钢材性能控制

钢材性能控制(propertycontrolofrolledsteel)钢材在塑性加工过程中除了获得所需的最终形状和尺寸外,同时根据使用的要求控制其内在组织结构的演变以获得所期望的优良性能的工艺过程。钢材的性能主要取决于钢的内在组织结构,而组织结构又取决于钢的化学成分和生产工艺。根据用途不同,对钢材


钢材性能控制(propertycontrolofrolledsteel)

钢材在塑性加工过程中除了获得所需的最终形状和尺寸外,同时根据使用的要求控制其内在组织结构的演变以获得所期望的优良性能的工艺过程。钢材的性能主要取决于钢的内在组织结构,而组织结构又取决于钢的化学成分和生产工艺。根据用途不同,对钢材性能的要求也各异,能在加工过程中控制的几种有代表性的性能是:强韧性能(见强韧性控制),电磁性能,冲压性能,拉拔性能,热强性能和疲劳性能。

电磁性能的控制在磁性材料中,硅钢片是重要的产品,它是电力和电讯工业的重要原材料,用以制造发电机、电动机和变压器等的铁芯。它的质量水平直接关系到能否大幅度地节能省电。硅钢片分冷轧的和热轧的,冷轧的又分取向的和无取向的,其中以冷轧取向硅钢片的质量最高(见硅钢薄板生产),但生产工艺复杂,技术难度大,加工过程对其电磁性能有重大影响。

硅钢的组织结构是由体心立方的α铁固溶体(固溶硅原子)的晶粒组成的,其磁性能沿各晶向的方向而异,[001]方向磁性最优,称易磁化方向,而[111]方向磁性最差,称难磁化方向,[110]方向磁性居于以上二者之间。在[001]方向上之所以具有优良的磁性是因为每个磁畴的磁化矢量分布于晶体这个轴上。在平时由于许多磁畴的相互混乱排列而显示不出磁性,但磁化时,由于磁畴转动到一致的方向,而显示出磁性。原先就分布在[001]方向上的磁畴能量最低,磁化时消耗的能量也最少,所以最易磁化,磁滞损耗也最小,磁感应强度也最大。

优良磁性的冷轧取向硅钢片具有(110)[001]织构,也叫戈斯(N.P.Goss)织构。轧制时,它的[001]方向应平行于轧制方向,(110)晶面平行于轧制面。用这种织构的冷轧硅钢片制造变压器和大型电机铁芯时,使轧制方向平行于磁化方向,产品性能质量可大为提高,体积减小,省材节电。但生产这种冷轧取向硅钢片时,钢中需有一定数量的有利夹杂,例如MnS或AlN等,而作为有利夹杂物应具备以下两个条件:(1)能强烈抑制初次再结晶晶粒的正常长大,却能让作为二次再结晶晶核这类有利夹杂的质点必须细小而又弥散均匀地存在于钢中。

(2)在二次再结晶温度范围(820~1000℃),有利夹杂应聚集并随温度升高而溶解,促使二次再结晶晶粒非连续性突然长大,即使(110)(001]取向的一些个别大晶粒吞并周围的初次再结晶的小品粒而长大。由于这些有利夹杂物中的硫和氮对磁性是不利的,应使它们在高温退火中能被介质除掉。

但是要使有利夹杂物实现上述要求,必须对生产该钢的加热、轧制和热处理等加工过程加以科学而严格的控制。板坯在加热时一般要高温(≥1350℃),使有利夹杂物充分固溶;钢坯热轧成带后,除了冷却速度宜快外,还应低温卷取(550℃左右),卷后要缓慢冷却,促使析出的有利夹杂物细小弥散。加MnS的钢要经二阶段冷轧,加AlN的钢(高磁感HiB硅钢片)只经一阶段冷轧,它们有各自最佳的变形量范围。这不仅是达到成品厚度所需,也是为形成戈斯织构前需获得某些变形取向织构(如(111)[1lO]织构)的条件。冷轧前后的低温热处理,目的是为了脱碳和消除加工硬化。最后高温退火(一般在H。的气氛中进行)为的是使戈斯织构择优形核和优先长大,最后高温段H。形成H:S和NHs除掉成品钢中的s和N。

生产热轧硅钢片,为了提高磁性,将叠轧薄板(见叠轧薄板生产)的终轧温度提高到>~650℃,然后迅速放入水槽中浸渍快冷,使钢中的碳过饱和固溶,并保存加工变形应力,作用是尽可能提高钢中畸变能,使紧接在退火时形成有利织构,在工业生产中如此控制,其磁性可提高1~2个牌号。

冲压性能的控制冲压或拉延是金属塑性加工方法之一,用以使板材成为各类形状和大小的壳体,它们是生产交通工具和人们生活用品不可缺少的部件(见深,中钢板生产)。好的冲压性能是延伸率大和屈强比(以/巩)小,硬化指数大,屈服平台小(防止吕德斯带即变形滑移带产生,它将导致冲压件表面质量恶化)。但实际中常用板材在宽度和厚度方向上产生塑性应变比r(希望>1)和板材平面四个方向(90、O和两个45)的塑性应变比的平均值r的大小来衡量冲压性能的好坏。

实践证明,与板材板面平行的{111}晶面和与板面垂直的<111)方向的织构(多以饼晶形态出现,并使板厚方向难变形)越多,r值就越大,深冲性能就越好;相反若是{100)织构,则性能就坏。对含有AlN的低碳钢(如08A1)在加工过程中进行如下控制,有利于钢板饼晶生长:板坯加热时温度宜高和时间宜长,使A1N颗粒充分固溶;热轧时速度宜快和终轧温度不宜太低(≥840℃),轧成钢带要喷水快冷和低温卷取(≤620℃),防止AlN析出;冷轧时要控制总变形量约65%,使晶粒压扁和拉长;再结晶退火时要求升温缓慢,并有一段保温时间,使AlN从过饱和变形铁素体中沿晶界和变形带弥散析出,这样有利于{111}织构形成。再结晶退火后形成AlN还能固定自由N,减少或消除对位错的钉扎作用,使屈服极限下降。退火后钢板经平整压下(变形率约1%)防止吕德斯带产生。

近代开发的双相钢板有优良的冲压性能。如一种用控制轧制和控制冷却技术生产的、由铁素体和少量马氏体组成复合相的热轧卷板,其性能是低屈服强度、无屈服点延伸和高的加工硬化率。这种低碳钢适当加入Cr、Mo等元素使相变残余奥氏体稳定,并控制低的终轧温度(850℃左右),产生形变诱导相变,使连续冷却曲线上贝氏体形成区缩小,产生两相分离。因此要求热带轧后在辊道上立即水冷至720℃左右,然后空冷,促使过冷奥氏体充分转变为铁素体,并在珠光体出现前(约680℃),再次水冷至600℃,最后卷取。这样使富集有碳的残余奥氏体转变为马氏体,避免了形成对冲压性能不利的珠光体和贝氏体组织。

拉拔性能的控制拉拔是压力加工技术领域中一种重要的生产方法,用得最多的是将热轧盘条(线材)拉拔(一般冷拉,还有温拔)成钢丝(见金属丝拉拔)。在钢的成分和冶炼质量已定的条件下,为了改善钢的拉拔性能,关键是对拉丝原料(盘条)的性能在热加工生产过程中加以控制。好的拉拔性能表现在线材(分低碳、中碳、高碳以及合金钢等)的金相组织上,根据钢的成分通常要求:晶粒细小、均匀;珠光体球团化和片层薄(≤o.3pm),最好索氏体化(片层间距约O.1gm);晶间没有网状碳化物。这样的线材拉拔时不易断裂,断面减缩率高,中间软化退火次数减少。为此,线材轧后成卷时,在高温终轧后(约1000℃)快速水冷(如300℃/s),冷到相变区(如500~700℃),然后空冷成卷。如此控制这不仅能改善钢的显微组织,而且使卷的中心圈和外圈的温度均匀,氧化铁皮也减少,经酸洗后表面光滑,这均能提高钢的拉拔性能。

中国一些线材厂,对φ6.5mm的65钢硬线轧后采用湍流管冷却器穿水冷却,由于晶粒度提高1~2级,截面外层珠光体呈索氏体化,特别是通条组织均匀,表面氧化铁皮减少8.5~10kg/t,拉拔性能大为提高,可234由φ6.5mm一次生拉至φ3.2~φ2.46mm,并可节能和减少生产工序。

热强性能的控制高温合金、耐热钢等热强金属材料是现代航天航空发动机以及原子能、石油化工等各方面不可缺少的金属材料。热强性能是热强金属材料的重要指标。它包括高温蠕变极限、高温持久极限、高温疲劳极限以及在高温下的屈服极限和强度极限等。因此要求材料在不同高温和复杂受力条件下具有特殊抵抗塑性变形和断裂的能力(见高温合金塑性加工)。一般在高温和应力作用下,由于有蠕变现象产生,晶界结构对强度的影响不同于在常温下,其表现行为是:(1)随温度升高,原子或空位以较大的速度进行扩散,使晶界变成薄弱地带;(2)晶粒沿晶界产生粘滞流动,随变形速率的降低,蠕变加速。因此在高温和一定的变形速率时粗晶材料比细晶材料由于单位体积的晶界面积小,所以容易产生断裂的机遇少,因而有更大的高温强度。但是粗晶材料的塑性低,抗疲劳能力差,又因晶界少,夹杂较集中,抗氧化和腐蚀能力相对减弱。总之,根据具体工作条件和合金成分,应使热强金属材料在加工过程中获得适宜的晶粒级别。热强金属有再结晶温度高、再结晶速度低以及硬化倾向大的特点,j茁些特点决定了轧制时终轧温度应较高(950~1000℃),否则,再结晶不完善,晶粒大小不均和产生带状,并导致强化相析出,出现明显的多相组织,热强性能将恶化。另外,轧制时应有大的变形程度,避开小的引起个别晶粒长大的临界变形量以及固溶处理时严禁使用导致部分晶粒开始迅速长大的临界温度。

疲劳性能的控制疲劳的种类和影响疲劳性能的因素很多。塑性加工过程中通过对组织的控制从而达到提高钢材耐疲劳性能的典型钢种即轴承钢。滚动轴承钢用来制造各类滚动轴承套圈和滚动体。轴承工作转动时它们承受很高的交变应力,因此除了要求有高的耐磨性和抗压强度外,还必须具备高的抗接触疲劳性能。由加工控制轴承钢疲劳性能表现在钢的组织结构上,主要是尽可能抑制渗碳体在晶界析出,而使其球化。为此在热加工过程中,轴承钢锭一般要求1250℃左右高温加热,进行长时间扩散退火,以改善碳化物偏析。但对钢坯加热温度不宜过高、时间不宜过长,并控制炉内气氛,以免严重脱碳。热轧时变形量宜大,终轧温度控制在950℃以上,不宜过低,一则利用完全再结晶而细化奥氏体晶粒,另外避免低温变形,防止网状碳化物沿晶界析出。轧后必须快冷,以10℃/s左右的速度冷到550℃左右为止。这不仅能抑制网状碳化物,而且可获得索氏体组织,由此可使后部退火工序的球化时间比普通退火时间缩短1/3~1/4,并能提高轴承寿命1.5倍以上。


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