（材料加工工程专业论文）mc5冷轧辊去氢退火工艺研究.pdf

：匕查盔堂堡! ：堂垡迨塞 y 17 4 10 9 3 i i i l l ii ii i ii1 111 1 1i i l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) i i i 上海大学工学硕士学位论文 m c 5 冷轧辊去氢退火 工艺研究 硕士生：游佳迪 导师：邵光杰教授 学科专业：材料加工工程 上海大学材料科学与工程学院 2 010 年6 月 i v ：海大学硕 ：学位论文 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a iu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri ne n g i n e e r i n g s t u d y o f d e h y d r o g e n a t i o na n n e a l i n g p r o c e s sf o rf o r g e dm c 5c o l dr o l l e r m d c a n d i d a t e - y o uj i a d i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs h a og u a n g j i e ， m a j o r ：m a t e r i a lp r o c e s sa n de n g i n e e r i n g s h a n g h a iu n i v e r s i t y s c h o o lo fm a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g j u n e ，2 0 1 0 v 上海人学硕j ：学位论文 摘要 冷轧辊是直接参与轧制的带钢冷轧机的重要部件，其性能直接影响冷轧板带 材质量，特别是高级冷轧板的表面质量以及轧机轧制生产效率。m c 5 冷轧辊是铬 钼钢，属于白点敏感性材质，易形成白点，而白点缺陷一旦出现，只能报废，不 允许使用。为了提高生产效率、产品合格率、并在之后的淬火工艺中使得材质能 够发挥其最佳性能，冷轧辊必须进行去氢退火处理，将氢含量降低至2 p p m ，从源 头上降低白点形成的可能性。因此，本文本文旨在借助数值模拟的方法对氢在退 火过程中的扩散行为进行定量的数值分析，以指导和优化去氢退火工艺，对减少 白点报废率具有重要的意义。 本文从特定条件下扩散解析解着手，得到了各位置在不同时间下的氢浓度的 函数表达式。将其值与本文调用m a t l a b 函数p d e p e 0 程序数值模拟值进行比较， 从而证明了数值模拟的可行性。并讨论了两种边界条件下，各参数对模拟结果的 影响。 通过电化学渗氢的实验方法测量了室温下氢在m c 5 钢和纯铁的扩散系数分 别为7 4 5 e 一0 7 c m 2 s 、4 6 7 e - 0 7c n l 2 s ，d m c 5 d = 0 6 2 7 。运用类比的方法，可知m c 5 的扩散系数表达式为d a = 0 6 2 7 1 0 6 3 5 仃6 5 7 ，d ，= o 6 2 7 * 1 0 - 2 1 7 5 爪1 9 5 8 ，并结合相 变点和”广r 曲线可知，就可知具体温度下扩散系数。 本研究采用的热物性参数：l = i 0 7 0 0 0 1 0 7 * t + 3 2 4 e 7 木r 2 a = 0 2 6 3 3 2 e 4 * t + 1 2 3 e 7 幸r 2 ，空冷换热系数： h = 2 2 * ( t w t c ) o - 2 5 “6 1 0 8 ( t w 2 + t c 2 ) ( t w + t c ) 。 本文通过熔融气相充氢实验对成品态的m c 5 试样进行充氢，然后在6 7 0 、 7 0 0 、7 5 0 、8 0 0 、8 5 0 、9 5 0 * ( 2 进行去氢退火实验，测量试样中的氢含量 然后与模拟结果进行比较，得到以下结果：该模型j 下确，解法有效。 本文在对实际生产工艺中的去氢退火工艺模拟发现，在本研究的下，采用无 循环加热有利于氢的扩散。 关键词：m c 5 钢；去氢退火；数值模拟；电化学渗氢 v i 上海人学硕。l ：学位论文 a b s t r a c t c o l dr o l l e rw a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fs t r i pc o l dr o l l i n gm i l l ，w h i c hd i r e c t l ya f f e c t e dt h e q u a l i t yo fc o l dr o l l e ds t r i p ，p a r t i c u l a r l yt h es u r f a c eq u a i l t yo fa d v a n c e dc o l dr o l l e ds h e e ta n dm i l l p r o d u c t i v i t y m c 5c o l dr o l lw a sac r - m os t e e l i tw a se a s yt of o r mw h i t es p o t s ，a n do n c ew h i t ep o i n t d e f e c t so c c u lc a no n l yb es c r a p p e d ，n o ta l l o w e d i no r d e rt oi m p r o v et h e a n t i s t r i p p i n ga n d a n t i f r a c t u r ep r o p e r t i e so fc o l dw o r kr o l l ，c a ni n c r e a s ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i f i c a t i o n r a t e ，a n dm a k et h em a t e r i a lt op l a yt h e i rb e s tp e r f o r m a n c ei nt h eh a r d e n i n gp r o c e s s ，o nt h ec o l dr o l lt o d e h y d r o g e n a t i o na n n e a l i n gt r e a t m e n tt or e d u c et h eh y d r o g e nc o n t e n tt o2 p p m ，f r o mt h es o u r c e ，t o r e d u c et h ep o s s i b i l i t yo ft h ef o r m a t i o no fw h i t es p o t si se s s e n t i a l t h e r e f o r e ，c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a l p r o d u c t i o n ，t h i sa r t i c l ew i l lg i v ear e l a t i v es t u d yo nt h eh y d r o g e nd i f f u s i o ni nt h ea n n e a l i n gb e h a v i o ro f t h ep r o c e s s t h r o u g ht w ow a y s ：s m a l ls a m p l et e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n f i s t l y , m a t l a bs o f t w a r ew a su s e dt os t u d yo nt h eh y d r o g e nd i f f u s i o nb e h a v i o ri nt h ea n n e a l i n g p r o c e s sb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i tw a sv e r i f i c a t e d t h a tt h ec o m p u t a t i o n sf r o mt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nw e r ei na g r e e m e n tw i t ht h ea n a l y t i c a ls o l u t i o nu n d e rs p e c i f i cc o n d i t i o n s d i s c u s s e d b e t w e e nt h et w ob o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h ei m p a c to fv a r i o u sp a r a m e t e r so nt h es i m u l a t i o n u s i n ge l e c t r o c h e m i c a lh y d r o g e np e r m e a t i o nm e a s u r e m e n t ，a tt h er o o mt e m p e r a t u r et h eh y d r o g e n d i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fm c 5s t e e la n di r o nr e s p e c t i v e l yw a s7 4 5 e 0 7 c m 2 s 、4 6 7 e 一0 7 c m 2 s d m c s d a = 0 6 2 7 a n dt h o u g ha n a l o g yt og e th y d r o g e nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n te x p r e s s i o no fm c 5s t e e lw a s d f0 6 2 7 1 0 币3 5 仃。! 哆d y = 0 6 2 7 * 1 0 - 2 t 7 5 肌9 5 8 t h ee x p r e s s i o no f t h e r m a lp a r a m e t e r sa p p l i e di nt h i sp a p e rw a s ：入= 1 0 7 0 0 0 1 0 7 * t + 3 2 4 e 7 t 2 a = o 2 6 3 3 2 e - 4 * t + 1 2 3 e 7 * t 2 a i r - c o o l e dh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t ： h = 2 2 * ( t w t o ) 。l - 4 6 10 。8 ( t w 2 + t c 2 ) ( t w + t c ) t h eh y d r o g e nc o n t e n to ft h em c 5s t e e li ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dt h o u g hm e l t i n ge x p e r i m e n t s s m a l ls a m p l ew a ea n n e a l e da t6 7 0 ，7 0 0 ，7 5 0 ，8 0 0 ，8 5 0 ，9 5 0 i ti sv e r i f i c a t e dt h a tt h e c o m p u t a t i o n sf r o mt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ei na g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw h i c ha r e m e a s u r e du n d e rt h ea c t u a lp r o d u c t i o n i nt h i sp a p e r s i m u l a t i o no ft h e a c t u a ld e h y d r o g e n a t i o n a n n e a l i n gp r o c e s s f o u n dt h a t v l i ：海人学硕 ：学位论文 n o n c i r c u l a t i n gh e a t i n gc o n d u c i v ew a sh e l p u lt ot h e d i f f u s i o no fh y d r o g e k e yw o r d ：m c 5s t e e l ；d e h y d r o g e n a t i o na n n e a l i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e l e c t r o c h e m i c a lh y d r o g e n p e r m e a t i o n ； l ：海人学硕 ：学位论文 目录 摘要 a b s t r a c t v i i 目j i 之1 第一章绪论l 1 1 前言l 1 2 我国冷轧辊刚钢的现状和发展方向1 1 2 1 我国冷轧辊蚪j 钢的现状1 1 2 2 我国冷轧辊用钢的发展方向3 1 3 轧辊生产一般，r 艺过程现状分析4 1 3 1m c 5 辊坯制造上艺路线4 1 3 2 锻后热处理5 1 3 3 调质热处理7 1 3 4 最终热处理8 1 4 钢中的氢8 1 4 1 氢对钢性能的影响和在钢中的作用8 1 4 2 氢在金属中的状态9 1 4 3 氢原子进入金属的过程1 0 1 4 4 氢在钢中的溶解与扩散系数1 0 1 4 5 扩散基础理论1 2 1 5 钢中氢的测定1 3 1 6 本课题意义及研究内容1 4 第二章去氢退火过程氢分布数值模拟一1 5 2 1 简单非稳态扩散方程的解析解1 5 2 1 1 直角坐标下一维非稳态扩散解析解1 5 2 1 2 柱坐标下一维1 稳态扩散解析解1 7 2 2 扩散方程的数值解1 8 2 2 1 非稳态扩散方程( 偏微分方程) 的数值解l8 2 2 2 偏微分方程数值解法的边界条件1 9 2 2 3m a t l a b 软件简介2 0 2 2 4m a t l a b 函数p d e p e ( ) 的认识2 0 2 3 解析解与数值解的比较2 l 2 4 去氢退火过程模型的建立2 3 2 4 1 模拟过程：2 5 2 5 模拟结果分析2 7 2 5 1n e u m a n n 边界条件( 又称第二类边界条件) 2 7 2 5 2d i r i c h l e t 边界条件( 又称第一类边界条件) 3 3 本章小结4 4 第三章扩散系数的测量以及实验参数拟合，4 5 3 1 电化学渗氢的基本原理4 5 3 2 扩散系数测量实验过程4 7 j ：海人学硕j ：学位论文 3 2 1 实验装置的搭建4 7 3 2 2 实验材料4 8 3 2 3 实验基本过程4 8 3 3 实验结果4 9 3 3 1 钯层厚度4 9 3 3 2 实验参数的选择5 0 3 3 3 氢渗透结果5 4 3 4 其它参数测定5 6 3 4 1 相变点测定5 7 3 4 2 ”盯曲线测定5 7 3 4 3 热物性参数的选择5 8 本章小结6 0 第四章氢分布数值模拟实验验证一6 2 4 1 电解充氢【6 0 1 6 2 4 1 1 实验原理6 2 4 1 2 实验条件6 2 4 1 3 实验过程6 2 4 1 4 实验结果6 3 4 2 气相充氢熔炼6 4 4 2 1 实验原理6 4 4 2 2 实验过程6 4 4 3 退火处理一6 5 4 4 实验结果和分析一6 5 4 4 1 充氢结果6 5 4 - 4 2 退火实验结果6 6 4 4 3 模拟验证6 7 4 5 循环加热与无循环加热对氢扩散的影响7 2 4 5 1 循环加热氢扩散7 3 4 5 2 无循环加热氢扩散7 5 4 5 3 两种加热方式下，氢扩散的比较7 8 本章小结7 9 第五章结论8 1 参考文献8 3 附勇匙8 7 致谢8 8 2 l ：海人学硕j ：学位论文 1 1 前言 第一章绪论 冷轧辊是冷轧板带轧机上的重要部件，也是易耗损部件。冷轧辊在工作时要 承受很大的轧制压力、磨损应力及高交变应力，以及轧制速度的加快，而且轧制 出来的板材要求具有极高的表面质量，因而冷轧辊必须具有良好的耐磨性、抗事 故性、较深的淬硬层，并且在使用过程中不易产生表面缺陷。为了满足冷轧辊的 这些特殊要求，其化学成分范围一般为c 含量o 7 1 o ，c r 含量1 o 5 o ， 再加少量的m o ，v 等碳化物形成元素，并对轧辊质量也有严格要求。轧辊选用 的钢种由原来的8 6 c r m o v 7 发展到m c 3 ，m c 5 系列，其中钢中的c r 含量提高 到5 o 左右。对应的轧辊的耐磨性及使用寿命也明显提高。 随着经济全球化的迅速发展，锻钢冷轧辊市场的竞争愈演愈烈，如何降低锻 钢冷轧辊的生产制造成本，提升国产轧辊的市场竞争力是一个急需研究的课题。 轧辊经锻造后，需进行去氢退火，以避免白点的产生。但目前去氢退火生产周期 长、耗能大、生产效率低。研究合理的去氢退火工艺具有重要意义。 1 2 我国冷轧辊用钢的现状和发展方向 1 2 1 我国冷轧辊用钢的现状 我国冷轧辊用钢是随着冷轧机和轧制技术的发展而发展起来的。6 0 年代中 期我国自制的9 c r 2 系冷轧辊在数量、质量和品种上基本满足了冶金厂的需求， 实现了冷轧辊生产立足于国内的目标。此后二十多年里，我国没有新建冷轧机组 和较大的技术更新，所以冷轧辊用钢也基本处于原有状态。7 0 年代末，随着我 国改革开放的进行，武汉钢铁公司从德国引进1 7 0 0 m m 大型冷轧机组，同时也引 进了德国冷轧辊用钢8 6 c r m o v 7 。该牌号冷轧辊用钢虽然也属于2 c r 锻钢，但 在总体性能上优于国产9 c r 2 系冷轧辊用钢。8 6 c r m o v 7 辊经北满特钢采用电渣 重熔工艺试制后，性能超过德国进口辊，成为国内代替进口产品被广泛使用。到 目前为止，该产品仍为众多国内冷轧厂所使用。9 0 年代后，宝钢等钢厂相继引 ，卜海人学硕l 学位论文 进国外大型冷轧机组。国内轧辊制造厂又相继仿制了日本的m c 3 和m c 5 冷轧辊， 取得了令人满意的效果。目前，国内冷轧辊制造技术的最高配置为宝钢采用的 m c 5 辊+ 镀铬工艺+ 电火花毛化技术。可见，我国冷轧辊用钢还没有突破c r 系锻 钢的局限。除部分轧辊厂采用铸造技术生产部分高合金铸造辊之外，国内高合金 锻钢冷轧辊还是空白。 a 2 c r 材质 2 c r 系列材质是传统的冷轧辊材质，铬含量在2 左右，作为工作辊淬硬层 一般不大于1 5 m m ，作为中间辊淬硬层一般不大于2 0 m m ，此类材质组织中碳化 物为m c 3 型，辊身表面淬火后碳化物颗粒数量较少。由于合金含量低残余奥氏体 量较少组织相对稳定，但轧辊的耐磨性相对较差，淬硬层浅，不易出现深度剥落， 用作大型冷连轧机轧辊通常需进行1 2 次重淬才能使用至设计尺寸。 b 3 c r 材质 3 c r 型材质是在2 c r 材质的基础上将铬含量增加至3 左右，通过镍、钼 等元素合会化，提高了轧辊的淬透性，淬硬层可达3 0 m m 。3 c r 型材质组织仍以 m c 3 型碳化物为主，辊身淬火后碳化物数量较2 c r 系列材质增加约一倍，其耐 磨性较2 c r 系列材质提高约3 0 ，淬硬层较深，作为一般轧机工作辊不需重淬， 但出现轧制事故时造成深度剥落，导致轧辊报废。 c 5 c r 材质 5 c r 型材质属超深淬硬层冷轧辊材质，铬含量在5 c r 左右，淬硬层深度可 达3 7 m m ( 半径方向 9 0 h s d ) ，基本可满足所有冷连轧机、平整机等轧机的工作 辊和中间辊的设计要求。由于铬含量的提高，组织中碳化物类型由m 3 c 型 ( 8 0 0 - 1 0 0 0 h v ) 转变为硬度更高的m 7 c 3 型( 1 6 0 0 - 1 8 0 0 h v ) ，碳化物颗粒尺寸平 均在0 乱o 8 岬之间，碳化物面积百分比3 7 5 6 之间，碳化物分布细小弥散， 圆整度也很好。因此，轧辊的抗事故性和耐磨性得到明显地提高。 d 抗辊印型冷轧工作辊 抗辊印型冷轧工作辊是在3 c r 、5 c r 型冷轧辊材质的基础上从化学成分 和热处理工艺两方面作适当地调整，通过第二相强化、间隙固溶强化、置换固溶 强化等方式强化轧辊基体组织，提高轧辊的抗压入能力。抗辊印型冷轧工作辊与 一般冷轧工作辊相比，最主要的特征是辊身工作层的压入硬度值( 9 7 1 0 0 h s d ) 更高，主要用于冷连轧机成品前机架和成品机架。 2 ：海人学硕i j 学位论文 1 2 2 我国冷轧辊用钢的发展方向 随着我国国民经济的快速发展，高性能的钢板的供求矛盾日益突出，为了不 影响经济发展，我国每年都要进口数以力吨的板材。国内冷轧厂相继引进了数套 国际上最先进的大型串列式全连轧机组，如宝钢三期1 4 2 0 冷轧工程【2 】等。新型 冷轧机组的引进和板材性能的进一步提升，势必引起冷轧辊用钢新一轮的升级浪 潮。可以预计在今后一段时期内，我国冷轧辊用钢及其制造技术的发展趋势可以 归纳为以下几个方面。 1 2 2 1 高铬冷轧辊 日本三菱钢铁公司开发了一种新型的高铬锻钢冷轧辊，实验证明：铬含量由 3 提高到8 , - - - 1 0 ，轧辊的耐磨性可提高近两倍，通过调整碳和铬的平衡，还可 在较低的淬火温度下获得所需的冷轧工作辊硬度，从而降低断裂敏感性，减少轧 辊断裂事故，抗裂性改善，可用于高载荷、高速度冷轧工作辊。 1 2 2 2 锻造半高速钢冷轧辊【3 】 冷轧辊在实际使用中，经常会遇到断带、粘钢、卡钢等轧制事故时，发现3 c r 、5 c r 材质轧辊易造成辊面局部组织和辊面硬度变化，辊面产生裂纹或局部 剥落，降低了轧辊的抗事故能力。锻造半高速钢冷轧辊材质是在5 c r 冷轧辊材 质的基础上开发出来的( 高的铬、钼、钒合金元素都是强碳化物形成元素，淬火后 得到的碳化物类型主要为富铬的m 7 c 3 型和富钒的m c 型( 2 5 0 0 , - 一2 8 0 0 h v ) 碳化 物，高硬度碳化物的存在，确保了锻造半高速钢轧辊具有良好的耐磨性，而且还具 有高的抗事故性。 1 2 2 3 合金化改进型冷轧辊 为满足新型冷轧机对工作辊使用性能的要求，在5 c r 冷轧工作辊材料的基 础上进行改进，调整钼、钒含量或加入少量的钛等强碳化物形成元素，形成5 c r 系列材质，可明显改善轧辊的耐磨性和热冲击强度。 1 2 2 4 高速钢冷轧辊【4 】 高速钢冷轧辊是近年来国内外研究开发的热点，a k a s 公司和新日铁公司先 后开发出新型轧辊并投入大生产应用，取得了良好的使用效果。a k e t s 公司采用 3 - i ：海人学硕l ：学位论文 e s r 5 】+ 传统锻造工艺生产锻造高速钢冷轧辊，新同铁公司则采用连续复合浇注 ( c p c ) 【6 】工艺生产高速钢冷轧辊。高速钢轧辊材料中含有大量的碳化物形成元素 铬、钼、钒、钨，能够形成大的m c 、m 2c 型碳化物，大大提高了冷轧辊的强度、 耐磨性、粗糙度保持性，其使用性能明显优于普通5 c r 型材质冷轧辊。由于高 速钢冷轧辊碳含量、合金含量较高，其生产工艺较复杂，目前尚无可靠的冶炼、锻 造、热处理方法，因而加工工艺性较差，成材率较低，这也是未来要解决的关键技 术。 冷轧辊材料的发展方向是不断优化5 c r 系列、锻造半高速钢材质的合金成 分，以改善冷轧工作辊的碳化物和基体的组织性能，提高其使用性能。同时发展具 有更高综合性能的高速钢作为冷轧辊材料，确保冷轧工作辊能适应新型轧机和轧 制技术发展的需要。 1 3 轧辊生产一般工艺过程现状分析 回顾冷轧辊制造工艺的发展历史，把这一过程可分为三个阶段【”。第一阶段 是1 9 4 0 - 1 9 6 0 年，当时用电弧炉冶炼，不经真空脱气制造冷轧工作辊。当时轧辊 钢中c r 含量仅为1 5 0 o - - - 2 o ，轧辊的使用寿命( 表层使用深度) 可达 9 5 1 2 7 m m 。第二阶段是1 9 6 0 1 9 7 0 年，在此期间开始用电渣重熔法【8 1 2 】制造 高质量冷轧辊，夹杂物级别大为改善，轧辊质量明显提高。在此期间含 2 5 - - 3 0 c r 的冷轧工作辊的有效淬硬层深度达到1 5 8 1 9m m 。第三阶段是 1 9 8 0 - - 0 1 9 9 1 年，轧机改进，对冷轧薄板质量要求提高，因而对轧辊质量要求提高。 轧辊维护水平也在提高，超声波探伤，涡流探伤技术的应用，减少了轧辊的剥落， 毛化技术不断发展。同时在此期间内又出现了轧辊表面镀铬技术f 1 3 , 1 4 】。 1 3 1m c 5 辊坯制造工艺路线 辊坯制造采用电渣重熔钢锭，快锻机锻造，其工序流程如下： 电炉冶炼( 钢包精炼和真空处理) 一铸锭( 铸造电极) - - 车l $ 0 电极坯料一电 渣重熔一锻造一锻后正火一球化退火一去氢退火一粗加工一探伤及检验一调质 处理一半精加工一表面淬火一冷处理一低温回火一精磨一去应力回火一精加工 一检验交货。其中，对于锻后冷轧辊的热处理【1 5 , 1 6 而言，大致可分为三个阶段： 4 上海大学硕 ：学位论文 ( 1 ) 锻后热处理；( 2 ) 调质热处理；( 3 ) 最终热处理。 1 3 2 锻后热处理 辊坯的锻造是在3 0 0 0 吨快锻机上进行的。电渣钢锭在抽底式加热炉中加热， 经必要的高温均质化处理，在1 1 5 0 9 0 0 0 c 温度区间锻造。压钳口、镦粗、拔长、 成形、切头切尾、精整共需3 火完成。锻后辊坯放于3 5 0 5 0 0 。c 待料炉中待料。 1 3 2 1 正火处理 理论上而言，一般正火加热温度为a c m + ( 3 0 , - 5 0 。c ) t 1 7 1 。正火处理主要是消除 在轧辊经过锻造之后，因冷却速度不够，渗碳体在晶界偏聚形成了粗大的碳化物 网。此外，还能提供细片状的珠光体为之后的球化退火工艺带来较好的效果。 1 3 2 2 退火处理 为了获得球状珠光体组织，降i l 舛l 辊硬度，便于切削加工，为调质做好准备， 锻造成形后都需要进行球化退火。冷轧辊经表面淬火后，在有效淬硬区内球状碳 化物球化越细小，数量越多，分布越细密，轧辊在轧制过程中，抗剥落性越强， 耐磨性就越高。 1 3 2 3 去氢退火 为了消除大型锻钢中出现白点缺陷而进行的退火。称为去氢退火。退火工艺 参数【1 8 1 的选择必须能造成氢在钢中的溶解度小而扩散速度大的条件，使其排除 锻件或固溶状态变为分子状态存在。分子状念的氢所引起的压力，可以通过塑性 变形来消除，不形成白点。 根据钢种的不同，并结合根据上面去氢退火工艺的原则可将去氢退火工艺划 分为以下三种典型形式【1 9 1 如图1 1 、图1 2 和图1 3 所示。 i ：海大学硕l ：学位论文 温 度 | 0 温 度 l 0 喙 l 心晰8 啦 去氢退火 时间m 图1 1 碳钢及低合金钢的c 一曲线图与去氢退火工艺 l 鲁 | 时间m 图l - 2 中合金钢的c 一曲线与去氢退火工艺 6 a n a c l a r a r ：海人学硕l 学位论文 温 度 | 广l - ； 、 a 口 a c l u 。啼 时间m 图1 3 合金钢的去氢退火工艺 m c 5 钢属于中合金钢，其去氢退火工艺如图1 2 所示。加热奥氏体化并在 过冷奥氏体最不稳定区域等温转变( 2 8 0 3 2 0 ) 后，还需加热至稍低于a c l 的 温度( 5 8 0 6 6 0 。c ) ，并经过长时间等温，方可使一部分氢自锻件表面排出，锻件 内部的氢也可获得较均匀的分布，以减少其有害作用。而在实际的生产工艺中正 火处理，球化退火处理后才进行去氢退火工艺，所以在正火处理和球化退火处理 中其实已经历过奥氏体过程，在这里将对此过程不做研究。故本文去氢退火工艺 研究只针对在稍低于a c l 的温度，并经过长时间等温这段过程。 1 3 3 调质热处理 调质处理能进一步消除网状碳化物。调质后的回火索氏体组织比容比退火组 织大，减少了淬火时的组织应力；在最终淬火加热时可获得细晶粒的奥氏体，淬 火后能得到细小马氏体，从而减少了轧辊在最终淬火时的畸变和断裂倾向。索氏 体组织能增加韧度，细小碳化物微粒改善有应力状态，并增加裂纹扩展的阻力、 减缓了裂纹扩展，从而可提高产品的使用寿命，适量的残余奥氏体的存在，有利 于疲劳寿命的提高【2 0 ，2 1 1 。 7 i ：海大学硕一l 学位论文 1 3 4 最终热处理 冷轧工作辊的最终热处理包括：预热、双频感应淬火、深冷处理、低温回火。 冷轧辊在感应淬火前进行一次或两次预热，有利于改善淬火后的残余应力分布状 态，增加有效硬化层深度。2 0 世纪7 0 年代在轧辊制造中出现了感应加热以及冷处 理技术，使得轧辊淬硬层深度从以前不到l o m m 提高至u 1 5 m m 左右。通常所说的 淬硬层是指硬度达到h s d 9 0 以上【2 2 1 。感应加热淬火的轧辊表面淬硬层产生残余 压应力，心部产生残余拉应力【2 3 1 。对于用传统材料制成的冷轧辊，为保证获得高 硬度，淬火后需进行低温回火。一般来说回火温度为1 0 0 , - - 1 8 0 【2 4 】。轧辊表层的 组织为回火马氏体+ 未溶碳化物+ 残余奥氏体( 1 0 2 0 ) 【2 4 1 。对于高速钢和 半高速钢轧辊，则要在淬火后进行高温回火，回火温度一般在5 0 肚6 0 0 之间，仍 可获得高硬度。 1 4 钢中的氢 1 4 1 氢对钢性能的影响和在钢中的作用 氢在一般情况下，进入材料中的氢是极为有害的，引起材料的力学性能发生 恶化：且在钢中造成很多严重的缺陷【2 引，如产生白点、点状偏析、氢脆，以及 焊缝热影响区内的裂缝等。这些缺陷的危害性远远地超过它作为合金化元素而带 来的好处。下面主要介绍最为常见的白点缺陷。 白点是钢中的氢与内应力( 主要指组织应力) 共同作用下产生的结果。气体在 冶炼和浇注过程中，通过不同途径溶入钢液中，在铸锭凝固过程中，由于部分过 饱和而析出的氢不能及时逸出钢锭外，仍以原子状态过饱和地固溶在钢锭中，扩 散在钢锭的微隙或疏松中，结合成分子。当锻压时，微隙将被锻合或压缩，其中 一部分氢重新固溶于钢中，另一部分未固溶的分子氢，由于体积被压缩而对周围 金属施加较大的压力，产生局部的内应力。这些锻件或锻坯在冷却过程中，氢的 溶解度急剧下降，使钢中氢的过饱和度不断增加。当冷却过程较快时，氢来不及 充分扩散，大部分仍继续以过饱和状态溶于钢中，这些氢只能向附近的微隙中挤， 并在微隙中结合成分子。这些氢分子在较低温度下很难重新分布进入固溶体中， ：海大学硕上学位论文 只能被封闭在微隙。大量的氢分子对微隙产生巨大的压力，这种压力和相变及其 他原因形成的应力( 包括组织应力、热应力和变形压力等) 相叠加，若超过了金属 的强度极限，即产生以微隙为核心的穿晶脆性裂纹。 白点缺陷一旦出现，只能报废，不允许使用。仅据2 0 0 0 年统计就发现白点 废品4 6 t ，占总废品量的2 6 1 ( 见图l - 4 ) 【2 6 】。有资料认为，钢中含氢量 2 7 0 0 ) ，试样很快熔融并放出气体，分析时间约为3 分钟( 包括坩埚去气时 间) ，释放出来的气体可直接由惰性气体带至分析系统进行分析，而不必浓缩或 收集。此法试样上方为正压的惰性气体，有力地抑制了试样的挥发，有利于易挥 发金属中氢的测定，且设备简单，操作方便，广泛用于炉前快速分析。 1 6 本课题意义及研究内容 如前所述，冷轧辊是直接参与轧制的带钢冷轧机的重要部件，其性能直接影 响冷轧板带材质量，特别是高级冷轧板的表面质量以及轧机轧制生产效率。冷轧 产品以产品性能好，表面质量好，光洁度高等优点使得其在国民经济中具有相当 重要的作用，那么对于直接加工金属的主要工具，冷轧辊的质量和使用寿命就直 接关系到轧制生产的生产效率、产品质量及生产成本。目前，我国的冷扎辊在质 量、品种规格及生产工艺等方面都与发达国家存在着一定的差距，因此，为满足 国民经济各部门对冷轧钢材的需求，立足国内，减少进口，对现有的各种冷轧辊 进行必要技术改造，已经是势在必行。 m c 5 冷轧辊是铬钼钢，属于白点敏感性材质。为了提高生产效率、产品合 格率、并在之后的淬火工艺中使得材质能够发挥其最佳性能，冷轧辊必须进行去 氢退火处理，将氢含量降低至2 p p m ，从源头上降低白点形成的可能性。 因此，本文本通过对氢在轧辊材料中的扩散系数的测量，以及借助m a t l a b 数值模拟氢在轧辊退火过程中扩散行为，并通过实测试验进行验证该数值模拟的 可行性。借助数值模拟的方法对氢在退火过程中的扩散行为进行定量的数值分 析，以指导和优化去氢退火工艺，对减少白点报废率具有重要的意义。 1 4 上海大学硕f j 学位论文 第二章去氢退火过程氢分布数值模拟 去氢退火过程是氢原子的扩散过程，也就是氢浓度和空间、时间的关系即氢 元素浓度分布的函数的问题。这个浓度分布函数需具备两个特征：一是符合扩散 基本原理，即浓度分布函数要满足f i c k 扩散第二定律；二是保温时间t = - o 时， 即初始的浓度分布。 本章将从两方面着手对去氢退火过程进行解析：一对简单的扩散方程进行解 析，并与通过m a t l a b 编写扩散方程的数值解进行比较，证明数值解的可行性。 二通过数值解了解各参数对去氢退火过程中请分布的影响。 2 1 简单非稳态扩散方程的解析解 2 1 1 直角坐标下一维非稳态扩散解析解 初始条件： c = c o ，o 鲫，t = - o( 2 1 ) 边界条件： c = o ，x = o 和x - - h ，t o( 2 - 2 ) 若扩散系数为常数，则一维非稳态条件下的扩散方程应为式( 1 3 ) ，可用分离 变量法求解扩散方程的通解。设方程的解具有如有下形式 c = x ( x ) t ( t )( 2 3 ) 式中x ( x 卜只依赖于变量x 的函数 t ( t 卜一只依赖于变量t 的函数 将式( 2 3 ) 代入式( 1 - 3 ) ，得 x 警一警 d t d f 即 1d 丁1d 2 x 而百。i 万( 2 - 4 ) 1 5 上海人学硕一i ：学位论文 式( 2 - 4 ) 中，等号左边与x 无关，而等号右边与t 无关，只有在等号左右两边恒 等于同一常数时，等式才能成立。设这一常数为妒，则有 昙刀：一入2 d d t ( 2 - 5 ) 丁 导辔“z ( 2 - 6 ) xd x 2 两微分方程的解分别为 t ( t ) = 7e 锄( 2 7 ) x ( x ) = o t s i n k x + 1 3 c o s k x( 2 8 ) 其中a 、p 、丫为常数。由式( 2 3 ) 、式( 2 7 ) 、式( 2 8 ) 得到式( 2 5 ) 的解为 c = e x 2 所( a s i n k x + b c o s k x )( 2 9 ) 其中a = qy ，b = 1 3y 。因式( 2 9 ) 是线性微分方程的解，故( 1 3 ) 的更一般的通 解可以写为 c = ( 以s i n k 。x + 吃c o s k 。x ) e x p ( - h 2 d t ) ( 2 - l o ) m = o 将x = o ，t o 的边界条件代入式代入( 2 1 1 ) ，得： o = ( 以s i n 0 + b 。c o s 0 ) e x p ( - k m 2 d t ) ( 2 1 2 ) 显然，只有b m _ 0 ，式( 2 1 2 ) 才成立。 将x = h ，t 0 的边界条件及b m = 0 代入( 2 1 0 ) ，且a m ：r i 0 得：入。= 竿。 厅 再将上述结果代入初始条件，得： c o = 艺4 ，| s i n ( 罕) o x h (2-12)m=0 ，- 用s i n ( 竿) 且m p 乘上式( 2 1 2 ) 两端， ，l 并由。至h 积分。左端积分后得竺丝 p 氕 当m = p 时，右端积分为h 2 ，当嘶时