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一种极具灵活性的高性能淬火工艺

一种极具灵活性的高性能淬火工艺


1前言
近年来,高强度钢板的应用得到积极应用,以响应汽车车身减重从而减少CO2排放和提高汽车碰撞性的要求。从防腐蚀的角度也扩大了合金化镀锌(GA)钢板在汽车面板的使用。不过,随着钢板强度提高,伸长率趋向降低,因此,强烈需要同时具有高强度和高延性钢板。
在此背景下,JFE开发出高El型TS 590-980MPa级合金化镀锌高强度钢板,与常用钢板相比,伸长率提高20%,在DP钢中加入Si,提高铁素体相的加工硬化。通过控制显微组织,降低多种相之间的硬度差异,也开发出扩孔性能和弯曲性能改善的高El和λ型TS 590-980MPa钢板。
2开发钢中延性改善机理
2.1 Si对力学性能影响
提高软的铁素体相的体积分数通常被认为可改善复相钢板的延性,不过,关于铁素体相延性改善的认识有限,而且也没有关于Si的加入对性能影响的研究先例。因为铁素体相延性改善被看出是一种改善DP钢延性的途径,所以研究了Si的加入对单相铁素体钢的延性影响。
利用无间隙原子(IF)钢中分别加入1.0%Si和2.0%Mn,研究Si的加入对铁素体单相钢的延性影响,成分见表1。表2给出1.0%Si和2.0%Mn钢的力学性能。尽管1.0%Si钢抗拉强度高于2.0%Mn钢,但1.0%Si钢总伸长率高。1.0%Si钢颈缩伸长率与2.0%Mn钢相当,而1.0%Si钢的均匀伸长率高些。从这些结果可以认为1.0%Si钢总伸长率是通过提高了均匀伸长率,也就是加工硬化改善而得到改善。
表1 研究钢化学成分 %
钢种
C
Si
Mn
Ti
Nb
加Si
0.0013
0.97
0.09
0.036
0.005
加Mn
0.0013
0.02
1.98
0.035
0.006

表2 1.0%Si钢和2.0%Mn钢力学性能
钢种
YS
MPa
TS
MPa
T.El,%
U.El
%
L.El
%
TS×T.El
MPa·%
TS×U.El
MPa·%
TS×L.El
MPa·%
n
10-20%
1.0%Si
242
402
41.4
23.6
17.8
16643
9487
7155
0.24
2.0%Mn
211
374
40.1
22.4
17.7
14997
8378
6620
0.22

为了弄清加入Si后延性改善的原因,测量了1.0%Si和2.0%Mn钢的真应变与加工硬化的关系,结果如图1所示。可以看出,在任何应变下,1.0%Si钢的加工硬化率均高于2.0%Mn钢。换句话说,1.0%Si钢在大应变区的高加工硬化率导致均匀伸长率的改善。

图1 1.0%Si和2.0%Mn钢的真应变与加工硬化的关系

图2 真应变与位错密度关系
2.2 Si对位错密度和位错结构的影响
通常,钢的加工硬化量与位错密度的平方根成正比。1.0%Si和2.0%Mn钢的真应变与位错密度的关系如图2所示。尽管两种钢的位错密度均随真应变的增加而增加,但是在任何应变下,1.0%Si钢的位错密度均高于2.0%Mn钢。特别是在高应变区,1.0%Si钢位错密度增加速率均高于2.0%Mn钢先进高强度钢(AHSS)的需求正逐渐增加,其应用越来越多,特别是汽车市场。为满足这一特殊需求,已经开发了许多钢种。基于马氏体相变的最高强度等级钢种的生产,不得不按照连续冷却转变图(CCT)满足冷速的要求。
如果冷却速率太低,钢中就需要添加更多的额外的其他元素,例如硅或钼,以避免上部分相的形成,例如珠光体和贝氏体代替了马氏体。然而,这些增加的元素对钢焊接性和成形性等性能有害。
因此,未来的生产线上,要降低这些添加元素含量,就意味着需要显著增加退火周期的冷却速率。可以通过提高喷气冷却段的H2含量来实现更高的冷却速率。这种技术可以使冷却速率达到200℃/s/mm,这种技术适合生产大多数的双相(DP)钢。对于AHSS中最高抗拉强度的钢,优选低C的化学成分,主要是为了避免焊接脆性和内裂并且提高扩孔性。
连续退火线生产先进高强度钢需要严格控制冷却,以控制钢卷强度偏差,并提高整卷性能的均匀性和成形性。为满足先进高强度钢所需的特征,湿闪蒸冷却为钢带冷却提供了更加灵活的控制。本文介绍了淬火工艺对AHSS生产不断变化需要的新挑战。
1现有工艺
为了获得超高的冷却速率,已经开发了水淬工艺并应用在工业退火线上超过30年。为了提高钢的力学性能,水淬(WQ)后需要对钢进行回火处理。典型的退火周期示意图如图1所示。应该指出,回火处理需要在WQ冷却后进行高功率感应加热处理。
但是,这种WQ工艺必须满足下列几点要求:
1) 带钢冷却率高达1000℃/s(钢铁企业通常期望的冷却速率约400℃/s)。
2) 在整个工艺过程中,需要精确控制冷却速率并且使带钢有良好的热均匀性。因此,可以使带钢获得良好的横向力学性能以及良好的板形。
3) 带钢WQ冷却开始温度和结束温度选择的灵活性。

温度、时间、回火
图1、典型的有水淬(WQ)工艺的退火周期示意图
为了符合这些要求,作者所使用的工艺基于了“薄膜沸腾(表层沸腾)”的条件。
2开发方案
关于预期的冷却速率,目前的淬火技术达到足够的性能(这些钢级带钢的典型厚度为1.5mm)。然而,关于温度的灵活性,所有技术都无法令人满意,特别是在带钢有良好横向温度均匀性的任何温度时设备能停止冷却的能力。为此,Fives Stein开发了一种用喷嘴代替水槽的冷却技术。
因此,出于这个目的创建了发展计划。进行了大量的研发,包括:
u 数值计算。
u 设备试验检测平台,用以去表征喷嘴的传热性能,研究冷却的均匀性和操作的灵活性。
u 设备设计,以便能在水平和垂直布置时进行操作,并且适用于所有钢种。
u 工业运行。
3冷却速率
在这项研究中,为了优化冷却喷嘴的网孔,测试了各种几何排列的喷嘴。目的是根据这几个参数去表征并提高传热系数。开发了一个试验检测平台,包括钢样品的加热和冷却(图2)。

1 带喷嘴的收集器 2 压力计 3 试验钢板 4 钢丝绳马达 5 大梁
6 带位置传感器和数据记录器的小车,数据记录器能记录温度及试验钢板的位置
7 加热器 8 水箱 9 泵 10 控制阀
图2 试验测试平台简图

该试验测试平台由下列几部分组成:
u 装有热电偶的测试板。
u 垂直小车支撑钢板,能够使小车上下移动。
u 钢板加热装置。
u 冷却系统。
在冷却试验前,钢板向上移动至加热器,加热钢板至900℃。然后接通冷却系统,并且钢板以180mpm的恒定速度向下移动。
因此,这个测试是根据工业条件进行的全面测试。此次测试引出了一套喷雾几何布置,随后被安装在工业生产线上。
随后,我们细化了设计,设计出了第二种更有效的喷嘴布置。在第二种几何布置中,喷嘴网孔更加密集,并且带钢距离喷嘴更近(100mm取代了第一次设计的250mm)。
此外,众所周知,带钢冷却时,特别是低于500℃(Leidenfrost 温度)时,此类技术的热交换系数更好。
图3清楚地显示出最终的带钢温度对整个冷却速率的影响(初始温度900℃)。

整个冷却速率(℃/s)、最终的带钢温度
图3 最终的带钢温度对整个冷却速率的影响(初始温度900℃)。

实验结果总结如图4,图4表明水压对平均冷却速率的影响。第一种几何布置在约5bars水压时达到最佳性能。
第二种几何布置在低压时效率较低,但较高压力时有较好的效果。水压12bars,温度从900℃降低到200℃时的平均冷却速率大约为1500℃/s。
在工业设计中喷嘴通入了水和氮气。在试验测试平台用空气来代替氮气。通过水压来控制带钢的冷却速率(图4)),并对气体流量进行了相应调整。
可以分别控制每组喷嘴的水压,以便控制整个冷却期间的冷却速率。也可以关掉部分喷嘴以改变冷却方式。

平均冷却速率(℃/s)、水压(bars)
第二种几何布置、第一种几何布置
图4 从900℃冷却到200℃时,两种喷淋配置的水压对平均冷却速率的影响
4冷却循环的灵活性
传统的水淬火工艺,最终的带钢温度接近水温(任何情况都低于Mf)。这需要进行回火来对带钢进一步加热。
湿闪蒸冷却工艺可以对整个冷却曲线进行控制,例如带钢初始温度和最终温度以及冷却速率。这使得产线不仅有能力生产相变诱导塑性(TRIP)钢,而且可以生产QP钢。QP钢的生产过程中,需要将钢板冷却到预定淬火温度使得钢板发生奥氏体到马氏体的部分相变,然后在一个合适的温度进行配分,在此阶段发生碳从过饱和马氏体向奥氏体的迁移。退火工艺曲线实例如图5所示。
温度、时间、水淬、配分
图5、淬火配分工艺示意图
由于控制冷却速率的能力,很明显该工艺非常适合生产所需的组织结构(图6)。
干喷冷却的冷却速率可以通过吹入气体中的H2含量来控制,与干喷冷却技术相比,湿闪蒸冷却提供了更广泛的工艺窗口,如图6所示。

带钢温度、时间、气体冷却
图6 典型连续冷却转变图中不同冷却速率的对比(C 0.2%,Mn1.2%,Si 0.2%)。
与传统气体喷射冷却技术的对比。
5工业应用
这种开发理念已在一家大型钢厂的退火线上通过4年多的工业生产而得到了证明。图7给出了典型的冷却通道示意图。此冷却系统可以在轧制线上垂直向上或向下或水平配置。
喂入喷嘴的水流量很低(图8),特别是当与其他技术相比时。
工业运行证实带钢有良好的横向热均匀性。
6结论
湿闪蒸冷却工艺是在退火线上生产从商业等级钢到马氏体钢所有钢的有效工艺。喷嘴设计和网孔几何尺寸带来了更灵活的冷却方式。在任何带钢温度都能停止冷却的能力是生产如QP钢等特殊钢最感兴趣的
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