控制轧制控制冷工艺技术

1、控制轧制、控制冷却工艺技术 1.1控制轧制工艺 控制轧制工艺包括把钢坯加热到适宜的温度，在轧制时控制变形量和变形 温度以及轧后按工艺要求来冷却钢材。通常将控制轧制工艺分为三个阶段，如 图1.1所示臥（1）变形和奥氏体再结晶同时进行阶段，即钢坯加热后粗大化了 的丫呈现加工硬化状态，这种加工硬化了得奥氏体具有促使铁素体相变形变形 核作用，使相变后的a晶粒细小；（2） （ 丫禰相区变形阶段，当轧制温度继续降 低到Ag温度以下时，不但 丫晶粒，部分相变后的 a晶粒也要被轧制变形，从 而在a晶粒内形成亚晶，促使 a晶粒的进一步细化。 （1）再站昴晶戦 图1.1控制轧制的三个阶段 （1）变形和奥氏体再结晶

2、同时进行阶段；（2）低温奥氏体变形不发生再结晶阶段；（3）（ y +a两相区变 1.2 控制轧制工艺的优点和缺点 控制轧制的优点如下： 1 可以在提高钢材强度的同时提高钢材的低温韧性。 采用普通热轧生产工艺轧制16Mn钢中板，以18mm厚中板为例，其屈 服强度os 392411MPa -40 C时，Ak=463926J 16MnR容器钢板 热轧后低温韧性不合格正火 后 cs 382MPa -40 C时，Ak=690J 16MnV容器钢板 热轧后低温韧性不合格，正 火后cs有时偏低 控轧控冷工艺使综合性能 控轧控冷态： c 392MPa -40 C 时，Ak 246J 15Mng钢板 热轧态c偏

3、低 控轧态c满足要求 20g钢板 热轧态冲击韧性偏低 控轧后提高性能合格率915% 20Mn钢筋 A3钢筋 热轧态达n级钢筋 控冷后达川级钢筋 控冷后达n级钢筋 A3F，65Y 热轧态冷拔延伸性差 控冷后可增大一次冷拔变形量， 减少中间退火次数 A3，16MnA3F 棒材 热轧态强度有时偏低 控冷后使性能合格率提高15% GCr15 钢 热轧态球化退火时间长 控冷后缩短球化退火时间四分之 3.控制轧制 促使铁素体细化是达到最佳综合性能的最有效的办法。细化铁素体晶粒基 本上有两个途径，一种是细化奥氏体晶粒，然后通过相变得到细小的铁素体晶 粒，另一种是直接细化铁素体晶粒。细化奥氏体晶粒基本上从两方

4、面着手：一 方面是细化原始奥氏体晶粒，即从加热温度、加热时间及加入微量元素入手； 另一方面是采用形变再结晶的方法。加入微量元素能提高晶粒开始长大的温 度，其措施是在奥氏体析出体组织中嵌入细的析出物，从而抑制奥氏体晶粒长 大，当析出物的晶粒度为 100200?时共析作用最大。铝以氮化铝的形式细化晶 粒，使可焊接普通结构钢为本质细晶粒钢。此外微合金花元素铌、钒、钛通过 他们的碳化物、氮化物及碳氮化物均能对细化奥氏体晶粒产生不同程度的影 响。为了抑制在轧制前的加热过程中这类产物的析出物的再溶解，应尽可能降 低加热温度。实践证明，轧前奥氏体的晶粒度对铁素体晶粒度是有影响的，但 这种措施有很大的局限性。

5、 控制轧制工艺不仅可以通过细化晶粒奥氏体来细化铁素体晶粒，同时采用 直接细化铁素体晶粒的办法。一般根据其细化铁素体的机理不同，将控制轧制 分为三个阶段，下面分别加以叙述： 3.1 第一阶段：奥氏体再结晶区轧制 这个阶段是通过形变-再结晶反复交错进行使 晶粒细化。对晶粒细化的作 用不是太大。 3.2 第二阶段：奥氏体未再结晶区轧制 第二阶段在再结晶温度以下和相变温度之间进行轧制。在此区中轧制时， 奥氏体晶粒沿轧制方向伸长，境界面积增加，使铁素体的形核密度增加。同时 由于变形使晶粒内导入大量的变形带，奥氏体向铁素体转变时的成核点增多， 变形带起到了奥氏体晶界的同等作用。在未再结晶区轧制促使铁素体相

6、变成核 点的增加，变形带的作用是主要的，奥氏体晶粒伸长的作用是次要的。图2表示 出奥氏体晶粒组织的有效晶界面积与相变后铁素体之间的关系。所谓有效晶界 面积是奥氏体的晶界面积和变形带之和。铁素体直径随7有效晶界面积的增加而 减小，与再结晶区轧制相比，未再结晶区轧制相变后的铁素体直径小，且随晶 界面积的增加晶粒直径的减小率也大。有人认为，在奥氏体向铁素体相变的初 期，相变速度可用NsXSy表示，这里Ns是晶界单位面积的形核率，Sy是有效晶界 面积。高温区再结晶轧制时晶粒细化作用仅仅是增减了 Sy;而在未再结晶区轧 制时却使Ns和Sy都得到了增加。两种轧制方式的这一区别由图 2中反映出来，对 同一数

7、量的晶界面积，未再结晶区轧制时比再结晶区轧制时转变后的铁素体要 小得多。 从以上讨论可以下几点结论： 1. 在这个阶段即未再结晶区轧制是控制轧制的重要阶段，也是控制轧制的重要 特征。 2. 在第二阶段轧制后奥氏体晶粒被拉长的同时产生了变形带和大量位错。当发 生奥氏体想铁素体转变时，晶界及变形带就成为形核地点。与再结晶相比， 有效结晶面积及单位有效晶界面积的形核率都增加，转变后得到细小扥铁素 体，并且随变形量的加大转变后的铁素体数量增加，珠光体的数量减少。 生韭軽曲区的压下車，热 40 机粛_咖ito *0 有豉奧民怩甜毘面积,m mm丄 图3.1 0.03%Nb 钢中有效晶界面积和铁素体晶粒之

8、间的关系 实心 再结晶区轧制；空心 非再结晶区轧制 3. 在未再结晶区中的变形量有累积作用，因此在未再结晶区内多道次的变形就 可以再奥氏体向铁素体转变后获得细小的铁素体晶粒，其细化程度可达 1112级。但如在未再结晶区变形量不足，如压下率在 20%以下，特别是在 10%以下，变形带密度小，变形带分均时，含变形带的奥氏体晶粒与不含变 形带的奥氏体晶粒在奥氏体向铁素体转变时，铁素体的形核率密度就不同， 容易形成混晶组织。因此，在未再结晶区轧制时，必须给予大的变形量或多 道次轧制。在奥氏体未再结晶区轧制时，细化铁素体晶粒也是有限的，在一 定压下率时达到饱和，更大的压下率只能细化残留的粗晶粒，约在60

9、%的压 下率时趋于极限值。一般转变后晶粒直径最小可达 5 yn左右，大大小于再结 晶区轧制后铁素体晶粒直径的极限值。 4. 在普碳钢中，由于奥氏体未再结晶区域（温度范围窄），因此要实现在未在 结晶区中多道次轧制以保证必要的变形量是困难的。微合金化元素铌、钒、 钛等，特别是铌的加入，对钢的奥氏体再结晶起抑制作用，使奥氏体的再结 晶温度提高，扩大奥氏体未再结晶区的温度范围，有利于实现未再结晶区的 轧制。因此微合金化在控制轧制中占重要作用。 5. 与第一阶段相比，第二阶段终轧后的材料强度提高了，脆性温度降低了。 3.3 第三阶段：在（奥氏体 +铁素体）两相区轧制 在奥氏体再结晶区轧制及未再结晶区轧制

10、都是以细化铁素体晶粒为目的 的，而目前控制轧制发展到在奥氏体及铁素体两相区中进行轧制，这成为控制 轧制的第三阶段。有关其变形过程、组织特点在前面已经讲过，在这里只是强 调几点： 1. 两相区轧制不仅对未再结晶奥氏体继续进行加工，而且对铁素体进行加工， 产生了加工硬化、析出强化和亚结构，因此可以获得很高的强度； 2. 两相区轧制产生了织构，使钢板在厚度方向强度降低； 3. 形变诱起的析出物的产生使得轧制方向上吸收能降低，但脆性转化温度也降 低； 4. 两相区所采用的工艺制度对性能有很大的影响，在两相区中变形温度高低及 变形量大小的不同，其所得到性能不同。提高双相区的变形量，韧性就显著 提高，这是

11、应为组织上亚晶发达。但对强度的提高则不同，只有压下量 1020%时屈服强度急剧增高。继续增加压下量时，强度变化不大。但温度 越低，则压强越高。 综上所述，在三个阶段中，轧制时发生的组织和物理性能的变化如图 3所示， 实际控制轧制工艺师这三个阶段的合理组合。从生产经验得出，在 1000700C 之间，终轧温度每降低100C，铁素体晶粒直径变小34卩m并能对力学性能产生 相应效果。 在获得细小的奥氏体晶粒后，如果通过加速冷却能使丫辕变向着低温方向 移动的话哪么这种较低的转变温度就能提高晶核形核几率并能降低晶界运动性 能，从而使铁素体晶粒尺寸减小。除了采用快速冷却方法外，一定合金元素如 钼、锰或溶解

12、的微量元素也可以使转变点降低，导致晶粒进一步细化。 图3.2钢的显微组织及控制工艺对钢的屈服极限和脆化转变温度的影响 注：1 铁素体-珠光体；2控制轧制的铁素体-朱光体；3贝氏体；4控制轧制贝氏体；5调质回火 贝氏体。 为了充分发挥铁素体晶粒细化的实际效果，钢材含碳量必须很低，因此随 着含碳量的提高，细化铁素体的晶粒的效果就会减小，而珠光体量的增多却会 恶化材料的低温韧性。因此，采用控制轧制工艺时，钢的含碳量最高为0.15%, 多数钢的含碳量低于0.1%，这类钢为少珠光体或无珠光体，但为了获得更高强 度的钢材而采用的高温形变淬火工艺，它所得的组织是奥氏体的低温转变产物 （马氏体）或中温转变产物

13、（粒状贝氏体），其含碳量当然会超过上述界限。 3.4控制类型对轧后冷却相变的影响 将普碳钢以及添加铌、钒的低碳微合金钢轧制工艺类型与轧后冷却相变之间的 关系加以整理如图4所示3。 蟲餐常娈 变降前 熨形云 蜃此怵具氐体 IM! T | 1 t _ WTW* 林再站品奥匱体粕对 变形后 奥比体 _ j ? 图3.3控轧工艺与控冷过程铁素体相变的关系 I A型：热轧过程中奥氏体始终都发生再结晶，并且在相变前的丫晶粒粗于 N0.5级，这样在轧后冷却过程中就容易相变成为魏氏铁素体和少量珠 光体。钢中加入微量铌时，形成魏氏组织倾向最为强烈，其次是普碳 钢，含钒微合金钢形成魏氏组织倾向较弱。IA型代表了普

14、通热轧后钢 的冷却相变过程。 I B型：热轧过程中奥氏体始终都发生再结晶，但是在相变前的丫晶粒细于 N0.6级，这时Y-a目变主要是在丫晶界上进行，可以获得具有等轴的 铁素体加少量珠光体的均匀组织 。相变前的丫晶粒越细，相变后的铁 素体组织也越细，I B型代表了再结晶控制轧制后钢的冷却相变过程 U型：热轧温度一直延续到 丫未再结晶区域，轧制变形后的奥氏体不再发生再 结晶，这时Y a目变在丫晶界及晶内同时进行，形核速度大幅度增大， 相变后的a晶粒均匀而细小。这种相变不会发生魏氏组织和上贝氏体组 织，U型代表了未再结晶控轧后钢的冷却相变过程。 过度型：热轧温度处在奥氏体部分再结晶区域时，轧制变形后

15、的奥氏体将发生 部分再结晶，这时Y-a目变将介于I和型u型之间，其中一部分再结晶 丫晶粒按I B型相变成细小的铁素体加珠光体组织，另一部分未再结晶 晶粒可能相变成魏氏组织。 按照上述分类，热轧低碳钢轧后冷却过程中a晶粒细化程度的顺序将是: U型I B型过度型I A型 4控制冷却 控轧技术发展的初期，冶金工作者的主要着眼点是多道次热轧变形和轧后 奥氏体的静态再结晶来细化晶粒5,6。随着钢中加入了铌、钒、钛等微量元素之 后，人们逐渐重视了钢在奥氏体未结晶区的轧制变形对奥氏体想铁素体或珠光 体的转变，以及对细化铁素体和珠光体组织的影响效果7,8，从而开展了控制工艺 对钢的轧后相变影响以及钢的轧后相变

16、机理和控制冷却工艺的研究。 4.1控制冷却中低碳钢热轧材的奥氏体向铁素体的转变 调整控制轧制、控制冷却工艺参数得到尽可能小的室温组织是控制轧制、控 制冷却工艺的主要目的。热轧变形后的钢材在随后的冷却过程中，奥氏体要发 生相变。通常，在相变时形成的新相得直径是由在单位体积内所形成新相得形 核数目n来决定的。如果在新相之间还没有合并，并且生成的晶核都已长为晶粒 的时候，新相直径D可用下式表示9: 3 然而，奥氏体向铁素体（丫a的相变过程实际是新相得形核与核长大同时 进行的过程，因此在相变过程中的形核只能是在尚未发生相变的区域内形核, 图4.1是以模式图形式表示了两种情况下相变的进行状态。其中图a表

17、示当形核 速度低于核长大速度时，已经形成的晶核快速长大，而使其后面新相得形核区 域迅速变小，最终使新相成为较粗大的晶粒；图 b表示形核速度大于核长大速度 的状况，由于已经形成的晶核长大速度较慢，为其后面的形核可以提供充分的 区域，使之形核数量增多，最后得到较细小的晶粒。因此，在丫相变时实际 的新相形核数目n是由形核速度和核长大速度共同作用而决定的。 图4.1相变过程的模式图 a低形核速度和高核长大速度； b高形核速度和低核长大速度 4.2钢材控制冷却的目的及控制冷却各阶段的作用 钢材轧后控制冷却的目的是为了改善钢材的组织形态，细化奥氏体组织； 阻止或延迟碳化物在冷却过程中过早析出，使其在铁素体

18、中弥散析出，提高强 度。同时减少珠光体团的尺寸，细化珠光体片层间距，改善钢材的综合力学性 能。 轧后控制冷却可以减少钢材表面的氧化铁皮生成量，防止钢材在冷却过程中 由于冷却不均而产生不均匀变形，造成钢材的扭曲或弯曲。 如果冷床的能力不足，通过轧后控制冷却，降低钢材进入冷床的钢温，可以部 分或全部解决冷床能力不足的问题。 对于不同德钢种和钢材种类，控制冷却的目的是不同的，有时几个同时兼 有。 控制冷却过程中各阶段的作用和控制原理是完全不同的。 控制轧制钢材轧后控制冷却一般分为三个阶段，即一般所说的一次冷却、二 次冷却及空冷三个阶段。由于三个阶段的冷却目的和要求不同，采取的控制冷 却工艺也完全不同

19、。如果只注意一次冷却而忽视二次冷却的控制，则其效果不 一定达到要求。 4.2.1 一次冷却一轧后控制冷却的第一阶段 一次冷却是指从终轧开始到变形奥氏体向鉄素体或渗碳体开始转变的温度 范围内控制其开始快冷温度、冷却速度和控冷（快冷）终止温度。在这段温度 中采用快速冷却的目的是控制变形奥氏体的组织状态，阻止晶粒长大或碳化物 过早析出形成网状碳化物，固定由于变形引起的位错，增加相变过冷度，为变 形奥氏体向铁素体或渗碳体或珠光体的转变做组织上的准备。相变前的组织状 态直接影响相变机制、相变产物的形态、粗细大小和钢材性能。经验表明，一 次冷却的开始快冷温度越接近终轧温度，细化变形奥氏体的效果越好。 4.2.2 二次冷却 轧后控制冷却的第二阶段 热轧钢材进行一次快冷之后，立即进入冷却的第二阶段，即所谓的二次冷 却。二次冷却的目的是控制钢材相变时的冷却温度和冷却速度以及停止控冷的 温度，以保证获得要求的相变组织和性能。 二次冷却根据钢种和组织性能要求不同，冷却可以在很大范围内变化，各种 冷却速度可以通过等温相变、炉冷、缓冷、风冷、水