控制轧制与控制冷却在线材生产中的作用

控制轧制与控制冷却在线材生产中的作用卜安思（大连理工大学材料成型及控制工程10级）[摘要]控制轧制、控制冷却是80年代国际重大轧钢新技术，在线材生产中具有重要作用，合理制定控轧控冷工艺就能改善线材的组织和性能。并阐述了控制轧制和控制冷却的机理，控轧控冷技术的冶金学原理，线材控制轧制和控制冷却的方式及特点以及线材控制轧制和控制冷却的目的。具有广阔的前景和重大战略意义。[关键词]控制轧制；控制冷却；线材生产Abstract：Controlrollingandcoolingisanewtechnologyinthe80time,andithasanimportantroleintheproductionofonlinematerial.Itcanimprovethestructureandpropertiesofthewirerodbysettingthecontrolcoolingtechnology.Themechanismofcontrolledrollingandcontrolledcoolingandthecontrolprinciple,metallurgyrollingandcoolingtechnology,wirerollingcontrolandcoolingcontrolmethodsandcharacteristicsandpurposeofwirecontrolledrollingandcontrolledcooling.Hasbroadprospectsandgreatstrategicsignificance.KeyWords：Controlledrolling;Controlcooling;Wirerodproduction1引言控制轧制是在热轧过程中通过对金属加热制度、变形制度和温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的轧制新工艺。控制冷却是控制轧后钢材的冷却速度达到改善钢材组织和性能的目的。单纯的控制轧制或控制冷却以及将二者结合在一起的技术称为TMCP。通过科学合理的控制扎制和控制冷却工艺，可以使线材的强度和低温韧性有较大的改善，同时节省能源并使生产工艺简化，可以充分发挥合金元素的作用。通过控制扎制之后的控制冷却，可以对冷却过程的相变进行控制，实现相变强化、细晶强化及沉淀强化等多种强化机制的有效结合，进一步提高钢材的综合使用性能[1-2]。2控轧控冷技术的冶金学原理2.1钢的强化机理及对韧性的影响钢的强化机理主要有：固溶强化、析出强化、位错强化、细晶强化(晶界强化、亚晶强化)、相变强化等。固溶强化，通过添加C，Mn，Si，Ni等合金元素来获得。通过添加Nb，V，Ti微合金元素及采用控制轧制工艺可实现细晶强化、析出强化、位错强化。在采用强化手段提高钢的强度的同时，还必须考虑到强化手段对钢韧性的影响。通常固溶强化(Ni元素除外)、析出强化、位错强化的结果导致脆性转变温度升高;而细晶强化使脆性转变温度下降。因此通过控轧工艺以获得细小铁素体晶粒及采用奥氏体和铁素体两相区轧制获得铁素体亚晶组织，在提高钢的强度的同时，又可以降低脆性转变温度。加入Nb，Ti微合金元素后，由于析出强化使屈服强度上升，同时脆性转变温度也上升。当采用控轧工艺后，细晶强化与析出强化共存，使屈服强度上升，脆性转变温度下降，即提高了钢的强韧性。V微合金元素细晶强化不明显，对改善钢的韧性不利，一般需与Nb组合使用，发挥V的析出强化和Nb的细晶强化的综合使用，以改善钢的强韧性。钢中第二相组织的存在，对脆性转变温度有不利影响，因而尽可能降低其体积比或细化第二相组织使其均匀分布。综合上述，细晶强化是提高钢强韧性的最佳手段。2.2获得细小铁素体晶粒的途径——三阶段控制轧制原理图1给出了多种控制轧制工艺与相变后组织之间的对应关系。如上所述，细晶强化可获得高的强韧性，它可通过奥氏体再结晶区域控轧、奥氏体未再结晶区域控轧、奥氏体和铁素体两相区控轧来获得细小铁素体晶粒。图1各温度区域轧制后相变终了组织示意图[3]2.2.1奥氏体再结晶区域轧制(≥950℃)在奥氏体再结晶区域轧制时，轧件在轧机变形区内发生动态回复和不完全再结晶。在两道次之间的间隙时间内，完成静态回复和静态再结晶。加热后获得的奥氏体晶粒随着反复轧制——再结晶而逐渐变细。图中第Ⅰ阶段，由于轧件温度较高，奥氏体再结晶在短时间内完成且迅速长大，未见明显的晶粒细小。随着轧制温度的降低，轧制道次的增多(即:再结晶次数的增多)，在低温再结晶区域(图中第Ⅱ阶段)轧制时，晶粒细化效果明显，强化作用充分体现出来，相变后的组织为细小等轴的铁素体晶粒和珠光体组织。2.2.2奥氏体未再结晶区域轧制(950℃～Ar3)在奥氏体未再结晶区域(图中第Ⅲ阶段)轧制时，由于轧后的奥氏体不产生再结晶，因此随着轧制道次的增加，变形奥氏体晶粒沿轧制方向逐渐拉长，且在变形奥氏体晶粒中形成大量的变形带和位错。变形奥氏体的晶界、变形带及位错等处是铁素体形核部位。随着变形量的增大，变形带数量增多，而且分布更均匀。另外奥氏体晶粒被拉长后，将阻碍铁素体晶粒的长大，因而相变后可获得更加细小的铁素体及珠光体组织。对于微合金钢而言，微合金元素的碳氮化合物在相变时，优先在奥氏体晶界、变形带、位错处析出，从而阻碍铁素体、珠光体晶粒的长大。2.2.3奥氏体和铁素体两相区轧制(Ar3)在(γ+α)两相区(图中第Ⅳ阶段)高温区域轧制一定的道次，达到一定累积变形量，未相变的变形奥氏体由于变形而继续被拉长。同时晶粒内形成的变形带及位错，在这些部位形成新的等轴铁素体晶粒。而先析出的铁素体晶粒，由于塑性变形在晶粒内部形成大量的位错，并经回复形成亚晶结构。这些亚晶结构使钢的强度提高，脆性转变温度降低[4]。经(γ+α)两相区轧制后，室温条件下金相组织较复杂，通常为由极细小的等轴铁素体、拉长的铁素体、具有亚晶结构的变形铁素体、极细小的珠光体组成的混合组织。两相区轧制使相变后组织更加细小，同时产生了位错强化及亚晶强化，从而进一步提高了钢的强度和韧性。2.3控制冷却的强韧性机理尽管控制轧制能有效地改善钢材的性能，但由于热变形因素的影响，使得钢的相变温度(Ar3)提高，致使铁素体在较高温度下析出，在空冷过程中铁素体晶粒长大，从而使控制轧制效果受到限制。因此，控制轧制必须配合加速冷却(即:控制冷却)工艺，降低相变温度，进一步细化铁素体及珠光体组织，同时使Nb，Ti，V微合金元素的碳氮化合物更加弥散析出，进一步提高析出强化效应。当冷却速度达到一定值时，轧后加速冷却得到的相变组织从铁素体和珠光体组织变成更细小的铁素体和贝氏体组织，贝氏体量随着冷却速度加快而增加，且生成的贝氏体组织极细，从而使钢板强度进一步提高。体现钢韧性指标的脆性转变温度受多种因素影响。晶粒细化使脆性转变温度降低，而析出强化效应增强，珠光体和贝氏体的体积分量增加，使脆性转变温度升高。加速冷却后最终脆性转变温度是降低还是升高，取决于上述两方面因素的综合作用结果。只要合理选取加速冷却工艺，能在提高钢的强度的同时，维持高的韧性指标。3控制轧制和控制冷却的机理线材的控轧控冷实质上是通过控制轧制工艺参数和轧后冷却参数来控制钢材的相变点和组织形态以生产出满足人们需要的钢种。3.1控制轧制机理热塑性变形过程中或变形之后的钢组织的再结晶在控制轧制中起决定作用，奥氏体晶粒的细化是控制轧制的基础。热变形从形变的角度考虑是降低变形抗力和提高钢的塑性变形能力。从组织控制的角度考虑是:完成钢的奥氏体组织的控制;在一定的奥氏体组织条件下进行形变，通过对形变条件的控制，实现对变形过程中组织的控制为相变做组织准备;控制相变过程，以获得要求的组织和性能。不同的相变前的奥氏体组织，相变后组织就会不同，性能就不同。奥氏体化条件不同、形变条件的不同，热变形过程中会出现不同的动态回复过程(动态回复、动态再结晶)、静态回复过程(静态回复、静态再结晶)，而不同的回复过程会形成各种热变形条件下钢的组织变化[3-5]。3.2控制冷却机理高温终轧的线材，轧后处于奥氏体完全再结晶状态，应采用轧后快速冷却。因为如果轧后慢冷，则变形奥氏体晶粒将在冷却过程中长大，相变后得到粗大的铁素体组织。由于冷却缓慢，由奥氏体转变的珠光体粗大，片层间距加厚。这种组织的力学性能较低。对于低温终轧的线材，终轧时奥氏体处于未再结晶温度区域，由于变形影响Ar3温度提高，终轧后奥氏体很快就相变，形成铁素体。这种在高温下形成的铁素体长大速度很快。如果轧后采用慢冷，铁素体就有足够长大时间，到常温时就会形成较粗大的铁素体，从而降低了控制轧制细化晶粒的效果。轧后快冷实质上是控制轧制后细化了的变形奥氏体组织。经过快速冷却，相变组织相应变化，钢中析出物的大小、数量、析出部位发生变化，从而使钢材的强韧性得以提高。对于高碳钢和高碳合金钢轧制后控制冷却的机理则是防止变形后奥氏体晶粒长大，降低以致阻止网状碳化物的析出量和降低级别，减少珠光体球团尺寸，改善珠光体形貌和片层间距，从而改善钢材的性能[5-7]。4线材控制轧制和控制冷却的方式及特点4.1控制轧制的方式及特点线材为了获得高强度、高韧性的综合性能，可以采用不同的控制轧制工艺来达到。根据热扎过程中变形奥氏体的再结晶状态不同，相变机制不同，将其划分为四个阶段，图2描述了四个阶段的组织变化情况[8-10]。图2控轧控冷工艺的四个阶段第一阶段为再结晶奥氏体(γ)区域轧制(约950℃以上)。在高温轧制后急速进行再结晶，此阶段将因加热而粗化的奥氏体晶粒经反复轧制一再结晶进行细化，再结晶区轧制是通过再结晶进行奥氏体晶粒的细化，此阶段中奥氏体的进一步细化较为困难，它是控制轧制的准备阶段。第二阶段是未再结晶奥氏体区域轧制(约950℃～Ar3之间)。随着轧制温度的下降，奥氏体再结晶被抑制，仍保持加工硬化状态。随着压下量的增加，奥氏体晶粒伸长，同时晶粒内有大量形变带和位错。这是控制轧制最重要的阶段。第三阶段是在(γ+α)两相区轧制(约Ar3以下)。在此区轧制时，未相变的奥氏体晶粒更加伸长，同时，晶粒内形成了形变带及位错，在这些部位形成新的等轴铁素体晶粒。先析出的铁素体晶粒由于塑性变形，在晶粒内部形成大量的位错，经回复形成亚晶结构。这些亚晶结构使钢的强度提高，韧脆转变温度降低。两相区轧制使相变后的组织更加细小，同时产生了位错强化及亚晶强化，从而进一步提高了钢的强度和韧性。第四阶段为轧后加速冷却。在特定温度区(500℃～600℃)内增加冷却速度，使未相变的γ晶粒发生相变，变成微细的多边化晶粒。α晶粒更加细密，且内部包含亚晶粒，这种包含亚晶粒的混合组织可使强度增大[8-10]。采用什么类型的控制轧制工艺，取决于钢的化学成分，对成品钢材组织性能的要求，轧机的设备条件和工艺水平以及对轧机产量的要求等等。特别是轧机后面是否具备钢材控制冷却设备，冷却设备能力的大小都直接影响到控制轧制工艺的选择。4.2控制冷却的方式及特点线材轧后的冷却方式分为自然冷却和控制冷却。线材轧后控制冷却过程分为3个阶段。1.一次冷却从终轧温度开始到奥氏体向铁素体开始转变温度Ar3或二次碳化物开始析出温度Ac范围内的冷却，其目的是控制热变形后的奥氏体状态，阻止奥氏体晶粒长大或碳化物析出，固定由于变形而引起的位错，加大过冷度，降低相变温度，为相变做组织上的准备。一次冷却的开始快冷温度越接近终轧温度，细化奥氏体和增大有效晶界面积的效果越明显。2.二次冷却热轧钢材经过一次冷却后，立即进入由奥氏体向铁素体或碳化物析出的相变阶段，在相变过程中控制相变冷却开始温度、冷却速度和停止冷却温度等参数，就能控制相变过程，从而达到控制相变产物形态、结构的目的。3.三次冷却相变之后直到室温这一温度区间的冷却。一般钢材相变后多采用空冷，冷却均匀，形成铁素体和珠光体。此外，固溶在铁素体中的过饱和碳化物在慢冷中不断弥散析出，使其沉淀强化。对一些微合金化钢，在相变完成之后仍采用快冷工艺，以阻止碳化物析出，保持碳化物固溶状态，达到固溶强化的目的。用于高温钢材冷却有三类冷却方式，其常用