A-3不锈钢热加工温度对产品性能的影响研究

不锈钢热加工温度对产品性能的影响研究权芳民（酒泉钢铁（集团）有限责任公司，甘肃省嘉峪关市735100）摘要本文针对不锈钢热加工过程的特点，研究了不锈钢温度对变形行为的影响、热变形后组织性能的变化及退火温度对产品性能的影响，并提出了各类不锈钢热加工的温度控制措施，对于提高产品质量具有重要意义。关键词不锈钢热加工温度影响不锈钢与碳钢相比具有合金元素含量较高、导热系数低、物理性能对温度影响较为敏感、热轧中变形抗力较大和塑性变形温度范围较窄等特点。在不锈钢生产中由于温度控制不合理，容易出现各种质量缺陷，严重时会造成产品报废。因此，对不锈钢的热加工温度进行深入研究和精细控制，对于提高产品质量具有重要的意义。1各类不锈钢的热加工特点1.1铁素体不锈钢的热加工特点1）铁素体不锈钢的应用一般以薄带钢为主，使用过程中带钢表面容易产生起皱缺陷。不锈钢表面起皱是一种破坏性缺陷，发生在平行于带钢轧制的方向，表面为狭窄凸起的条纹，一般产生的原因有：一是在热轧和冷轧的加工过程中，带钢的某些结构沿轧制方向分布，由于塑性变形的各向异性而在厚度方向产生应变差引起的。二是铁素体不锈钢在凝固过程中产生成份偏析的柱状晶，并随热加工过程的进行柱状晶呈线性分布，导致材料塑性变形的不均匀而产生皱折。一般降低带钢起皱的方法有：减少连铸坯的柱状晶，增加连铸坯的等轴晶，合理控制连铸机的拉坯速度和冷却强度、热轧的轧制压下率和带钢的退火温度等。2）合理控制铁素体不锈钢的加热温度，可有效地提高钢的塑性应变和加工硬化系数。例如，对于0Cr17不锈钢，为了获得较高的塑性应变系数，热轧钢坯最适宜的加热温度应为1100～1150℃，终轧温度不应高于800℃。当钢坯温度加热到1000℃时，钢的内部组织为铁素体+细小弥散的析出物。在热轧变形后830～860℃温度退火时，钢的内部会产生细小的再结晶晶粒，可获得较好的平均塑性应变系数。因此，为了提高钢的塑性应变系数，钢坯加热温度的选择应适宜，一般应有较低的终轧温度和较高的退火温度。3）铁素体不锈钢以1～4Cr13为代表，其加热温度一般应控制在1100～1150℃。1.2马氏体不锈钢的热加工特点1）马氏体不锈钢的导热性较低，但导热系数稍高于304不锈钢，具有较大的组织应力和热应力，钢在800℃以下加热时应缓慢进行，最高加热温度不应超过1250℃，当加热温度过高时会产生晶粒过分长大和铁素体相大量增加的现象，使钢的性能降低和加工塑性恶化。2）马氏体不锈钢轧制时变形抗力较大，如4Cr13马氏体钢的变形抗力约为碳钢1.6倍，且轧制时不宜采用较大压下量，又因这种钢在900～1200℃时有较好的塑性，终轧温度应控制在850℃左右可以细化晶粒。3）马氏体不锈钢对热应力较为敏感，在冷却过程中速度应缓慢，如3Cr13和4Cr13钢应在850℃以下开始缓冷，直至温度低于150℃。4）马氏体不锈钢中Cr含量一般在13%左右，钢在加热时表面生成的氧化铁皮塑性较差且发粘，并紧贴在金属机体上，轧制时不易脱落，这种钢可通过在加热炉内采取还原性气氛，以减少氧化铁皮的生成。1.3奥氏体不锈钢的热加工特点1）奥氏体不锈钢的特性（1）不锈钢的导热系数较低，在常温时导热系数仅为碳钢的27%，并随加热温度的提高，钢的导热特性差别逐渐减少。因此，不锈钢在低温加热时升温过程应缓慢进行。（2）不锈钢低温热膨胀系数较大，如果钢的加热速度过快，其心表温差就越大，钢坯就容易产生裂纹。因此，不锈钢在600℃以下加热时应严格控制升温速度（一般为300～350℃/h）。（3）不锈钢在高温时的变形抗力较大，若钢坯加热不良，就不能使钢在塑性较好的温度范围内进行轧制。因此，这种钢的加热温度一般应控制在1240～1270℃，当加热温度过高时会使钢中铁素体含量剧增，使热轧或冷轧的带钢表面出现缺陷(边裂)，影响产品热加工性能。（4）不锈钢在900～1250℃的温度范围轧制时，具有良好的塑性，并随轧制温度的下降，变形抗力急剧增大，一般终轧温度不应低于850℃，最大相对压下量不应超过35%。（5）当奥氏体不锈钢中碳含量超过0.02%时，钢中的铬容易形成复杂的碳化物，影响钢的高温塑性。（6）不锈钢加热时加热炉应有较大的供热和调节能力，以适应不同钢种在不同产量下的加热制度，同时不锈钢加热还应采取还原性气氛，以减少钢坯表面的粘性氧化铁皮生成。2）奥氏体不锈钢加热中组织的变化（1）奥氏体不锈钢为含镍、铬的钢种，其单相区为1270℃以下温度范围，而在此温度以上为两相区，即奥氏体相加少量铁素体相，其中铁素体含量小于5%。钢中铁素体含量虽少，但在合金中起着重要作用，其含量的多少直接决定了钢的热加工性能、表面质量和力学性能。钢中铁素体含量不仅可通过镍、铬当量比来控制，而且还受到加热温度和时间等因素的影响。（2）奥氏体不锈钢在加热过程中，钢中铁素体含量随加热时间的延长而减少，在相同加热时间时钢的温度越高，其铁素体含量越少。当钢的加热温度处于铁素体+奥氏体双相区时，随着加热时间的延长，钢中铁素体含量在逐渐减少，但没有单相区加热时降低的明显。在相同加热温度时随加热时间延长，钢中铁素体含量相应减少，如在1260℃时铁素体含量最少，而在1230℃和1290℃时铁素体含量相对较高。（3）奥氏体不锈钢在高温下，钢中残余铁素体转变为奥氏体是通过合金元素的扩散来完成的，温度越高，残余铁素体向奥氏体的转变速度就越快。对于奥氏体单相以下的温度范围，在相同时间时加热温度越高，钢中残余铁素体含量越少，如316L钢在1270℃以下保温时间越长，残余铁素体的含量会不断减少，且钢的温度越高，铁素体含量减少地越快。2不锈钢热加工中温度对变形行为的影响不锈钢在热加工中，由于塑性变形而产生流变应力。通常材料变形的流变应力是由两部分组成，一部分是作用在位错上的外加应力，另一部分是与结构有关的局部应力。在金属塑性变形初期，随着应变量的增大，位错密度也在增加，同时材料的流变应力呈现增加趋势，材料的微观结构也发生一定的变化，例如晶粒的破碎、亚晶粒的形成等，但材料的结构局部应力对流变应力的影响不如位错外加应力显著。不锈钢在高温变形中，由于发生动态回复和动态再结晶，使材料的位错密度有减小的趋势，当材料位错的外加应力达到一定值时将不再增加，同时动态回复和动态再结晶也影响微观结构的变化，如多变化过程、亚晶粒长大和动态再结晶晶粒形成及长大，这又影响材料结构局部应力的变化。从理论上讲，应根据塑性变形理论来计算材料本身的流变应力，特别是动态流变应力，但因材料的化学成份、组织状态、变形温度-速率条件、变形程度和变形设备等因素的相互影响，目前还不能推导出切合实际的流变应力计算公式，但对一定的化学成份和组织状态的金属来说，其变形的温度、速率、程度和变形时间等因素构成了综合的变形条件，其流变应力可依变形条件表示如下：tTf,,,（1）金属材料在塑性变形过程中存在着一定的加工硬化，其变形抗力将随应变量的增加而增大，当应变量较小时流变应力随应变量呈线性增长趋势，当变形量很大时，位错密度的增长趋势减弱，加工硬化的效率也逐渐低于线性的增长规律，这主要是由于动态回复造成的。当变形温度较高时，加工硬化的效率降低较多，材料就会发生动态再结晶现象。2.1不锈钢的热变形行为在不锈钢变形温度一定的情况下，应变速率越小，钢中奥氏体和铁素体发生动态回复和动态再结晶越充分，材料软化过程就越显著，变形抗力也随之减小。但在变形温度一定和应变速率相同的情况下，当应变量增加超过一定值后，应力变化曲线趋于平缓，应变对变形抗力的影响不大。奥氏体不锈钢在变形的初期阶段，随着变形量的增加，变形抗力迅速上升，当应变量超过一定值后，应变量的增加对变形抗力影响不大。铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢类似，当变形程度较小时只发生动态回复现象，但当变形程度达到一定临界值时，则发生再结晶晶粒长大现象。马氏体不锈钢由于铬、镍元素的固溶强化作用，明显地提高了钢的变形抗力，但当变形程度小于一定值时，随变形量的增加变形抗力随之上升，而当变形程度达到一定量时，由于变形所引起的温度变化抵消一部分加工硬化的影响，并随变形程度的增加，变形抗力略有增加。图1为奥氏体不锈钢热变形后的显微组织（温度1150℃、应变速率0.5S-1），图2为304不锈钢应力应变图（应变速率0.1S-1），图3为430不锈钢应力应变图（应变速率0.1S-1）。图1奥氏体不锈钢显微组织图2304不锈钢应力应变曲线图3430不锈钢应力应变曲线2.4不锈钢热变形的过程分析不锈钢热加工中伴随着动态回复和动态再结晶现象的发生，一方面因为变形使位错不断增加和积累，不锈钢产生了加工硬化，并在钢的压缩初级阶段，随应变量的增加，钢的应力增大，另一方面通过热激活使钢中位错偶对消、胞壁峰锐化形成、亚晶形成以及亚晶合并等过程，使钢在应变硬化的同时发生动态回复。当动态回复难以抵消形变位错的增值积累，且位错积累到一定程度时就会发生动态再结晶现象。铁素体不锈钢在不同温度和不同变形速率下的应力-应变曲线如图4所示。从图中可以看出，不同的变形温度和变形速率下的流变曲线都遵循相似的变化规律，即在变形的开始阶段，流变应力随应变量的增加而迅速增加，当应变量超过一定值后，流变应力的增加趋于缓慢或稳定。图4铁素体不锈钢在不同应变速率下应力与应变曲线不锈钢的变形温度是影响塑性变形中流变应力的重要因素。当钢的温度升高时，钢中原子热振动的能量增加，降低了原子间的结合力，有利于金属的塑性变形，同时钢的内部滑移运动阻力减小，新的滑移系统及交滑移不断产生和开动，使金属的变形抗力随温度的升高而降低，且在变形温度较高时，钢中容易出现动态回复和再结晶现象，使金属产生软化和变形抗力降低的现象。金属在塑性变形过程中，随着变形温度的升高，金属的各种强度指标有所下降，这是因为随着变形温度的升高，钢中原子活动动能的增加，原子间临界剪切应力减小，各种点缺陷扩散速度加快，使依赖于扩散的位错开动易于进行，热激活能的作用加强，位错运动的应力减小，相应地流变应力降低。另一方面，钢在高温变形时将发生动态回复和动态再结晶，且这种软化作用随着温度的升高而增强，可减轻或消除由于塑性变形而产生的加工硬化。因此，钢的高温塑性变形过程是一种硬化和软化的动态平衡过程。在不锈钢变形的微变过程中，加工硬化起主导作用，钢的流变应力上升较快，并随变形量的增加，如果钢的硬化现象不能及时被减弱或消除，钢将会产生压裂现象。如果钢在变形过程中，钢的内部发生动态回复或动态再结晶等软化现象，而且能够抵消大部分的加工硬化，可使钢的塑性变形过程得以进行。当钢的流变应力较高时，随着变形过程的进行，为使钢的加工硬化和动态软化达到平衡，此时可通过提高温度使动态软化起主要作用，可使钢的流变应力减小和加工硬化率降低，钢内部的空位和原子扩散以及位错交滑移和攀移的驱动力加大，从而在钢中易发生动态再结晶现象。在金属压力加工过程中，位错滑移是很重要的变形因素。金属在常温下，若滑移面上的位错运动受阻，将产生晶粒塞积现象，滑移将不能继续进行，只有在较大的切应力作用下，才能使位错重新运动和增加。但金属在高温作用时，位错可通过外界的激活能和空位扩散来克服某些障碍，从而使塑性变形过程得以进行，但当塞积群中某一位错被激活而发生攀移时，位错源可能再次开动而放出一个新的位错，从而形成动态回复过程。随着变形温度的升高，变形所产生的应变硬化使位错源开动的阻力及位错滑移的阻力逐渐增大时，温度升高可使流变应力减小，并随着应变硬化的进行，促进了动态回复的进行，使金属不断软化。当钢的应变硬化与回复软化达到平衡时，流变应力就达到了一个平衡值。由此可见，对于铁素体不锈钢，钢的变形速率越慢，机体中发生动态回复和动态再结晶就越充分，钢的软化就越显著，峰值应力也越小。3不锈钢热变形后组织的变化3.1不锈钢变形的动态回复钢的动态回复主要发生在层错能较高的金属热加工中，可把变形中动态回复看成是与静态回复相类似的过程，在这个过程中螺位错交滑移和刀位错攀移，造成位错的对消和重排，并发生多边形化的过程。钢在应力作用下的动态回复中，其回复程度依赖于变形的温