热处理在钢铁生产中的应用和新产品开发.

钢铁热处理技术及新产品开发 王忠英 钢铁研究总院华东分院 2015年11月14日,整 合 资 源 实 现 共 赢 协 同 创 新 引 领 发 展,目 录,一、先进钢铁材料的要求二、影响钢铁材料质量的主要因素三、钢的生产流程及各工序对质量的影响四、钢的主要热处理工艺及效果五、热处理技术在钢铁生产中的应用,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,一、先进钢铁材料的要求 总体要求,高性能高强度、高韧性、长寿命高内部质量高洁净度、高均匀度、超细晶粒、夹杂物控制高表面质量表面无缺陷、高尺寸精度和光洁度多品种钢种和材型3500多种碳素钢和合金钢板、管、丝、带、棒、锻材低成本降低合金含量和工艺操作成本降低能源消耗和金属消耗微合金化改善组织和性能绿色环保易于回收和利用、可持续发展以铁为基，其它元素应无污染、可回收,1、窄化学成分 2、高洁净度 3、高均匀性 4、组织可控 5、高尺寸精度 6、高表面质量,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,一、先进钢铁材料的要求 对冶金质量的要求,1、力学性能：强度、塑性、韧性2、服役性能：疲劳、延迟断裂、蠕变、持久、腐蚀3、工艺性能：冷热加工性能,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,一、先进钢铁材料的要求 对性能的要求,1、生产过程中稳定和经济性回收 2、加工过程中稳定和经济性回收 3、应用过程中稳定和经济性回收,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,一、先进钢铁材料的要求 对环境友好的要求,1、生产过程的低成本 2、加工过程的低成本 3、应用过程的低成本,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,一、先进钢铁材料的要求 对低成本的要求,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,一、先进钢铁材料的要求 钢的昨天、今天和明天,在钢铁材料基础理论研究和工艺技术装备发展的基础上，为了满足不断增长的需要，新型钢铁材料层出不穷。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,一、先进钢铁材料的要求 典型的先进钢铁材料种类,钢的性能决定于其组织形态，而组织则决定于化学成份、热加工生产工艺及热处理工艺。 1、钢的化学成分及均匀性 2、钢的洁净度及夹杂物控制 3、钢的组织控制及稳定性,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,二、影响钢铁材料质量的主要因素,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,三、钢的生产流程及各工序功能 钢的生产流程,1、主要是化学成份的精确控制、窄带范围控制 2、洁净度及夹杂物控制 3、化学成分的均匀化控制，减少成份的偏析。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,三、钢的生产流程及各工序功能 冶炼及连铸工序,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,三、钢的生产流程及各工序功能 冶炼及连铸工序,炉外精炼技术技术特点：实现分阶段冶炼，创造最佳的热力学动力学条件，保证钢水纯洁度；采用真空精炼，提高脱C脱气速率；采用电弧加热，精确控制钢水温度；采用吹氩搅拌工艺，精确控制钢水成分。技术优点：提高钢水纯净度：S510-6，P2010-6，N1510-6，H1.510-6，TO1010-6，C1010-6；精确控制钢水成分，降低生产成本；精确控制钢水温度，提高生产效率。,炉外精炼的发展，大幅度提高了钢水净化度，明显改善了产品的性能。为新一代钢铁材料的发展打下坚实工艺基础。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,三、钢的生产流程及各工序功能 冶炼及连铸工序,连续铸钢技术技术特点：利用中间包结晶器二次冷却拉矫等生产设备，连续生产合格铸坯；采用结晶器振动和保护渣改善铸坯表面质量；采用二次冷却和电磁搅拌，提高铸坯内部质量。技术优点：连续化生产，生产效率提高；钢材成材率提高1520%；实现近终形连铸；实现高温热送热装或连轧工艺。,连铸技术的发展，不仅提高了钢铁成材率，提高了生产效率，而且促进了钢铁生产从单元化、间断生产的模式向连续化短流程方向发展。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,三、钢的生产流程及各工序功能 高品质钢洁净生产流程,传统观点认为，只有少数高附加值钢材要求达到超纯净。而21世纪先进钢铁厂的基本理念是要保证生产所有钢材都能超纯净，钢中杂质元素总含量S+P+N+T.O+H10015010-6，也就是“大批量”的概念。为了实现这一目标，必须努力降低超纯净钢的生产成本（目标是低于现代化钢铁流程中普通钢的生产成本），提高生产稳定性，保证产品质量稳定。,1、解决钢的化学成分均匀化、降低碳化物液析、不均度、碳化物带状、铁素体带状等钢液选分结晶规律带来的问题。 2、防止表面脱碳、过热、过烧等加热缺陷。 3、高碳铬轴承钢、马氏体、贝氏体、莱氏体钢在加热时，必须控制升温速度，否则加热速度过快时会因热应力和组织应力使钢锭或钢坯产生应力裂纹或断裂； 4、保证适宜的高温扩散时间，当高温扩散时间不足时，高碳钢钢液凝固产生的一次大颗粒碳化物（液析碳化物）无法固溶到奥氏体中，也就无法降低液析碳化物级别； 5、低碳合金结构钢钢坯的树枝状晶也不能溶入奥氏体中，就无法降低铁素体带状组织对力学性能的不良影响。 6、保淬透性结构钢加热时，也需要进行适当的高温扩散，以解决微区化学成分偏析、带状组织对淬透性和力学性能均匀性等问题的不良影响。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,三、钢的生产流程及各工序功能 轧钢工序(加热制度),1、通过一定压缩比消除铸造缺陷，材料的各项综合力学性能就好。 2、保证钢材的外形尺寸 3、特殊钢在高温状态下的变形抗力较普钢高，高温塑性差，因此其轧制工艺亦有其特殊性。 4、为了满足钢的组织和性能要求，钢材轧后冷却有缓冷、水冷、风冷和雾冷。 4.1 殊钢由于逸氢及减轻组织应力的需要，一般均采用较高的终轧温度，冷床一般相对较窄，以利于高温入坑缓冷，其目的是为了避免产生白点和应力裂纹。 4.2 对于需要获得索氏体组织的钢种或需要控制二次碳化物网状级别的钢种则采用水冷、风冷或雾冷；如目前已成功开发应用的斯太尔摩生产线就是线材生产过程中对钢材轧后冷却制度应用的典型。 4.3 为避免某些钢种轧后开裂或硬度过高则在冷床采用保温设施。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,三、钢的生产流程及各工序功能 轧钢工序(轧制及冷却),钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,三、钢的生产流程及各工序功能 控轧控冷工艺技术,技术特点：采用多机架连续轧制，可一火成材；采用控轧控冷工艺，控制钢材组织，细化晶粒；利用余热实现热处理，简化工艺流程，减少环境污染。技术优点：生产效率高，节能，变多火成材为“一火”或“无火”（连轧）成材；成品尺寸公差小；产品性能稳定，质量改善。 连轧与控轧工艺技术的发展，不仅大幅度提高了生产效率，实现“一火”成材，而且将离线热处理改变为在线余热热处理，提高了产品质量，降低了环境污染。,控制轧制：控制轧制是在调整钢的化学成分的基础上，通过控制加热温度、轧制温度、变形制度等工艺参数，控制奥氏体状态和相变产物的组织状态，从而达到控制钢材组织性能的目的。 控制冷却：控制冷却是通过控制热轧钢材轧后的冷却条件来控制奥氏体组织状态控制相变条件、控制碳化物析出行为、控制相变后钢的组织和性能。TMCP：控制轧制和控制冷却技术结合起来，能够进一步提高钢材的强韧性和获得合理的综合性能，并能够降低合金元素含量和碳含量，节约贵重的合金元素，降低生产成本。新一代TMCP：以超快冷技术为核心的控制轧制和控制冷却技术。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,三、钢的生产流程及各工序功能 控制轧制和冷却工序,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,四、钢的主要热处理工艺及效果 钢的基本组织分类,奥氏体：奥氏体具有面心立方晶体，塑性好，一般在高温下存在。铁素体：铁素体具有体心立方晶格，含碳量极少，其性能与纯铁极为相似，塑形极好。渗碳体：渗碳体是铁和碳的化合物，也称碳化三铁，含碳量6.69，具有复杂的品格结构。其性能硬而脆，几乎没有塑性 。珠光体：珠光体是铁素体和渗碳体相间的片层状组织。因其显微组织有指纹状的珍珠光泽而得名。其性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度适中，并具有良好的塑性和韧性索氏体：亦称细珠光体，是奥氏体在低于珠光体形成温度分解而成的铁素体和渗碳体的混合物。其层片比珠光体细，仅在高倍显微镜下才能辨别。硬度、强度和冲击韧性均高于珠光体。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,四、钢的主要热处理工艺及效果 钢的基本组织分类,屈氏体：亦称极细珠光体，由奥氏体在低于珠光体形成温度分解而成的铁素体和渗碳体的混合体。其层片比索氏体更细。其硬度和强度均高于索氏体。贝氏体：贝氏体是过饱和铁素体和渗碳体的混合物。贝氏体又分为上贝氏体和下贝氏体。在较高温度形成的称“上贝氏体”，呈羽毛状；在较低温度形成的称“下贝氏体”，呈针状或竹叶状。下贝氏体与上贝氏体相比，其硬度和强度更高，并保持一定的韧性和塑性。马氏体：马氏体通常是指碳在a-Fe中的过饱和固溶体。钢中马氏体的硬度随碳含量的增加而提高。高碳马氏体硬度高而脆，低碳马氏体则有较高的韧性。马氏体在奥氏体转变产物中硬度最高。,四、钢的主要热处理工艺及效果 主要热处理工艺的应用,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,热处理是特殊钢生产的重要工序之一。为了满足用户对特殊钢组织、性能的要求，许多特殊钢需要热处理交货。例如： 1、所有马氏体合金钢轧后必须及时退火，否则由于组织应力会造成钢材开裂、碎断； 2、60Si2CrA、60Si2CrVA轧后硬度基本都超过标准规定，所以GB/T12221984标准规定要热处理交货，只有经过软化退火才能达到标准要求。否则会因为硬度高，造成用户剪切下料时的刀具磨损严重，甚至剪切不动和钢材劈头引起质量异议。 3、高碳铬轴承钢的GCr15、GCr15SiMn等滚动体用钢，为了满足用户冷镦、冷挤压加工和最终热处理的需要要进行球化退火。 4、合金工具钢无论是标准规定还是用户要求，一般都要进行退火交货，否则，不仅因硬度高造成用户无法下料和加工，甚至在储存和运输过程中会开裂、碎断。 5、对于塑料模具钢许多用户要求调质热处理后交货（也叫预硬化钢），以便于直接加工成型，降低用户的热处理费用。 6、中碳钢45#、55#用户要求正火交货，以利于提高切削零件的表面光洁度和心部的韧性等等。 7、制造特大型轴承用的轴承钢连铸大圆坯，也需要退火交货。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,四、钢的主要热处理工艺及效果 典型钢材热处理例子,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 传统钢铁生产流程中成分、氧势和温度变化,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 先进钢铁生产流程,建立连续、紧凑、高效化的生产线是钢铁工业新型制造技术的核心,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 TMCP工艺简述,TMCP(Thermo-MechanicalControlled Processing)，即控制轧制和控制冷却技术，是在调整钢材化学成分的基础上，通过对轧制过程中的温度制度、变形制度和轧后冷却制度等进行有效控制，显著改善钢材微观组织，获得具有良好综合力学性能的钢铁材料。 TMCP是20 世纪钢铁业最伟大的成就之一，也是目前钢铁材料轧制及产品工艺开发领域应用最为普遍的技术之一。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 TMCP的发展过程,第二次世界大战期间，为改善船板的低温韧性，比利时、瑞典等国钢铁厂所采用的“低温大压下”技术奠定了控制轧制的雏形。五十年代末，Nb、V、Ti等微合金化元素的应用推动了控制轧制技术的日趋成熟。1980年日本钢管（NKK）在福山制铁所安装了世界上第一套中厚板控制冷却装置，国际钢铁业界将此控制轧制与控制冷却工艺的组合称为TMCP。目前随着超细晶粒钢的研究开发，新一代TMCP工艺技术已经出现。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 传统TMCP工艺的三个阶段,TMCP工艺的三阶段及其组织变化,1-奥氏体再结晶区变形阶段 ：t950 对加热时粗化的奥氏体晶粒反复进行轧制并反复再结晶后使之得到细化2-奥氏体未再结晶区变形阶段： t950Ar3奥氏体晶粒沿轧制方向伸长压扁，晶内产生形变带，这种加工硬化状态的奥氏体具有促进铁素体相变形核作用3-奥氏体铁素体两相区变形阶段： tAr3 相变后为大角度晶粒和亚晶粒的混合组织,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 传统TMCP三大要素,1：添加微合金元素-扩大未再结晶区2：低温大压下-产生硬化的奥氏体3：加速冷却-控制硬化奥氏体的相变,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 传统TMCP存在的不足,在热轧板带、中厚板生产应用过程中，低温大压下，轧制温度很低，导致轧机负荷都很大；同时，为满足组织转变要求，终冷温度通常较低，通常都低于500，有的钢种温度已低至350-450左右。而由此造成的轧制过程不稳定、冷却过程的板形不良等影响推广，因此需解决以下问题： 1）如何避开“低温大压下”，放宽传统TMCP对轧制过程的严苛要求，实现钢材的高效化轧制； 2）如何发挥钢铁材料的潜力，降低优质钢材对合金元素和微合金元素的依赖，节省资源和能源，实现减量化轧制； 3）如何发挥强化机制的作用，提升钢材的性能，实现钢材的高级化，发挥先进钢材对社会发展的引领作用。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 新一代TMCP技术,与传统TMCP 技术采用“低温大压下”和“微合金化”不同，以超快速冷却技术为核心的新一代TMCP 技术的中心思想是： 在奥氏体区适于变形的温度区间完成连续大变形和应变积累，得到硬化的奥氏体； 轧后立即进行超快冷，使轧件迅速通过奥氏体相区，保持钢材奥氏体硬化状态； 在奥氏体向铁素体相变的动态相变点终止冷却； 后续依照材料组织和性能的需要进行冷却路径的控制。 即通过采用适当控轧+超快速冷却+接近相变点温度停止冷却+后续冷却路径控制，通过降低合金元素使用量、采用常规轧制或适当控轧，尽可能提高终轧温度，来实现资源节约型、节能减排型的绿色钢铁产品制造过程。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 新一代TMCP的控制思路,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 新一代TMCP 技术的应用,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 新一代TMCP要点(高温轧制（HTP）),新一代的TMCP应当在产品性能允许的条件下，尽量采用适宜的正常轧制温度进行连续大变形，在轧制温度制度上不一定坚持“低温大压下”的原则。这样轧制负荷（包括轧制力和电机功率）可以大幅度降低，设备条件的限制可以大为放松，轧机等轧制设备的建设也不必追求高强化，建设投资可以大幅度降低。同时大大提高轧制的可操作性，避免轧制工艺事故，例如卡钢、堆钢等，同时也延长了轧辊、导卫等轧制工具的寿命。这对于提高产量、降低成本、提高轧制效能是十分有利的。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,由于采用常规轧制，终轧温度较高，如果不加控制，材料会由于再结晶而迅速软化，失去硬化状态。因此，在终轧温度和相变开始温度之间的冷却过程中，应努力设法通过快速冷却，避免硬化奥氏体的软化，即设法将奥氏体的硬化状态保持到动态相变点。 对板带材而言，确保高速冷却条件下的平直度是一个关键性、瓶颈性的问题。针对热带和中厚板生产过程开发出高效率、高均匀性的新式冷却系统，以得到平直度极佳的板带材产品。,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 新一代TMCP要点(超快速冷却),钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,轧后钢材由终轧温度急速快冷，迅速穿过奥氏体区，达到需要的终冷温度，例如铁素体区温度或者贝氏体区温度等。在轧件达到预定的温度控制点后，应当立即停止超快速冷却。应当通过控制冷却装置的细分和精细调整手段的配置，以及高精度的预控数学模型来保证终止温度的精确控制。,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 新一代TMCP要点(超快速冷却终点的控制),钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,依据钢铁材料有别于其他材料的重要特点，即钢铁材料复杂的相变过程，对实施超快速冷却后的钢材还要进行冷却路径控制，这就为获得多样化的相变组织和材料性能提供了广阔的空间。利用这一特点，有可能利用简单的成分设计获得不同性能的材料，实现减量化、集约化的轧制生产。,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 新一代TMCP要点(冷却路径的控制),钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,技术关键：冷却速度快；冷却时间短；终冷温度高。超快冷技术应用带肋钢筋生产时，控冷终止温度要求高于钢材再结晶温度。工艺关键：轧件上冷床的温度在800-850。不能出现淬火和回火组织技术诀窍：出成品孔后立即冷却；分段冷却；如成品空后无空间，放成品孔前。强化机制：细晶强化；析出强化；相变强化,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 新一代TMCP要点(强化机制),钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 螺纹钢轧后余热处理,钢筋的控制冷却又称为钢筋轧后余热处理或轧后余热淬火。 该工艺是利用钢筋终轧后在奥氏体状态下直接进行表层淬火，随后由其心部传出余热进行自身回火，以提高塑性，改善韧性，使钢筋得到良好的综合性能。 这种工艺简单，节约能耗，改善操作环境，钢筋外形美观，条形平直，收到较大的经济效益，在国内外得到广泛的应用。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 钢筋轧后控制冷却的特点,1、利用控制冷却强化钢筋与一般淬火、回火的调质钢筋比较，由于利用轧制余热，不需要重新加热，节约了燃料及热量消耗，缩短生产周期，提高生产率，降低了生产高强度钢筋的成本，而且还具有更高的综合力学性能。其原因在于：在利用轧制余热淬火之前已发生奥氏体再结晶，使晶粒细化，奥氏体晶界的位置已经改变，新晶界的形成时间又很短，杂质原子还来不及向晶界偏聚，因而改善了低温力学性能。在轧制后淬火前尚未发生奥氏体再结晶情况下，保持着低温形变热处理对低温力学性能的良好影响。 2、选用碳素钢和低合金钢，采用轧后控制冷却工艺，可生产不同强度等级的钢筋，从而可能改变用热轧按钢种分等级的传统生产方法，节约合金元素，降低成本以及方便管理。 3、设备简单，只需在精轧机后安装一套水冷设备。或者为了控制终轧温度或控制轧制而在中间轧机或精轧前安装中间冷却或精轧预冷装置。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,4、在奥氏体未再结晶区终轧后快冷的轧制余热强化钢筋在使用性能上存在一个缺点，即应力腐蚀开裂倾向较大。裂纹主要是在活动的滑移带上位错堆积的地方形核。具有低温形变热处理效果的轧制余热淬火，提高了位错密度，阻止了位错亚结构的多边形化，因而形成了促进裂纹的核心。但是，在奥氏体再结晶区终轧的轧制余热强化钢筋，由于再结晶过程消除了晶内位错，而不出现应力腐蚀开裂倾向的缺点。 5、控冷后的钢筋表面容易出现红锈，影响钢筋的外观质量。,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 钢筋轧后控制冷却的特点,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 轧后控制冷却的特点三个过程,第一阶段：表面淬火阶段(急冷段)，钢筋离开精轧机在终轧温度下，尽快地进入高效冷却装置，进行快速冷却。其冷却速度必须大于使表面层达到一定深度淬火马氏体的临界速度。钢筋表面温度低于马氏体开始转变点(Ms)，发生奥氏体向马氏体相转变。该阶段结束时，心部温度很高，仍处在奥氏体状态。表层则为马氏体和残余奥氏体组织。表面马氏体层的深度取决于强烈冷却持续时间。第二阶段：自回火阶段，钢筋通过快速冷却装置后，在空气中冷却。此时钢筋各截面内外温度梯度很大，心部热量向外层扩散，传至表面的淬火层，使已形成的马氏体进行自回火。根据自回火温度不同，可以转变为回火马氏体或回火索氏体。而表层的残余奥氏体转变为马氏体。同时邻近表层的奥氏体根据钢的成分和冷却条件不同而转变为贝氏体、屈氏体或索氏体组织。而心部仍处在奥氏体状态。该阶段的持续时间随着钢筋直径和第一阶段冷却条件而改变。第三阶段：为心部组织转变阶段，钢筋在冷床上空冷一定时间后，断面上的热量重新分布，温度趋于一致，同时降温。此时心部由奥氏体转变为铁素体和珠光体或铁素体、索氏体和贝氏体。心部产生的组织类型取决于钢的成分，钢筋直径，终轧温度和第一阶段的冷却效果和持续时间。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 钢筋轧后控制冷却的方法,按照冷却方式，钢筋轧后控制冷却方法有两种： 1、轧后立即快冷工艺，在冷却介质中快冷到规定温度或快冷一定时间后就中断快冷，随后空冷进行自回火。 2、分段冷却工艺，先在强烈的冷却介质中并在很短时间内把表面层过冷到马氏体转变点以下，形成马氏体，立即中断快冷，空冷一定时间，使很薄的表面层中的马氏体回火到A1温度以下，形成回火索氏体，再进行二次快冷一段时间后中断快冷，之后，再空冷，使心部得到索氏体、贝氏体及铁素体组织。称为二段冷却。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 钢筋轧后控制冷却的组织,根据在快冷前变形奥氏体发生再结晶的情况可以分为两类： 一类是变形的奥氏体已发生充分的再结晶，变形对奥氏体位错、亚结构的影响已通过再结晶而消除。形变热处理的效果已很小或者完全没有，这样就只有相变强化，而没有形变强化，强化效果较小。这样强化处理的钢筋，虽然综合力学性能略低，但其应力腐蚀稳定性较高。 另一类是轧制后到快冷前，变形的奥氏体尚未发生再结晶，或者只发生了部分再结晶，这样，就保留或部分保留变形对奥氏体的强化作用，形变热处理效果较大，可以提高钢筋的综合力学性能，但应力腐蚀开裂倾向较大，这也可用分段淬火及淬火后自回火或加热回火来解决。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 钢筋轧后控制冷却的性能特点,终轧温度、第一阶段冷却速度和持续时间及钢的化学成分决定了轧后控制冷却钢筋的性能，其中终轧温度、第一阶段冷却速度和持续时间决定了自回火温度。 由于钢筋的直径、钢的化学成分决定的淬透性、冷却速度和冷却温度不同，因此轧后淬火所得组织也不同。直径为8mm的Q235钢，如冷却速度快和冷却温度低，可以在整个横截面上得到低碳马氏体。直径较大的钢筋，很难沿整个截面上得到马氏体组织。一般表面层得到马氏体组织，通过自回火转变为回火马氏体，而心部得到索氏体、贝氏体及铁素体等。 这两种组织类型的钢筋，屈服强度都可以达到784MPa以上，抗拉强度在980MPa以上。但是，具有低温回火或未回火的低碳马氏体组织的钢筋在焊接时热影响区的组织和性能变化较大。而稳定性更大的索氏体组织的钢筋，在焊接时热影响区的组织和性能变化较小。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 钢筋轧后控制冷却的应用,经济效益运用控轧控冷技术，利用最廉价的水资源，取代昂贵的合金元素，有效提高钢材强度，棒材等级提高1-2级，每吨钢材减少成本60-120元，可为企业取得显著经济效益。,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 不同冷却制度的比较,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,TRIP钢的力学性能特点与其它钢种的比较，因TRIP效应的存在，TRIP钢同时具有延展性和高强度的性能特点，是先进高强度钢板中综合性能优异的代表钢种。,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 典型钢种性能比较,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 马氏体钢,马氏体钢（MART钢）作为唯一已经商业化生产的超高强度钢，近年来由于热冲压技术的进步，重新引起重视。主要用于成型要求不高的车门防撞杆等零件代替管状零件，减少制造成本。其成分含有较高的C, Mn, Si, Cr, Mo, B, V和Ni等合金元素，其组织完全由呈板条状的马氏体组成。,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 TRIP钢的原理,TRIP钢是通过相变诱导塑性效应而使钢板中残余奥氏体在塑性变形作用下诱发马氏体形核，引入相变强化和塑性增长机制，提高钢板的强度和韧性。TRIP钢具有多相组织，既有软相铁素体，也有硬相贝氏体，还有亚稳定的残余奥氏体，在变形过程中能逐步转化成马氏体。TRIP钢组织决定了其优异的力学性能。 TRIP钢与其他同级别的高强度钢相比，最大特点是兼具高强度和高延伸性能，可冲制较复杂的零件；还具有高碰撞吸收性能，一旦遭遇碰撞，会通过自身形变来吸收能量，而不向外传递。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 TRIP钢的成分特点,TRIP钢的成分以C-Mn-Si合金系统为主，有时也可根据具体情况添加少量的Cr、V、Ni等合金元素。因此，它的成分特征是,碳、锰、硅和铝是低合金TRIP钢中的基本元素。在TRIP钢中，碳主要富集在残余奥氏体中，增加残余奥氏体数量，提高其稳定性，其次才是提高钢的强度。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 TRIP钢的成分特点,1. 低碳 含碳量高，残余奥氏体数量增多，有利于TRIP效应产生，然而焊接性能恶化，轧制过程中产生晶体缺陷的几率增大，并且固溶强化作用增强导致强度增加而塑性降低。含碳量低，产生的影响恰好相反。因此，选取的含碳量一般为0.1%0.2%。2.低合金化 Si和Mn加入过多，降低钢的塑性和韧性，并且引起焊接性能恶化。因此，TRIP钢的含硅量和含锰量均控制在1%2%的范围内。3.钢质纯净 除了进行必要的合金化之外，TRIP钢中的夹杂物应尽可能低。对于钢中的O、N、P、S、Al等元素的含量均可按照低合金钢标准加以控制，特别是硫化物形态更应引起注意，以防止产生对钢性能的不利影响。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 TRIP钢的成分特点,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 TRIP钢的组织特点,TRIP钢具有多相组织，既有软相铁素体，也有硬相贝氏体，还有亚稳定的残余奥氏体。钢中组织的合理配比、亚稳相的稳定性等决定了TRIP钢的力学性能。,TRIP钢普通金相组织照片,TRIP钢扫描电镜照片,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 TRIP钢的组织特点,铁素体,贝氏体,残余奥氏体,铁素体是TRIP钢中的基体组织，硬度低，塑性较好，其含量由两相区等温转变过程控制，一般在50以上。,硬质相，能提高强度。贝氏体转变区等温处理时，发生奥氏体向贝氏体的转变，大量碳原子扩散到相邻奥氏体内。随着贝氏体区长大，相邻奥氏体内碳浓度升高，直到奥氏体的临界转变温度T0接近于等温温度，相变逐渐停止。,残余奥氏体含量与稳定性对TRIP效应都有影响，只有达到残余奥氏体含量与稳定性的统一，才能获得最佳的力学性能。残余奥氏体含量主要受贝氏体区等温温度和时间控制。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 TRIP钢的生产工艺,热轧：TRIP采用在终轧后控制冷却和低温卷曲的方式生产，其冷却模式由四部分组成：,1、钢板在单相区终轧后快速冷却到中间温度，加速铁素体的形成。 2、在中间温度保持一段时间以获得足够的铁素体。保持时间和缓冷的温度以不形成珠光体为准，因为珠光体的形成将消耗大量的碳，从而减弱了碳在未转变奥氏体中的富集。 3、然后再快速冷却到卷曲温度，完成奥氏体到贝氏体的转变，卷曲温度控制在500以下以抑制珠光体的形成。 4、从卷曲温度自然冷却到室温。 可见，热轧TRIP钢生产的关键是终轧后两段冷却的控制。,热轧TRIP钢生产原理示意图,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 TRIP钢的生产工艺,冷轧：冷轧TRIP钢的多相组织主要通过形变热处理，两相区等温以及中温贝氏体转变区等温淬火。典型的冷轧TRIP钢处理工艺如图所示。,冷轧TRIP钢的热处理工艺,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 TRIP钢的性能特点,1、强度高，延性大，即其强塑积(TSEL)较高；TRIP钢的强塑积一般均大于20000，而一般钢种的强塑积约为15000， 因此TRIP钢可用作形状较复杂的零件。 2、钢的加工硬化指数较高，均在0.2以上， 而析出强化系列钢则在0.2以下。 3、平面各向异性较低， 在深冲时制耳很小 。 4、成型后表现出很强的烘烤硬化特性。 5、TRIP钢的屈强比(YS/TS)略高于双相钢，约为0.6 0.8，加工容易；而析出强化钢板的屈强比约为0.8 0.9。 6、具有高的成形极限高度和拉胀性能，特别适合于胀形的零件。 7、冲撞时吸收能量较高，提高了安全性。 8、TRIP钢因加工硬化指数高，在循环应力作用下，会发生循环硬化，故其疲劳强度高。,钢 铁 研 究 总 院 华 东 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute,五、热处理技术在钢铁生产中的应用 TRIP钢开发情况,在汽车用普通钢用量不断下降的同时 , 高强度钢和超高强度钢的用量则稳步增长。尤其是先进高强度钢中的双相钢和相变诱发塑性钢 , 由于其性能优良 , 更成为工业界和科学界关注的热点。 国内对TRIP钢板进行了一些实验研究，其中宝钢、鞍钢已相继开发TR