冷轧板快速热处理技术的研究开发.doc

冷轧板快速热处理技术的研究开发1概述 热处理工序决定冷轧产品品种、性能与表面质量，且与热处理前工序及用户使用密切相关，所以热处理在冷轧产品制造过程中居核心地位。目前工业化生产中有罩式退火和连续式退火两大类。罩式退火炉一般具有占地面积大、生产周期长、能量消耗多等特点，而且退火卷心部与外部温度不均，性能差别较大，退火温度较高时极易造成表面粘连等缺陷。而连续退火生产线虽然在一定程度上缩短了生产周期、提高了性能均匀性，但也存在能耗高、设备庞大复杂、生产线较长、加热速率与冷却速度低、板形较差等缺点。受热处理工艺装备水平的限制，我国钢铁业冷轧板带产品结构不合理，长期不能较好地满足汽车、电机、家电、高端制造业等下游行业的需求。因此，如何开发新一代连续热处理技术和装备，显著提高冷轧和涂镀产品的性能和质量，大幅度降低生产成本，实现节能、减排的综合效果，显得特别迫切且意义重大。 新一代超快速退火（ultra rapid annealing, URA）利用先进的加热技术（电流感应、等离子放电和电阻加热）和快速冷却技术（包括高速喷气、气雾混合、全氢冷却和冷水淬等），可使加热速率和冷却速率达几百到几千度每秒，能够使带钢在短至几秒内甚至几百毫秒内完成退火过程，大大缩短加热和冷却段时间及长度，提高机组速度和生产效率，实现了对温度的精确控制，为冷轧-退火产品提供了更具灵活性和柔性化的组织-性能控制手段。 感应加热作为超快速退火的核心技术，20世纪40年代该技术就开始应用于带钢。直到20世纪80年代末，电流感应加热技术终于在铝带和铝合金带材的生产中成功实现商业应用。目前主要有两种感应加热带钢的方式，即纵向电流和横向电流法。在纵向电流方法中，感应线圈主要产生平行于带钢表面的磁通量，而横向电流法中感应线圈的安装使其主要产生垂直于带钢表面的磁通量。工业上纵向电流感应器在宽规格磁性材料的加热已得到很好的应用，但在非磁性材料的加热中，由于在厚度方向产生涡流，除非增大频率否则电效率急剧降低；横向电流则环绕带钢表面产生涡流，这意味着加热同样厚度带钢需要的电功率和频率大幅降低，因此横向电流感应加热 （Transverse Flux Induction Heating，TFIH）是高效加热的最好选择。近年来，由Celes、Arcelor研发中心和EDF联合研制的新型感应器采用了一套先进的监控系统。该系统能根据带钢性质、尺寸以及其他工艺参数自动调整和控制感应器的所有参数以及包括磁屏、磁棒及磁垫等各种磁场调节器的位置，成功解决了“带钢边缘过热或欠热”的难题，达到在带钢宽度方向良好的温度均匀性。该中试生产线有如下特点：拥有比传统技术功率强10倍的技术，可达1000/s高加热速率；带钢用感应器的电效率75%-85%；温度均匀性小于3%；适用宽规格带钢的加热，如带钢宽度1500mm及以上，厚度0.1-1.5mm。比利时冶金中心也开发了一台半工业化超短流程退火线，设备的加热方式为电感应加热，0.9mm带钢的加热速率可达200-1000/s，最大冷却速率为900/s。 随着感应加热宽规格板带材关键技术的重大突破，快速热处理技术的发展进入了前所未有的“黄金时期”，显示出广阔的应用前景。从超快速退火铝带的成功经验可以看出，工艺装备的进步带来的不仅是工艺流程缩短、节能降耗、提高产品质量和生产效率等利益，更重要的是为开发具有优异组织性能的新材料提供了途径。因此，在电流感应加热技术大规模商业化应用的前夕，建立超快速退火工艺与材料物理冶金学及其综合力学性能的关系变得非常必要和迫切。 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（RAL）多年来一直致力于以低成本减量化为特征的钢铁工艺、装备与产品的研发。在国际上率先开始“快速热处理”这一冷轧热处理领域极具潜力的前瞻性技术的研究。针对高强IF钢、低硅TRIP钢和低铁损高磁感电工钢进行了大量的实验室和中试研究工作，探索了超快速退火条件下钢铁材料再结晶、相变和析出的物理冶金机理，揭示了全过程组织、织构和性能之间影响机理和交互作用，提出了成分-工艺-组织-织构-性能多变量优化和柔性化控制理论与技术，为超快速退火的工业化应用奠定了基础。 2超快速退火的组织、织构的柔性化控制技术 2.1微观组织控制 对传统的冷轧汽车用钢而言，随着汽车减重、节约燃油和保障安全的迫切要求，采用减量化成分和紧凑型流程，在保证成形性能的基础上进一步提高材料强度，已经成为21世纪的研究热点。高强度深冲用钢（包括IF钢和Al镇静钢等）大多通过添加Mn、P和Si等元素达到固溶强化的目的。这些元素在固溶强化母相的同时引起晶界强度的下降，恶化了固有的晶界脆性问题（IF钢），导致更显著的二次加工脆性；此外，固溶强化元素Si等的添加会损害深冲性能和涂层的表面质量，不适用于复杂成形的外板零件。 晶粒细化是能够同时提高材料强度和韧性的最有效方法之一。通过细化晶粒，提高晶界数量和密度，进而提高（超）低碳钢的晶界强度，同时大幅度改善二次加工脆性。日本某钢铁公司通过大幅提高C和Nb的含量，利用细晶强化、NbC析出强化和PFZ无间隙析出区间技术，开发了一种440MPa级别的细晶高强IF钢，显著提高了实验钢的抗二次加工脆性。事实上，除了微合金化手段以外，通过工艺控制同样可以实现晶粒细化。近十年来这一技术在热轧领域进行了深入的研究和应用。总的来说，主要有两组获得超细晶钢的技术路线。一组是剧烈塑性变形方法，如等通道角挤压、叠轧合技术、多向变形和高压扭转等；另一组则包括各种先进的形变热处理技术，如形变诱导铁素体相变、动态再结晶、两相区轧制以及铁素体区温轧等。目前商业用热轧高强钢的最小晶粒尺寸在3-5m，而冷轧退火钢通常在20m左右。众所周知，热轧组织参数、冷轧规程和退火工艺的控制可强烈地影响冷轧产品的组织和性能，但目前主流的商业化退火方法，无论是传统的罩式退火还是较先进的连续退火，工艺参数单一，可变化范围窄，难以实现对组织性能的柔性化控制。这正是多年来制约冷轧-退火材料组织细化的主要瓶颈，也是冷轧细晶化技术鲜有研究的重要原因。 为了克服上述问题，RAL研究人员发现，超快速退火技术因其独特的加热及冷却方式，可实现多阶段复杂路径和灵活多样的工艺参数控制，有望为冷轧-退火产品提供更具全新的组织-织构-性能解决方案。 然而国外有限的研究结果似乎并没有针对超快速退火过程中冷轧材料所表现出独特的回复、“超快速”软化现象及退火参数对再结晶晶粒尺寸、织构影响等方面形成一致的结论。例如，Muljono等研究发现在超快速退火过程中，随加热速率升高，再结晶温度提高，细化最终的再结晶晶粒；Reis等认为随加热速率增加，再结晶温度升高且晶粒细化，当加热速率1000/s时晶粒尺寸细化趋于平缓；然而Atkinson等却认为，超快速退火可降低纯铁的再结晶温度（低至300），发生所谓的“超快速软化”现象，同时得到粗化的晶粒。Stockemer等采用冷离子放电加热方法也观察到了再结晶温度随加热速率增加而提高的现象，但其再结晶晶粒尺寸随加热速率增加并无明显变化。 针对超快速退火过程中所涉及的令人困惑的物理冶金学问题及疑问，RAL研究人员并没有选择逃避，而是坚定信念，利用实验室自主开发的国内最先进的带钢连续退火模拟实验分析平台，针对具体钢种进行了反复大量的实验工作，多次优化实验方案，最大限度减少可能引入的各种误差，注重实验结果的重现性，以精益求精的科学态度对大量实验数据进行科学合理的统计分析。系统研究了超快速退火过程中，不同加热速率、保温时间和冷却等工艺条件下退火组织特征，如晶粒平均尺寸、尺寸分布、析出物类型、形态和分布，揭示了退火工艺参数对再结晶组织的影响规律。研究发现，超快速退火超低碳IF钢，加热速率为300/s，与20/s相比较，晶粒尺寸由传统工艺下的（13.00.5）m细化到（10.00.5）m，晶粒细化可达30%，而且晶粒尺寸分布平方差大大降低，也就是说晶粒尺寸均匀性大大提高。这一现象从物理冶金学的角度可以给出这样解释，由于加热速率大幅度提高，再结晶之前的回复过程时间大为缩短，能够保留较多的应变储能和较高的位错密度。超快速退火条件下，再结晶温度的提高和保留下来的应变储能增加一方面为再结晶过程提供了更多的形核位置，另一方面也提高了晶粒长大速率，从而大大促进了再结晶动力学。最终再结晶晶粒是否细化主要取决于这两种作用的相互竞争效果。通常在短时间内形核密度的增加效果更显著时，最终组织中晶粒就会明显细化。这一实验结果对冷轧高强IF钢的开发极为重要，它改变了传统IF钢通过添加价格昂贵的微合金元素来提高强度的思路，使得冷轧退火（超）低碳钢的超细晶成为可能，其效果堪比热轧过程的“TMCP”，为开发经济型、减量化的优质冷轧钢板提供新的手段，具有重要的理论和实际应用价值。 此外，RAL还将这一新技术首次应用于冷轧退火TRIP钢的开发，研究发现超快速加热通过抑制铁素体的回复和再结晶过程，可以使再结晶和相变在更高温度和更大的变形储能下进行。这使得低硅含磷TRIP钢中铁素体、贝氏体以及残余奥氏体的体积分数、形貌特征、晶粒尺寸发生了明显的改变，铁素体平均晶粒1-3m，贝氏体板条宽度10-30nm，薄膜状或颗粒状残奥分数增大并大幅度细化，第二相析出粒子尺寸大部分在10nm以下且分布弥散均匀、具有较强的热稳定性。这一显著的微观组织特征大大提高和改善了低硅系TRIP钢的力学性能。 对晶粒尺寸要求主要取决于研究对象，结构钢一般要求晶粒细化，但对于Fe-Si合金这样的功能材料就比较复杂，如硅钢要求晶粒均匀粗大（降低磁滞损耗）。电加热方式使退火路径灵活可控，这也为晶粒尺寸的控制提供了新的手段。通过快速加热或冷却（缩短高温段等温时间），快速升温后迅速降到低温段保温，强化抑制剂析出等方法可以细化晶粒；反之，通过延长高温段保温时间，低温形核和高温长大的阶梯式退火，以及周期式退火循环等方式可以促进晶粒长大。图1示出了URA路径控制示意图。路径控制的本质是非等温热激励对再结晶形核和长大的调控，促进形核抑制长大可以细化晶粒，反之可能使晶粒粗大。在第二相析出行为两方面，首先是超快速加热抑制了低温析出的发生，从而使抑制剂在高温高储能条件下大量快速析出；其次是破坏了原子的“平衡状态”，增大了原子自由能和界面迁移率，从而进一步促进了细小粒子的快速析出过程。研究结果表明，与传统等温退火相比，周期式循环退火使低碳钢平均晶粒尺寸增大16%以上，硅钢抑制剂析出体积分数增长44%。 图1 超快速退火路径控制示意图因此可以认为，超快速热处理的意义在于高加热和冷却速率以及柔性化路径控制，这绝不是传统意义上的工艺优化，而是从本质上影响回复、再结晶和晶粒长大的物理机制。与传统的等温退火不同，URA再结晶往往在非等温条件下发生，特殊的热路径不仅影响晶界原子跃迁速率和激活能，而且改变再结晶的外部环境（温度、变形储能和析出）和动力学，这里可以称之为“非等温热激励效应”。 2.2择优取向控制 众所周知，再结晶织构组分和密度对退火板的性能有着重要的影响。对冲压成形性能有要求的高强IF钢来说，冲压成形性能是板材性能优良与否的主要衡量指标之一。再结晶织构中，纤维织构被认为是有利于成形的织构，IF钢之所以具有高的深冲性能与其高取向密度的再结晶纤维织构（111/ND）密切相关。一般而言，（超）深冲用高强IF钢在传统退火方式下想要获得强烈、均匀的织构，需要在某一退火温度保温较长时间，经历包括回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。根据经典的“定向形核”和“定向长大”理论，IF钢最终能够获得单一、强烈的织构。根据定向形核机理，再结晶形核优先发生在高储能的取向晶粒处。各取向晶粒储能顺序如下：110111112100。对IF钢板而言，冷轧钢板中110取向的晶粒数量极少，故占有一定比例的111/ND取向晶粒优先形核、发展，从而成为再结晶织构的主要发源地。由“定向长大”机制可知，再结晶形核晶粒容易向四周夹角25-30关系的基体生长，即19a（26.5）或13b（27.8）重位点阵关系，这与其具有较高的晶界移动性有关。因此，对传统退火方式而言，完善的再结晶织构的形成和发展必需要满足一定的条件，其中，退火温度和时间尤其重要。 然而，由于超快速退火的加热、保温和冷却工艺的特殊性，要保证获得超细晶组织退火保温时间就必须严格控制，而这样就带来一个新的问题：短时间内带钢能否获得足够强烈的再结晶织构？织构类型能否有利于深冲性能？织构是否均匀？能否通过调控工艺参数获得所需织构？ 带着这些疑问，RAL科研小组从物理冶金学和织构演变基本原理出发，通过大量的、一系列的实验，研究和探讨了超快速退火条件下IF钢的再结晶织构形成、转变机制以及最优化控制理论与方法。通过合理控制加热段、保温段和冷却段的工艺参数，获得了与传统退火方式下几乎完全相同的织构类型，即以织构为主的再结晶织构，有些织构密度甚至强于传统退火下的织构。即使在以300/s加热速率下快速升温至较高退火温度并立即淬火的条件下也能够获得发展充分的再结晶织构。这一现象的发现充分说明，超快速退火在高温短时保温条件下完全可以获得发达的纤维织构。这对于传统的织构形成与演变机理是一个新的挑战，同时对实际生产而言其意义在于采用先进的超快速热处理可以在短时紧凑的流程下得到新一代超细晶高强IF钢。这一新钢种兼具高强度、优异的成形性能及二次加工性能。这一现象从物理冶金学上可以解释为，对于初始晶粒较细小的超低碳钢，在超快速退火过程中，由于升温速率快，回复阶段弹性畸变能消耗少，取向（主要在晶界成核）晶粒迅速生成并长大，短时间可以获得与普通退火工艺下相类似甚至更强的位向准确、均匀分布的纤维织构。 同样，对织构的柔性化控制还体现在高品质电工钢的产品开发过程。以无取向Fe-Si合金为例，当初始晶粒较大时（通常电工钢热轧常化后）加热速率从5/s增加到300/s，对磁性能不利的纤维织构被明显抑制，而高斯（Goss）和/或立方（Cube）织构比例和强度增加。这被解释为，粗大晶粒的大变形冷轧造成晶内剪切带增多，快速加热使剪切带内的变形储能保留下来，再结晶开始后Goss和Cube晶核优先在剪切带生成并迅速长大，消耗所在晶粒的同时也抑制了周围纤维的发展，因此起到了削弱织构和促进Goss和Cube织构的作用。相反，如果采用较低的加热速率，剪切带内变形储能被耗散，高斯和立方织构的成核不占优势，从而在与织构竞争中处于劣势，导致对磁性能不利的晶粒大量生成。尽管深刻系统的理论研究还有待进行，但可以肯定超快速退火织构控制效果也与非等温热激励效应密切相关。 对电工钢来说，高斯织构或立方织构对优异磁性能的获得至关重要。综上所述，退火时升温速率对Cube和Goss晶粒形核具有非常明显的影响，但这种影响并不是随着速率加快而线性变化，而是与变形量和原始组织有直接的关联。在大量的带钢连续退火实验及其数据分析的基础上，我们建立了“成分初始组织工艺织构”的对应关系模型。这对于冷轧退火材料的织构柔性化控制，进一步挖掘工艺和性能潜力，降低产品开发成本具有积极的意义。 2.3综合性能控制 RAL通过超快速退火试样进行力学性能检测后发现，超快速退火下获得的高强IF钢屈服和抗拉强度均有所提高，能够获得优于传统工艺条件下的性能。所得性能范围如下：屈服强度为145-155MPa，抗拉强度为345-360MPa，延伸率为38.5%-42%，r值为1.75-2.0，n值为0.28-0.30。这与普通退火条件下采用微合金化所得深冲用板的性能相类似，甚至有些性能会有所提高。如n值，普通退火条件下，此高强深冲用钢的n值在0.23以下，r值也有所提高。 超快速退火下的硅钢能够减少贵重合金元素添加，简化工艺环节，促进理想组织和织构的形成，进一步降低铁损和提高磁感。例如，实验室条件下可使中低牌号无取向硅钢磁感值提高约0.02-0.04T，也就是采用常规成分设计和冶炼的要求达到了高效电机用钢的磁性能要求，具有较高的经济和社会效益。 此外，采用超快速退火工艺开发的新型高强度TRIP钢综合力学性能也有显著提高。加热速率为80-300/s时，低碳含磷系TRIP钢临界温度为880时，强度和塑性同步增加，强塑积稳定在23000MPa%以上，最高可达27240MPa%，远优于普通退火速率下强塑积20000MPa%左右水平。值得一提的是，以80/s加热460过时效温度下，新开发钢种抗拉强度达到1450MPa，断后伸长率为18.5%，强塑积26825MPa%，达到甚至超过了高碳高合金化的淬火再配分钢（Q&P），其合金成本、成形及焊接性能具有明显的优势。该钢种优异的力学性能与超快速加热导致组织和析出粒子的超细化有密切关系。 为了更好地理解超快速退火对钢铁材料组织和性能的影响机理和控制技术，RAL针对低碳钢（IF钢、BH钢）、DP钢、TRIP钢和硅钢还开展了以下几个方面的研究工作： 1）URA过程回复、再结晶和相变行为发生的微观机制及其物理本质，例