钢材控制轧制和控制冷却技术

钢材控制轧制和控制冷却技术,东北大学郭长武,一、控制轧制,在热轧过程中通过对金属的加热制度、变形制度和温度制度的合理控制，使塑性变形与固态相变结合以获得细小的经理组织，使钢材具有优异的综合力学性能（强度、韧性和焊接性能等）的轧制工艺。,二、控制冷却控制轧后钢材的冷却速度以达到改善组织性能的目的。三、控轧控冷工艺优点1、控轧2、控冷,2控轧控冷理论,一、钢的强韧化1、钢的强化机制（1）固溶强化（）通过添加溶质元素（以点缺陷形式）使基体强化（改变化学成分）,合金含量%,合金含量%,合金含量%,2控轧控冷理论,（2）位错强化加工硬化是位错强化的外部表现（3）沉淀强化低合金钢中加入微量Nb、V、Ti等元素，可形成碳化物、氮化物或碳氮化物，在轧制时或轧后冷却时，它仍析出第二相沉淀强化（4）晶界强化晶粒越细小，晶界相对越多，晶界对为错的运动的阻力越大。霍尔佩奇公式：（5）亚晶强化（6）相变强化（7）,二、钢的韧化1、影响韧性的因素（1）成分一般的，加入合金元素会使材料强度提高，但由于基体内缺陷增加，而会使塑性和韧性降低。（2）气体和夹杂物（3）加工工艺,2、强化机制对韧性的影响（1）固溶强化（2）位错强化。对塑性和韧性双重影响（3）沉淀强化（4）晶界强化细小均匀的晶粒既可提高强度又可改善塑性和韧性是控轧的基本目标。（5）相变强化3、冷脆系数表示各强化机理和成分对强度和韧性的影响表示有提高脆性断裂的倾向,2控轧控冷理论,三、热变形时钢的奥氏体变形与再结晶1、热变形时钢的再结晶高温A体区变形的钢，加工硬化与高温动态软化（动态回复和动态再结晶）同时进行。2、热变形间隙时间内A体再结晶（1）在道次间或加工后，A体区冷却时将发生静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶。（2）各因素对A体平均晶粒尺寸的影响原始晶粒大小：原始晶粒越细，再结晶后晶粒也越细。变形量：在一定轧制温度下，变形后A体晶粒尺寸随变形量增大而减小。但大压下率部分的晶粒细化效果减弱，60%压下率甚至于没有细化作用，其极限植为2040,2控轧控冷理论,变形温度晶粒大小是变形温度的弱函数，且取决于A体再结晶情况。变形速度：与温度同样效果。变形后停留时间既会增加A体再结晶数量又会使再结晶A体晶粒长大。微量元素微合金元素在钢中以C和N化合物形式析出，起细化晶粒作用。溶于固溶体或分布在基体中小质点析出物都可阻止晶粒长大。但微合金元素有强烈抑制A体再结晶作用，可使再结晶数量减少、晶粒尺寸增大。,2控轧控冷理论,3、再结晶区域图（1）以变形量为横坐标，变形温度T为纵坐标的图，依变形后组织是否再结晶分三个区域：未再结晶区部分再结晶区再结晶区,2）一道次轧后再结晶区域图区：回复区给予压下，反而局部生成巨大晶粒，相变后组织不均。区：再结晶和未再结晶的晶粒混合物。区：细小再结晶晶粒，晶粒大小随变形量增大而细化。压下率大的部分完全再结晶区低于临界变形量的部分，只有回复的区介于两者之间为部分再结晶区。（3）多道次轧制4、保温中A体晶粒长大,四、在变形条件下的相变1、变形后的A体向铁素体的转变（AF）（1）再结晶A体晶粒生成F体晶粒、F体晶粒优先在A体晶界上生成，生成的F体晶粒有块状（等轴的）也有呈针状的先共析F体（魏氏组织F体）。魏氏组织形成降低了钢的塑性和韧性，应减少和消除。魏氏组织形成主要取决于钢的化学成分、A体晶粒大小和冷却速度。,2控轧控冷理论,1）含C量在0.150.5%间易形成魏氏组织。C形成块状F体C形成网状F体2）铌钢普碳钢钒钢顺序，铌钢最易形成魏氏组织。3）A晶粒5级（大于40）易形成魏氏组织。4）增加冷却速度会促进魏氏组织形成、随A体晶粒的细化，F体晶粒成比例细化转换比，化学成分对转化比有影响。、通常热轧通过形变再结晶克使A体晶粒细化2040，转变后的F体可细化20（8级）,阻碍魏氏组织的形成,2控轧控冷理论,（2）、部分再结晶A体晶粒F体晶粒、由两部分组成1）再结晶细小在其晶界上析出F体晶粒细小。2）未再结晶晶粒受变形拉长，由于A没细化，F成核少，易形成粗大的F体和针状组织不均匀组织对韧性影响大。、经多道次轧制使部分再结晶晶粒变小或受变形拉长，晶内出现许多变形带。则转变后亦能得到细小F体组织，改善性能。,（3）从未结晶A体F体晶粒、可能得到细小F体晶粒F体晶粒在晶界和变形带上形核。、也可得到粗细不均的混晶F体。、获得何种组织取决于未再结晶区内是否得到均匀的变形带。,2控轧控冷理论,、总变形量和道次变形量要大。1）总变形量应45%，可得F体晶粒（1213级）2）一道次压下率越大，越易产生变形带，越易获得均匀组织。、未再结晶区材料强度由固溶强化（）和F体晶粒尺寸（d）等决定。,2控轧控冷理论,（4）几种转变类型、A型、B型（再结晶型控制轧制）、型（未再结晶型控轧）、过渡型（介于、间）是在A体部分再结晶区内发生的转变（5）铁素体细化程度型B型过渡型A型型最细,2控轧控冷理论,2、变形条件对AF体转变温度Ar3的影响（1）测Ar3方法（2）变形条件对Ar3的影响、变形对Ar3影响两种情况。、变形条件对Ar3的影响1）加热温度（原始A体晶粒度）2）轧制温度T,2控轧控冷理论,3）变形量4）冷却速度（3）Ar3的变化对组织的影响、单纯从相变后F体晶粒长大观点Ar3低对获得细晶F体有利、变形引起相变温度的变化较复杂1）在再结晶区变形2）在未再结晶区变形（型控轧）,2控轧控冷理论,3、变形条件对AP转变的影响（1）、变形使P体转变加速，从而使钢的淬透性变坏。（2）、变形对Ar1的影响,2控轧控冷理论,2控轧控冷理论,4、铁素体的变形与再结晶（1）F体热加工中的组织变化、F体热加工应力应变曲线、F体热加工软化方式、亚晶尺寸d（2）F体在变形间隙时的组织变化、F体发生静态回复和再结晶软化1）静态再结晶有条件的：（为临界值）2）影响静态再结晶的因素、F体再结晶晶粒大小,5、在两相区（A+F）轧制时组织性能变化（1）在两相区轧制时，A体与F体均发生变形（2）两相区轧制后的组织由变形未再结晶A体转变的等轴细小铁素体晶粒，以及被变形的细长F体晶粒。同时在低温区变形促进了含Nb、V、Ti等微合金化钢中碳化物的析出（形变诱导析出）。（3）性能变化、增加、产生织构强度的方向性，并使高阶冲击能（韧性状态下冲击能）有所降低。,2控轧控冷理论,6、三种类型的控制轧制（1）促进F体细化的途径、细化A体晶粒、控轧控冷（2）控轧、第一阶段，A体再结晶区轧制1）通过反复形变再结晶，使A晶粒细化2）实际生产中动态再结晶有困难，主要发生静态再结晶。3）实际生产中每道次都发生完全再结晶是困难的，存在部分再结晶轧制，应避免产生混晶的临界压下量（10%）4）通过再结晶细化的A体晶粒为2040,2控轧控冷理论,、第二阶段，A体未再结晶区（再结晶温度以下至相变温度间）1）该阶段是控轧重要阶段2）A体晶粒被拉长并产生变形带。3）可通过多道次变形的累计作用可获得细小晶粒达1112级4）对普碳钢，A体未再结晶区狭小，加入Nb、V、Ti可使A体再结晶温度提高，扩大了未再结晶区。5）比第一阶段，可使材料强度提高，脆性转变外温度降低。,2控轧控冷理论,、第三阶段，在两相区内轧制（Ar3Ar1间）1）该区对未再结晶A体加工，还对F体加工。2）产生织构3）形变诱导析出物可使脆性转变温度降低4）工艺对性能影响大（3）进一步细化F晶粒措施、快速冷却、一定合金元素、控制钢中含碳量，降低S、P含量（提高冶金质量）、采用高温形变淬火工艺。,2控轧控冷理论,2控轧控冷理论,五、微合金元素在控轧中的作用一般微合金钢指合金元素总含量0.1%的钢，目前大量使用的Nb、V、Ti，能与C、N结合成碳化物和碳氮化物，可在高温下溶解，低温下析出。,2控轧控冷理论,1、微合金元素在热轧中溶解析出（1）轧前加热过程中溶解、Nb在A体中溶解、V在A体溶解度。、Ti在A体中溶解,2控轧控冷理论,（2）控轧时微量元素碳氮化物的析出、各阶段Nb（C，N）析出状态1）出炉前Nb（C，N）质点状态。2）出炉后冷却到轧制前Nb（C，N）析出状态，未变形A体中Nb（C，N）析出很慢。3）变形A体中Nb（C，N）析出状态，变形使Nb的析出加快（形变诱导析出），Nb（C，N）在900析出最快,孕育期最短，低温轧制(未再结晶区)加速C和Nb扩散速度。Nb（C，N）析出在晶界处以及晶内和亚晶界上，颗粒细小，控轧就是利用细小质点固定亚晶界而阻止A体晶粒再结晶达到细化目的。4）AF体转变过程中，在F体内Nb（C，N）析出。AF相变后，微量元素达高度饱和而快速析出。快速冷却析出质点小。,2控轧控冷理论,2控轧控冷理论,影响析出因素,2、微合金元素在控轧控冷中作用（1）加热时阻止A体晶粒长大、形成高度弥散的碳氮化合物小颗粒。组织A体晶粒长大（即提高钢的粗化程度）、Nb、Ti含量0.1%，提高钢粗化温度到10501100。V0.1%时，A体在950开始粗化。、钢中含Al，使A体粗化温度在900950,2控轧控冷理论,（2）抑制A体再结晶、对动态再结晶临界变形量的影响，显著阻滞形变A体动态再结晶。、对再结晶数量的影响、对再结晶速度影响。1）含Nb钢再结晶开始和完成时间都比不含Nb钢推迟。2）当Nb达到0.06%时，阻止再结晶作用达到饱和。,2控轧控冷理论,、对静态临界变形量影响。、对再结晶晶粒大小影响。1）与碳钢相比，铌钢再结晶后晶粒度较小。2）Nb在体中三种形式存在。在轧制不同阶段有抑制A体再结晶作用、加热时尚未溶到A体中的Nb（C，N），不能阻止再结晶发生发展、在1000以上时，固溶于A体中的铌推迟再结晶。、在900以下时，固溶于A体中的铌和析出的细小的Nb（C，N）都阻止再结晶进行。,2控轧控冷理论,（3）细化F体晶粒细化F体效果：Nb最显著，Ti次之，V最差。（4）影响钢的强韧性能、铌：在控轧时，产生显著的晶粒细化和中等沉淀强化。、钛：随Ti含量增加，发生强烈沉淀强化，晶粒细化中等。、钒：产生中等程度沉淀强化和比较弱的晶粒细化。,2控轧控冷理论,六、中高碳钢控轧特点1、中高碳钢A体再结晶行为。（1）Nb、C对中高碳钢A体再结晶临界变形量的影响、添加Nb可延迟A体再结晶，与低碳钢一样。、含C量对A体再结晶行为影响不大。加入铌后，随C%再结晶温度。（2）Nb、C对中高碳钢A体再结晶晶粒度的影响再结晶A体晶粒度几乎不受含C量的影响，而由压下率和是否加铌所决定。,2控轧控冷理论,2、中高碳钢控轧钢材组织状态（1）常温组织以铁素体为主的钢材（Mn1.0%）、普通轧制实验1）实验2）组织为F+P体,2控轧控冷理论,、控轧实验1）实验2）组织、压下率为35%，F体晶粒更细小，而P体变粗大。、压下率为50%时，基本上得到细小均匀F体和P体。、压下率为75%时，铁素体晶粒更细小均匀（达1213级），P也细化。、对中碳钢和Mn1%钢材主体为F体，就认为与低碳钢一样，仍旧是铁素体细化机理在起作用。,2控轧控冷理论,（2）常温组织以珠光体为主的钢材、0.43%C，1.4%Mn钢实验1）普通热轧2）控轧，再结晶区轧制。、043%C，1.38%Mn，0.023%Nb控轧由于Nb加入而处于未再结晶区，在伸长A体晶界处生成极细F体组织，但在伸长A体晶粒内形成粗大P体。,2控轧控冷理论,、这种钢种最好A体再结晶内充分轧制，尽量细化A体晶粒，可获细小均匀F体和珠光体。1）该钢中，在未再结晶区轧制对珠光体等轴状起不到有效作用2）加Nb钢在低温轧制时有时反而不利。,2控轧控冷理论,（3）共析钢、共析钢那样高碳钢的组织为单一P体。、其控制轧制只是细化珠光体团。、希望在A体再结晶区轧制，使A体晶粒细小。这样既可使珠光体球团变小，又可使析出的网状碳化物变薄。,2控轧控冷理论,3、中高碳钢组织与力学性能的关系（1）中高碳钢组织对性能的影响、对强度的影响1）影响珠光体强度的重要因素是珠光体片层间距。纯铁强度P体片层间距系数,2控轧控冷理论,2）综合各种强化因素，对F体P体钢强度的影响。（Mpa）铁素体体积比，F体晶粒平均直径mm。P体平均片距。3）成分N、Si既强化F体又强化P体，Mn只对F体有作用4）钢中100%珠光体时，珠光体片层间距越小，强度越高。5）中高碳的F体P体钢，Nb，Ti碳化物，沉淀强化可不计。,2控轧控冷理论,、对塑性影响珠光体直径越小，片层间距越小，延性越好。、对韧性影响1）可以通过细化晶粒，降低Si量和N量来保证其韧性。2）固溶强化和P体数量增多对韧性有害，细化P体球团可改善韧性。3）对100%P体钢，最佳片层距对0.8%C的钢，韧性最好。，韧性。（2）控轧中组织性能变化,2控轧控冷理论,（2）控轧中组织性能变化、控轧中强度1）含C量0.20.3%控轧，及均高。2）随C%，P体比重增多，0.4%C钢控轧，反而降低。、控轧钢材韧性和塑性1）0.2%0.8%C，含C%量越低，韧性改善程度越大。2）脆性转变温度由于控轧而降低值为0.2%C，降低70；0.8%C，降低303）断面收缩率（0.20.8%C范围内）控轧材高于普轧材。,2控轧控冷理论,、结论1）以F体为主的钢，采取控轧细化F体晶粒来提高强度和韧性。2）以P体为主的钢，通过控轧会使强度降低，韧性提高。3）对于P体为主的钢，必须采用再结晶控轧以细化A体晶粒，最终使P体球直径减少。如果采用未再结晶型控轧，会加大珠光体球直径。4）对于中高碳钢，如果同时提高强度和韧性，必须进行控轧并轧后控制冷却，使P体在低温下产生可得到细片层珠光体，强韧性提高。,2控轧控冷理论,七、钢材控制冷却理论基础1、控制冷却的目的和冷却方式选择（1）目的在不降低材料韧性的前提下，进一步提高材料的强度。,2控轧控冷理论,、低碳钢、低合金钢和微合金钢1）高温终轧的钢材轧后A体完全再结晶如果慢冷，力学性能低2）低温终轧钢材终轧时A体处于未再结晶区如果慢冷，降低控轧钢细化晶粒效果、高碳和高碳合金钢改善性能、控轧控冷结合以获得所需组织性能,2控轧控冷理论,（2）轧后控冷冷却过程三个阶段、一次冷却，至Ar3（或Arcm）的冷却目的：为相变作好组织准备。、二次冷却1）从相变开始温度到相变结束温度范围内的冷却控制2）目的：控制相变过程以保证得到所需组织性能。,2控轧控冷理论,、三次冷却1）从相变后至室温范围内的冷却2）目的：、低碳钢：空冷、Nb钢：空冷、高碳钢或高碳合金钢：空冷、快冷（3）冷却方法,2控轧控冷理论,2、轧后快冷强韧化机制（1）轧后快冷对钢材强度的影响。、轧后冷速的影响1）强度随冷速不同而变化依钢种不同而异。NbV钢比SiMn钢的提高的大。2）高温加热，控轧和控冷材强度都提高。,2控轧控冷理论,、Nb、Ti含量的影响1）Nb、Ti抑制A体再结晶并具有析出强化的元素，且控轧、控冷性能变化随Nb、Ti含量不同而变。2）Nb钢3）Ti钢4）快冷停止后的空冷发生碳氮化物细化析出，并对B体轻微回火，也对刚才性能有影响。,2控轧控冷理论,、轧后控冷强化增量分析1）控冷强化原因2）控冷材强度提高量,2控轧控冷理论,3）冷速及Nb含量对和的影响（2）轧后快冷对韧性的影响、轧后快冷对韧性的影响1）轧后冷速的影响随钢种和加热温度的不同而变化。,2控轧控冷理论,2）轧后快冷材保持较高韧性。A体再结晶区积累压下量最大，使F体细化控轧实现。控冷使F体晶粒细化，B体也细化。强度又维持较高韧性。3）控冷材在100脆性转变温度时发生层状撕裂极少。、Nb、Ti含量的影响1）在Nb钢中，控冷材比控轧材韧性改善。组织更加细化，则韧性改善。2）Ti钢、Ti%，韧性改善，当Ti%0.05%时呈饱和倾向。、控冷材比控轧材具更优异韧性。、Ti在0.02%左右，相变组织均匀细小，改善韧性。,2控轧控冷理论,一、棒材的控轧和控冷1、棒材中的控轧控冷目的2、控轧控冷技术在小型连轧机中应用（1）控轧在小型连轧机上的应用、两种类型1）两阶段控轧工艺2）三阶段控轧工艺,3、棒材及钢筋的控制轧制和控制冷却,、控轧经验高碳钢，粗轧开轧900精轧机入口轧件为925轧件出口为900低碳钢，粗轧开轧850精轧机入口轧件为870轧件出口为850轧制线上设置冷却装置以实现控温轧制。（2）微合金化钢棒材控轧控冷。（3）低温轧制、降低开轧温度。、除降开轧温度，还将终轧温度控制在700800以下。,3、棒材及钢筋的控制轧制和控制冷却,（4）控冷在小型连轧机上应用、钢筋和棒材的轧后余热淬火和自回火工艺。、A体不锈钢轧后余热固溶处理、轴承钢控冷1）利用控轧和轧后快冷工艺以获得理想的快速球化所要求预组织。2）两种工艺。,3、棒材及钢筋的控制轧制和控制冷却,二、钢筋控轧控冷1、控轧工艺2、轧后余热淬火回火工艺（1）特点（2）工艺包括三个过程、第一阶段，表面淬火阶段（急冷段）、第二阶段，自回火阶段、第三阶段，心部组织转变阶段,3、棒材及钢筋的控制轧制和控制冷却,（3）影响控冷钢筋组织性能的因素、钢筋规格尺寸与化学成分1）规格大小。2）C%、Mn%的影响3）微合金化钢筋,3、棒材及钢筋的控制轧制和控制冷却,、轧制工艺条件的影响。1）加热温度2）变形量3）变形速度4）终轧温度终轧温度和变形量决定A体是否再结晶5）降低终轧温度有利，可提高力学性能，并降低对冷却能力要求。,3、棒材及钢筋的控制轧制和控制冷却,、冷却工艺条件的影响1）终轧后到入水的时间间隔，主要影响A体再结晶程度。2）冷却速度，控冷重要参数之一，决定轧后钢筋控冷后的组织性能.依钢化学成分，A体冷却转变曲线和所要求组织性能来确定冷速。,3、棒材及钢筋的控制轧制和控制冷却,3）强冷时间，冷却速度和强冷时间决定了后的组织和性能。4）自回火温度，是钢筋轧后余热处理中关键参数，取决于快冷时间。有一合适的自回火温度范围、冷却水参数的影响冷却介质（一般为水），冷却水量，喷头压力，冷却水温度等影响冷却工艺及效果，影响了钢筋组织与性能。,3、棒材及钢筋的控制轧制和控制冷却,（4）钢筋控冷类型及方法、类型，依快冷前变形A体发生再结晶情况分1）变形A体充分再结晶法。只有相变强化而无形变强化。2）快冷前，变形A体尚未发生再结晶（或只发生部分再结晶）。、方法1）轧后立即快冷到一定时间后空冷自回火。2）二段冷却工艺,3、棒材及钢筋的控制轧制和控制冷却,（5）冷却装置、套管式、湍流管式,3、棒材及钢筋的控制轧制和控制冷却,一、线材控轧1、控轧工艺（1）常规轧制工艺（2）两段变形制度（常化轧制工艺）（3）三段变形制度,4、线材的控轧控冷,二、线材