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热轧钢材在线热处理技术的进展

【摘要】钢铁热处理是通过一定的加热、保温和冷却等工艺改变固态钢铁材料组织和性能的一种工艺。

1 在线热处理技术

钢铁热处理是通过一定的加热、保温和冷却等工艺改变固态钢铁材料组织和性能的一种工艺。与其他加工工艺相比,热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分,而是通过改变工件内部的显微组织,或改变工件表面的化学成分,赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量。热处理对于钢铁材料特别重要。这是因为钢铁材料在加热和冷却过程中会发生非常复杂的相变,如果能够控制热处理过程中加热、保温、冷却过程的参数,就可以在很大的程度上控制钢材的相变,从而在很大的范围内改变钢材的组织,赋予其不同的性能。热处理是人们驾驭钢铁材料、调控钢铁材料组织、挖掘钢铁材料潜力的极为重要的手段。

基本的钢铁热处理工艺有退火、正火、淬火、回火。退火是将钢加热到相变或部分相变温度,保温一段时间,然后缓慢冷却的一种热处理工艺。正火是将钢加热到完全相变以上的某一温度,保温一定的时间后,在空气中冷却的一种热处理工艺。淬火是将钢加热到相变或部分相变温度,保温一段时间后,快速冷却的一种热处理工艺。回火是将经过淬火的钢,重新加热到一定温度(相变温度以下),保温一段时间,然后冷却的热处理工艺。上述几种工艺组合还可以得到复合的热处理工艺,例如将钢件淬火,随之进行高温回火,这种复合工艺称调质处理。

上述热处理方法都是轧制成形完成之后进行的,也可以说是“离线”(离开钢材加工线)进行的。由于钢材的成形过程通常要加热到奥氏体区,如果在适宜的温度终止热加工过程,并进行随后的保温、冷却、回火等过程,则这种将变形与热处理结合在一起的过程通常称为形变热处理,英语简称为TMCP(Thermo Mechanical Controlled Processing)。由于这种热处理是在钢材加工线上进行的,所以也可称为“在线”热处理。形变热处理是形变强化和相变强化相结合的一种综合强化工艺。它包括金属材料的塑性变形和固态相变两种过程,并将两者有机地结合起来,利用金属材料在形变过程中组织结构的改变,影响相变过程和相变产物,以得到所期望的组织与性能。形变(在线)热处理将金属材料的成形与获得材料的最终性能结合在一起,简化了生产过程,减少能源消耗及设备投资。与普通热处理比较,形变热处理后金属材料能达到更好的强度与韧性相配合的力学性能。

对于钢铁材料轧制过程,很长一段时间这种形变热处理过程只是限于轧制和冷却过程的控制,基本未涉及在线回火等升温过程,故称为“控轧控冷”。有时候“控轧控冷”也被称为“TMCP”。要注意的是,TMCP实际上意义更为广泛,除了冷却之外,它还包含回火等升温过程。

2 在线热处理技术在钢铁领域发展历程

热处理工艺伴随钢铁材料的发展而发展。普通的离线热处理已经有上千年的历史了。而形变热处理则是在上一世纪得到了迅速的发展。控制轧制和控制冷却技术就是一个有代表性的例子。

在第二次世界大战之前,只是进行了一些低温控制轧制的零星的研究。二次大战中焊接结构船只发生脆断事故,人们开始进行提高材料低温韧性的研究。当时研究的主要目标是利用控制轧制代替正火,通过晶粒细化提高材料的低温韧性。到上一世纪60年代,控制轧制技术发展的驱动力来自能源工业的发展,主要是管线钢的需求。以Nb的微合金化为重点,采用控制轧制技术,得到了性能优良的管线用钢。至上一世纪70年代,人们逐渐认识到控制冷却技术对提高材料性能的重要意义,各个大公司分别开发了各种类型的加速冷却系统。控制轧制和控制冷却从理论到实践取得了长足的进步,人们开始了控制轧制和控制冷却的新纪元。在此阶段,采用一定的合金设计和相应的控制冷却,可以实现相变强化,借此开发了低碳贝氏体钢、针状铁素体钢、超低碳贝氏体钢等。以后,随着汽车轻量化的需求日益迫切,热轧汽车用双相钢、TRIP钢等相变强化钢受到人们的重视,人们采用合理的热轧后冷却路径控制实现钢材的性能控制,控制冷却又取得新的进展。到上一世纪80年代,日本等钢厂开发了在线淬火设备,直接淬火技术逐渐应用于实际。随着冷却技术的应用,国际上开发了一批控制冷却实用装置,例如日本的OLAC(日本钢管)、CLC(新日铁),DAC(住友)等和欧洲的水枕式、水刀式冷却等,1985年召开的国际会议“ACCELERATED COOLING OF STEELS”对此进行了总结。

至世纪之交,在线热处理又出现了两个新的变化。其一是以UFC、Super-OLAC等为代表的超快速冷却装置出现,为在线热处理的冷却过程提供了新的手段。采用超快冷的新的控制轧制和控制冷却技术与前面所说的传统的控制轧制控制冷却在细晶、析出、相变等过程的控制上,采用了不同的思路,因而有可能赋予材料更为优良的性能。其二是出现在线回火等升温过程,“离线”的热处理过程进一步“在线化”,TMCP技术又有了新的发展。这两项新的变化,都为在线热处理提供了重要的调整手段,这必然会促进在线热处理的柔性化。

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