钢材冷轧工艺培训课件(共56张PPT)

主要内容1．轧钢生产基础知识1．1钢的分类1．2铁碳相图及钢的组织结构与转变*铁碳相图(Fe-Fe3C平衡图)*钢的不同组织形态及其特性*钢在缓慢冷却时的固态转变和室温组织1．3热处理原理及工艺*热处理过程*钢在加热时的组织转变*过冷奥氏体等温转变（C曲线）*过冷奥氏体连续冷却转变*常用热处理工艺及其目的1．4轧制变形基本原理*弹性变形和塑性变形*影响金属热塑性变形的因素*前滑和后滑*轧制压力及其影响因素主要内容2．轧钢生产工艺2．1轧钢生产工艺过程及制定依据2．2轧钢生产对原料的要求2．3钢的加热工艺制度2．4轧制工艺制度（主要包括变形制度、速度制度和温度制度）*变形制度*温度制度2．5轧后冷却2．6控制轧制和控制冷却1.1钢的分类（1）按化学成分分非合金钢（普通碳素钢、优质碳素结构钢、纯铁等）低合金钢（锰含量超过1.0%，及含铌、钒、钛等）合金钢碳素钢：为铁与碳的合金，碳含量通常为0.02～2.11%。通常钢中还含有少量的硅、锰、磷、硫等元素。根据钢中含碳量的高低，碳素钢又常分为低碳钢、中碳钢、高碳钢三类。低碳钢：≤0.25%；中碳钢：0.25～0.55%；高碳钢：＞0.55%。低合金钢：对钢规定的任一元素的规定含量，至少有一种元素符合低合金钢相应元素的界限值范围，并且没有一个元素进入合金钢界限值范围。（2）按用途分集装箱钢、锅炉钢、压力容器用钢、铁道用钢、船用钢、桥梁钢、管线钢、管桩钢、电工钢等。1.2铁碳相图及钢的组织结构与转变*铁碳合金状态图及其对轧钢生产的指导意义包晶反应：δ+L→A共晶反应：L→A+Fe3C共析反应：A→α+Fe3C钢的临界点A1——在平衡状态下，奥氏体、铁素体、渗碳体共存的温度，也就是一般所说的下临界点。在铁碳合金状态图上为PSK共析转变线（727℃）。A3——亚共析钢在平衡状态下，奥氏体和铁素体共存的最高温度，也就是一般所说的上临界点。在铁碳平衡图上为GS线。Acm——过共析钢在平衡状态下，奥氏体和渗碳体共存的最高温度，也就是过共析钢的上临界点。在铁碳平衡图上为ES线。把加热时的临界点下标字母“c”，如Ac1、Ac3、Accm等，把冷却时的临界点下标字母“r”，如Ar1、Ar3、Arcm等。铁碳合金常见的组织形态及其特性奥氏体铁素体渗碳体珠光体索氏体屈氏体贝氏体马氏体莱氏体●奥氏体及其特性*奥氏体是碳在面心立方晶格铁中的固溶体。*原子间的空隙较大，所在碳在其中的溶解度要比在体心立方铁中的溶解度大得多。在1148℃时碳的溶解量最大（2.11%）；*奥氏体的强度、硬度并不高，但塑性、韧性都很好。*热轧一般在奥氏体状态下进行。●铁素体及其特性*铁素体是碳在体心立方晶格铁中的固溶体。*原子间的空隙很小，所在碳在其中的溶解度极小。室温下只能溶解0.001%，随着温度的升高，碳的溶解量略有增加，在727℃时碳的溶解量最大（0.0218%）。*铁素体很软，强度低，延展性好。●渗碳体及其特性*渗碳体就是铁和碳的化合物，它的晶格形式为密排六方。*碳在渗碳体中的溶解量为6.67%。*渗碳体硬而脆。●珠光体及其特性*珠光体是铁素体和渗碳体在727℃至室温时组成的机械混合物。*珠光体的含碳量为0.77%左右。珠光体中渗碳体与铁素体的相对量大约为1/8。当钢的含碳量为0.5%时，则有60%的珠光体和40%的铁素体；当钢的含碳量为0.77%时，其组织是100%的珠光体。*珠光体的机械性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度适中，并不脆，这是因为珠光体中的渗碳体量比铁素体量少得多的缘故。●索氏体及其特性*索氏体是铁素体与渗碳体的混合物，又称细珠光体。*索氏体是一种不稳定的组织。在C曲线上，奥氏体状态的低碳及中碳钢在600～650℃等温转变时才形成索氏体。*索氏体具有良好的综合力学性能，它既有较高的强度，又有良好的冲击韧性。*淬火后的钢加热到500～600℃回火，得到回火索氏体，其性能比索氏体好，原因在于回火索氏体中的渗碳体是颗粒状，而不是片层状。●屈氏体及其特性*屈氏体是一种最细的珠光体组织，是铁素体与渗碳体的极弥散的混合物。*屈氏体是一种不稳定的组织。屈氏体与索氏体一样可以由奥氏体等温转变获得，是奥氏体在550～600℃等温分解的产物。*比索氏体具有更高的硬度和强度。*淬火后的钢加热到300～500℃回火能得到回火屈氏体。回火屈氏体的力学性能比奥氏体直接分解得到的屈氏体的力学性能更好。●贝氏体及其特性*贝氏体是高温奥氏体在C曲线的鼻尖至马氏体开始转变点之间等温转变产物。*上贝氏体是奥氏体在550℃（鼻尖的温度）～350℃范围内的等温转变产物，其中铁素体形成密集而相互平行的扁片，渗碳体呈短片状断断续续地分布在铁素体片层之间在显微镜下，上贝氏体呈羽毛状。*下贝氏体是奥氏体在350℃～MS范围内的等温转变产物，其中铁素体成针状，极为细小的渗碳体质点呈弥散状分布在针状铁素体内。*下贝氏体除具有较高的硬度外，还有良好的韧性。●马氏体及其特性*马氏体是碳在体心立方铁中的过饱和固溶体。当奥氏体化的钢以大于临界冷却速度的速度从高温冷却到MS以下时（即马氏体开始转变温度），过冷奥氏体转变为马氏体。*马氏体形成时有很大的相变应力。*奥氏体向马氏体转变发生在一个温度范围内，转变开始温度以MS表示，而转变终了的温度以Mf表示。一般情况下MS和Mf与冷却速度无关，仅与钢的化学成分有关。*马氏体内碳含量等奥氏体内的碳含量，因此马氏体组织很脆，硬度高，而韧性很低。●莱氏体及其特性*莱氏体是1148℃时奥氏体与渗碳体同时结晶组成的机械混合物，含碳量为4.3%。*常温下，莱氏体是珠光体和渗碳体的机械混合物。*由于莱氏体中渗碳体的含量很高，常温、高温下莱氏体都具有硬而脆的性质。钢在缓慢冷却时的组织转变工业纯铁：γ、γ→α、稳定的α、过饱和的α、析出-Fe3C、铁素体+三次渗碳体共析钢：γ、γ共析分解→珠光体（片层状渗碳体分布在铁素体的基体上亚共析钢：γ、不稳定的γ、沿γ晶界析出α、γ发生共析分解、铁素体+珠光体过共析钢：γ、不稳定的γ、沿γ晶界析出二次Fe3C、γ共析分解、Fe3C+珠光体1.3钢的热处理原理及工艺*钢材的热处理:把各种钢材加热到给定的温度、保持一定的时间、用选定的冷却速度和冷却方法进行冷却，从而得到需要的显微组织和性能的操作工艺叫热处理。热处理工艺由加热、保温和冷却三阶段组成。根据不同目的应采用不同的加热温度和冷却速度。钢在加热时的组织转变亚共析钢：铁素体+珠光体→温度高于临界点Ac1后，珠光体转变成奥氏体，形成铁素体+奥氏体组织→温度继续升高，铁素体逐渐溶于奥氏体内→达到临界点Ac3时，完全是奥氏体。共析钢：珠光体→当温度达到临界点Ac1时，完成珠光体向奥氏体的全部转变→奥氏体。过共析钢：渗碳体+珠光体→温度高于临界点Ac1后，珠光体转变成奥氏体，形成渗碳体+奥氏体组织→温度继续升高，渗碳体逐渐溶于奥氏体内→达到临界点Accm时，完全是奥氏体。加热温度愈高，由珠光体转变成奥氏体及成分均匀化转变速度愈快；加热速度愈快，珠光体向奥氏体开始转变的温度愈高。●C曲线（过冷奥氏体等温转变曲线）●过冷奥氏体连续冷却转变曲线●钢的临界冷却速度当奥氏体化的钢由高温冷却时，使奥氏体不分解成铁素体与渗碳体的机械混合物，而转变为马氏体所需要的最冷却速度，称为钢的临界冷却速度。临界冷却速度是钢的重要特性。轧钢生产多数采用连续冷却，如炉冷、坑冷、堆冷、空冷等等。因为合金元素对钢的临界冷却速度有明显影响，所以合金钢轧制时冷却速度的控制就成为合金钢生产中的一个重要问题。常用热处理工艺及目的退火正火淬火回火●退火加热到临界点（Ac3或Ac1）或再结晶温度以上，保温一段时间，然后以小于在静止空气中的冷却速度进行绶冷的一种操作叫做退火。退火的目的是：（1）降低硬度，提高塑性和韧性；（2）减少残余应力；（3）消除钢中的组织缺陷，如晶粒粗大、成分不均匀等。根据加热温度不同，退火可分为扩散退火、完全退火、不完全退火、球化退火、再结晶退火等。●正火把亚共析钢加热到Ac3以上或把过共析钢加热到Acm以上30～50℃，使其全部奥氏体化，然后在空气中冷却，从而得到珠光体型组织的热处理叫做正火，也叫常化。因为正火的冷却速度比退火的冷却速度快，所以正火比退火得到的珠光体数量更多、组织更细。因此，正火钢的强度和硬度都比退火钢高。正火仅用于碳钢及低合金钢，其目的是：（1）细化晶粒；提高低碳钢的力学性能；（2）调整组织；（3）消除网状碳化物。●淬火钢材奥氏体化后以大于临界冷却速度的速度快速冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体，这种操作叫做淬火。淬火的目的是：为下一步热处理做好组织准备。经淬火和随后的回火获得良好的综合力学性能。淬火造成的组织应力很大，须用回火的办法消除。重轨端部的淬火是采用高频感应法加热，然后水淬，这种方法叫高频淬火。●回火淬火后的钢加热到Ac1点以下某温度并保温一段时间，然后冷却，从而得到较稳定的组织的一种操作叫回火。回火的目的是：（1）降低脆性，消除或减少钢在淬火时产生的内应力；（2）提高钢件的塑性和韧性；（3）对于用退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或正火）后常采用高温回火，使钢中碳化物适当聚集，从而降低硬度。回火分为低温、中温及高温回火三种。高温回火的加热温度一般为500～650℃，组织是回火索氏体。习惯上称淬火加高温回火为调质处理，能获得好的强韧性。中温回火一般为350～500℃，所得组织为回火屈氏体，具有这种组织的钢，有高的弹性极限和韧性。低温回火一般为150～250℃，所得组织为回火马氏体，能消除残余应力及降低脆性。1．4轧制变形基本原理●弹性变形和塑性变形未超过金属本身弹性极限的变形——弹性形变。各个晶粒的受力状态是不均匀的。外力超过其弹性极限，歪扭的晶格和破碎的晶粒不能恢复到原始状态，这种永久变形叫做塑性变形。组织结构破坏，晶格歪扭和紊乱，晶粒破碎，晶粒形状变化。●影响金属热塑性变形的因素有金属本身内部因素和温度等外部条件。纯金属及其固溶体的塑性好，而金属化合物的塑性很低。碳钢塑性曲线有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示塑性降低区域（凹谷）Ⅰ区:－200℃时几乎没有塑性；Ⅱ区:200～400℃，强度高而塑性低；Ⅲ区:800～950℃为相变区Ⅳ区:接近熔化温度。●前滑和后滑变形时，金属与轧辊间有相对运动，存在着金属相对于轧辊向后流动的后滑区和相对于轧辊向前流动的前滑区。在变形区内靠近轧辊的出口处，金属的纵向流动速度大于轧辊在该处的线速度，这种现象称为前滑。在变形区内靠近轧辊的入口处，金属的纵向流动速度小于轧辊在该处的线速度，这种现象称为后滑。前滑、后滑现象对连轧生产和周期断面钢材的生产具有重要意义。●轧制压力轧制压力：是轧件变形时金属作用在轧辊上的垂直于接触面积水平投影的力。*是制订轧制工艺规程和进行轧机设计的重要参数。*变形区内单位面积上的轧制压力称为单位压力。*单位压力由两部分组成，一部分是克服轧件内部滑移阻力所需要的力，称为钢的变形抗力，取决于金属的化学成分和组织状态、变形温度、变形速度及变形量；另一部分是克服金属塑性变形时产生的附加抗力。*单位压力在变形区内的分布是不均匀的。在变形区进、出口处的单位压力较小，在变形区内某一中间位置的单位压力最大。在实际生产中常用平均单位压力进行计算。*计算方法有一定的局限性，较准确的数据利用测定的办法得到轧制压力。●影响轧制压力的因素主要因素有：（1）绝对压下量在辊直径和摩擦系数相同下，压下量增加，接触面积加大，外摩擦的影响加剧，轧制压力增加。（2）轧辊直径在其他条件一定时，辊径加大，接触面积增加，同时接触弧长增加，外摩擦的影响加剧，轧制压力增大。（3）轧件宽度增加时，接触面积增加，轧制压力增大。（4）轧制温度随着轧制温度的升高，变形抗力降低，轧制压力减小。（5）摩擦系数增加时，外摩擦影响加大，轧制压力增大。（6）轧件的化学成分不同时，内部组织和性能不同，轧制压力也不同。（7）轧制速度热轧时随着轧速的增加，变形抗力增加。冷轧时随着变形速度的增大、轧件温度的升高变形抗力有所降低。2．轧钢生产工艺2．1轧钢生产工艺过程由以下基本工序