离开铅液时钢丝中残余奥氏体会继续分解为托氏体、上贝氏体、下贝氏体或马氏体。
(6) 常用铅液温度为550℃～450℃，奥氏体完全分解所需时间随铅温提高而缩短，分解最短时间大约在550℃～500℃范围内。奥氏体实际晶粒度偏大，会延缓奥氏体分解时间。
(7) 合金元素Mn、Cr、Ni、Cu提高奥氏体的稳定性，延缓奥氏体分解时间，所以GB/T699-1999《优质碳素结构钢》中明确规定：“铅浴淬火（派登脱）钢丝用35～85钢的锰含量为0.30%～0.60%；65M
n和70Mn钢的锰含量为0.70%～1.00%；铬含量不大于0.10%、镍含量不大于0.15%、铜含量不大于0.20%；”就碳素钢而言，亚共析钢含碳量越高，奥氏体的稳定性越大，过共析钢含碳量越高，奥氏体的稳定性越小。
(8) 对于含碳量0.35%～0.9%的碳素钢，如果延缓奥氏体分解的合金元素含量符合标准要求，奥氏体完全分解的理论时间一般不超过15s，考虑合金元素成分波动，留有一定的保险系数，也不会超过20s。实际生产中要充分考虑合金元素迟缓奥氏体分解的作用，在铅时间远远超过理论时间，笔者根据国内主要厂家实际生产工艺，推导出在铅时间经验公式如下；
t铅＝(11.6＋0.3d)d d（钢丝直径）≤4.0mm，单位s；
t铅＝(4.8＋2d)d d（钢丝直径）≥4.0mm，单位s。
3.铅浴处理的不可取代性
铅淬火过程中，钢丝出炉温度一般为850～900℃，而索氏体等温转变温度为450～550℃，要实现完全索氏体化必须以最快的冷却速度通过850℃到550℃的过渡区，防止铁素体或粗片状珠光体析出；同时希望铅淬槽温度在尽可能小的范围内波动，获得片间距基本一致的组织；铅槽恒温区要足够长，保证奥氏体在此区间完成索氏体化转变。下面分析一下，采用什么措施才能满足上述要求。
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(1).如何实现850℃到550℃范围内的快速冷却：从热力学原理获知，850℃以下传热，热辐射作用减弱，对流传热逐渐起主导作用，热传导作用有限。到550℃以下时，热传导开始成为主导的传热方式，对流传热成为次要因素，辐射传热作用有限。从表2可以看出：在此温度区间，固体热导率最高，但固体之间无法实现紧密接触的热传导；而气体热导率又太低，无法实现快速传热；唯有液体可以与固体实现紧密接触，快速传热，这就是淬火通常都选用液体介质的原因。考虑到850℃时对流传热起主导作用。要求选用液体必须有良好的流动性，液体的熔点不应超过400℃。
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(2) 为保证淬火顺利，液体介质不得粘附在钢丝表面，不能与钢丝产生化学反应，也不会对钢丝产生腐
蚀伤害。
(3) 液体介质在400～600℃范围内要保持恒温，必需保证在此温度区间，不产生物理状态变化，不分解，不易挥发。
(4) 液体介质最好具有较大的体积比热容，一方面能吸收钢丝不断带入的热量，局部温度不至于上升太高；另一方面整体温度也不会因为加热源波动产生太大的波动。
以上各项要求是完全索氏体化的最基本要求，也是生产高强度、高韧性和高疲劳寿命钢丝的最基本要求。我们逐项对照，从表3可以看出，符合第1项要求的液体介质有熔铅、熔锡、熔锌和几种熔盐(碱)。对照第2项要求，因为锡和锌易粘附在钢丝表面被排除在外，熔盐(碱)有一定的腐蚀性能，暂时保留。再对照第3项要求，KNO3和NaNO3400℃左右分解，Na2CO3高温分解，均不能单独使用，只剩下熔融铅、KOH和NaOH熔碱了。最后对照第4项要求，KOH和NaOH熔碱的体积热容和熔化热高于铅是长处，但综合考虑，熔碱对钢丝表面有一定的腐蚀作用，且导热能力不如熔融铅，所以铅淬火到目前为止仍是无法取代的。国外制造承受高应力和要求高疲劳寿命弹簧用钢丝标准，如JIS G3522-1991《琴钢丝》、EN 10270-1：2001《铅淬火冷拉非合金弹簧钢丝》、ASTM A 228-2002《琴用优质冷拉圆弹簧钢丝》，包括国际标准ISO 8458-2：2002《铅淬火冷拉碳素钢丝》，均明确规定必须采用铅淬火+冷拉工艺生产弹簧钢丝。
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铅淬火是连续热处理，钢丝连续不断地将大批热量带入铅槽中，势必会造成入口端局部温度升高，整个铅槽的前端温度高于后端温度。为解决温度均匀性问题，现代化铅浴槽在前端埋设几根风冷管道，解决局部过热问题。在铅浴槽的后端安装铅泵，将低温铅不断泵向前端，同时在铅浴槽中部安装搅拌泵，促使铅液流动，整个铅浴槽的温度均匀性有了根本性的改善。
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4.水浴处理的局限性
国际上早在1942年就已开展线材水浴处理试验，国内重庆钢丝绳厂在1971年也进行过沸水浴处理代替铅淬火的试验，但由于水浴处理的局限性，至今不能推广使用。水浴处理的基础理论是膜沸腾-核沸腾理论，该理论认为高温金属浸入静止水中的冷却过程分五个阶段6：
（1）冷却初期阶段：钢丝刚浸入静止水中时，表面温度急剧下降，冷却速度最大可达900℃/s，同时周围水迅速汽化，形成汽泡，阻止钢丝温度继续降低，初期阶段结束，初期阶段时间一般不超过1s。
（2）稳定的膜沸腾阶段：当钢丝周围水全部汽化，将钢丝包裏在蒸汽膜中，使其冷却速度很快变慢，冷却进入稳定的膜沸腾阶段。此时有汽泡从水中逸出，而钢丝主要依靠蒸汽膜传导和热辐射，以及蒸汽膜周围的水流动传热，此阶段是五个阶段中冷却最慢的阶段。
（3）不稳定的膜沸腾阶段：又称变沸腾阶段，此时蒸汽膜不断破裂，逸出汽泡数增多，同时新蒸汽膜不断形成，使钢丝表面局面不断与水直接接触，冷却速度显著加快，当钢丝温度降到一定值后，
蒸汽膜完全崩溃，表面不再有蒸汽膜时就进入冷却第四阶段。
（4）核沸腾阶段：此阶段水与钢丝表面直接接触，激烈沸腾，形成大量汽泡逸出，增强水对流传热效果，此阶段是5个阶段中冷却速度最大阶段。随着钢丝快速降温，汽泡数量减少，进入核膜沸腾阶段末期，钢丝温度接近水的沸点时，几乎不产生汽泡。
（5
通过观察液体气化时生成汽泡的形状可以大致判断冷却处于什么阶段，以及钢丝冷却效果，如图4。第1种汽泡尺寸较小，蒸汽膜与钢丝表面接触面积最小，容易脱离钢丝表面上浮，单位表面积产生汽泡数目最多，液体对钢丝的冷却能力最强。第2种汽泡尺寸略大于第1种，冷却能力也比较强。出现这两种汽泡表明冷却处于核沸腾阶段。
第5种汽泡气化过程中形成的蒸汽膜与钢丝表面接触面积最大，汽泡大面积覆盖住钢丝表面，经较长时间的长大，逐渐凸起，生成较大汽泡，才能脱离钢丝表面，液体对钢丝的冷却能力最弱。第4种汽泡覆盖较小，汽泡数目明显增多，冷却能力逐渐增强。出现这两种汽泡表明冷却处于稳定的膜沸腾阶段和不稳定的膜沸腾阶段，出现第3种汽泡表明冷却处于膜沸腾到核沸腾的过渡阶段。
水浴处理各阶段的有无和长短取决于蒸汽膜形成的难易程度、蒸汽膜厚度和稳定性，而蒸汽膜的这三
项特性又取决于钢丝的直径（携带热量）、表面状况、运行速度和浸入深度，液体介质的汽化温度、粘度（表面张力）和导热率等。钢丝直径变化，表面氧化和锈蚀都会显著改变蒸汽膜形成时间和稳定性；钢丝浸入深度增加、运行速度加快都会增大液体的压力，使蒸汽膜变薄，缩短膜沸腾时间，加快冷却速度；水中加食盐会降低表面张力，延缓蒸汽膜的形成，缩短蒸汽膜存在时间，极大的提高冷却速度。水中加入胶质物质，如0.5%的肥皂、6%的聚丙烯酸钠、0.25%的羟基纤维素（CMC）等，均可以改变蒸汽膜的性能，有效地延长半稳定膜沸腾阶段时间，有利于索氏体转变。
混合辅助肢体
目前热水浴处理已经广泛地应用在油淬火-回火生产线上，水浴的目的是利用水具有最大的比热容和100℃汽化的特点，尽快吸收钢丝的热量，实现M s点以下的等温淬火，获得接近100%的马氏体组织，然后根据产品的不同用途，选用不同的回火温度，获得理想的组织（回火马氏体、回火托氏体或回火索氏体）和性能。目前，油淬火-回火生产线上Φ8.0 mm以下的钢丝，通过喷射热水(70℃)冷却，可以完成马氏体转变。直径更粗的钢丝，由于水形成的汽泡阻碍了钢丝芯部的进一步冷却，很难获得单一的马氏体组织。为及时破除汽泡，提高钢丝冷却速度，常用方法是提高水压，驱赶或冲破水泡；或者在水中添加食盐等溶剂，降低水的表面张力，降低成泡率，缩短汽泡存在时间。总之水浴追求的目标是尽可能多地完成马氏体转变，再通过回火获得均匀单一的组织。
要用水浴取代铅浴进行索氏体化处理，首先必须解决三个问题：(1)如何保证充分奥氏体化的钢丝从880℃～900℃尽可能快地冷却到550℃～450℃，不析出或少析出铁素体或珠光体；(2)如何保证钢丝
冷却到400℃时及时中止冷却，不生成贝氏体和马氏体；(3)如何保证过冷奥氏体在450℃～550℃范围内某一温度附近完成等温转变，生成片间距基本一致的索氏体。根据膜沸腾-核沸腾理论，解决第1个问题需要设法缩短稳定的膜沸腾阶段时间，具体方法有：增加钢丝浸水深度、加快钢丝运行速度、水中加食盐延缓蒸汽膜的形成，缩短蒸汽膜存在时间等。解决第2个问题需要尽可能地延长稳定的膜沸腾和不稳定膜沸腾阶段时间，保证过冷奥氏体有足够的时间，完成索氏体转变，最有效的方法是向水中添加胶质物质，如肥皂、聚丙烯酸钠、羟基纤维素（CMC）等，提高水的表面张力和粘度，降低水的流动性。显然，前两者的要求是矛盾的。为此，历史上有人曾尝试采用两段式水浴的方法解决问题6，
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