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一種極具靈活性的高性能淬火工藝

一種極具靈活性的高性能淬火工藝


1前言
近年來,高強度鋼板的應用得到積極應用,以響應汽車車身減重從而減少CO2排放和提高汽車碰撞性的要求。從防腐蝕的角度也擴大了合金化鍍鋅(GA)鋼板在汽車面板的使用。不過,隨著鋼板強度提高,伸長率趨向降低,因此,強烈需要同時具有高強度和高延性鋼板。
在此背景下,JFE開發出高El型TS 590-980MPa級合金化鍍鋅高強度鋼板,與常用鋼板相比,伸長率提高20%,在DP鋼中加入Si,提高鐵素體相的加工硬化。通過控制顯微組織,降低多種相之間的硬度差異,也開發出擴孔性能和彎曲性能改善的高El和λ型TS 590-980MPa鋼板。
2開發鋼中延性改善機理
2.1 Si對力學性能影響
提高軟的鐵素體相的體積分數通常被認為可改善復相鋼板的延性,不過,關于鐵素體相延性改善的認識有限,而且也沒有關于Si的加入對性能影響的研究先例。因為鐵素體相延性改善被看出是一種改善DP鋼延性的途徑,所以研究了Si的加入對單相鐵素體鋼的延性影響。
利用無間隙原子(IF)鋼中分別加入1.0%Si和2.0%Mn,研究Si的加入對鐵素體單相鋼的延性影響,成分見表1。表2給出1.0%Si和2.0%Mn鋼的力學性能。盡管1.0%Si鋼抗拉強度高于2.0%Mn鋼,但1.0%Si鋼總伸長率高。1.0%Si鋼頸縮伸長率與2.0%Mn鋼相當,而1.0%Si鋼的均勻伸長率高些。從這些結果可以認為1.0%Si鋼總伸長率是通過提高了均勻伸長率,也就是加工硬化改善而得到改善。
表1 研究鋼化學成分 %
鋼種
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鋼和2.0%Mn鋼力學性能
鋼種
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

為了弄清加入Si后延性改善的原因,測量了1.0%Si和2.0%Mn鋼的真應變與加工硬化的關系,結果如圖1所示。可以看出,在任何應變下,1.0%Si鋼的加工硬化率均高于2.0%Mn鋼。換句話說,1.0%Si鋼在大應變區的高加工硬化率導致均勻伸長率的改善。

圖1 1.0%Si和2.0%Mn鋼的真應變與加工硬化的關系

圖2 真應變與位錯密度關系
2.2 Si對位錯密度和位錯結構的影響
通常,鋼的加工硬化量與位錯密度的平方根成正比。1.0%Si和2.0%Mn鋼的真應變與位錯密度的關系如圖2所示。盡管兩種鋼的位錯密度均隨真應變的增加而增加,但是在任何應變下,1.0%Si鋼的位錯密度均高于2.0%Mn鋼。特別是在高應變區,1.0%Si鋼位錯密度增加速率均高于2.0%Mn鋼先進高強度鋼(AHSS)的需求正逐漸增加,其應用越來越多,特別是汽車市場。為滿足這一特殊需求,已經開發了許多鋼種。基于馬氏體相變的最高強度等級鋼種的生產,不得不按照連續冷卻轉變圖(CCT)滿足冷速的要求。
如果冷卻速率太低,鋼中就需要添加更多的額外的其他元素,例如硅或鉬,以避免上部分相的形成,例如珠光體和貝氏體代替了馬氏體。然而,這些增加的元素對鋼焊接性和成形性等性能有害。
因此,未來的生產線上,要降低這些添加元素含量,就意味著需要顯著增加退火周期的冷卻速率。可以通過提高噴氣冷卻段的H2含量來實現更高的冷卻速率。這種技術可以使冷卻速率達到200℃/s/mm,這種技術適合生產大多數的雙相(DP)鋼。對于AHSS中最高抗拉強度的鋼,優選低C的化學成分,主要是為了避免焊接脆性和內裂并且提高擴孔性。
連續退火線生產先進高強度鋼需要嚴格控制冷卻,以控制鋼卷強度偏差,并提高整卷性能的均勻性和成形性。為滿足先進高強度鋼所需的特征,濕閃蒸冷卻為鋼帶冷卻提供了更加靈活的控制。本文介紹了淬火工藝對AHSS生產不斷變化需要的新挑戰。
1現有工藝
為了獲得超高的冷卻速率,已經開發了水淬工藝并應用在工業退火線上超過30年。為了提高鋼的力學性能,水淬(WQ)后需要對鋼進行回火處理。典型的退火周期示意圖如圖1所示。應該指出,回火處理需要在WQ冷卻后進行高功率感應加熱處理。
但是,這種WQ工藝必須滿足下列幾點要求:
1) 帶鋼冷卻率高達1000℃/s(鋼鐵企業通常期望的冷卻速率約400℃/s)。
2) 在整個工藝過程中,需要精確控制冷卻速率并且使帶鋼有良好的熱均勻性。因此,可以使帶鋼獲得良好的橫向力學性能以及良好的板形。
3) 帶鋼WQ冷卻開始溫度和結束溫度選擇的靈活性。

溫度、時間、回火
圖1、典型的有水淬(WQ)工藝的退火周期示意圖
為了符合這些要求,作者所使用的工藝基于了“薄膜沸騰(表層沸騰)”的條件。
2開發方案
關于預期的冷卻速率,目前的淬火技術達到足夠的性能(這些鋼級帶鋼的典型厚度為1.5mm)。然而,關于溫度的靈活性,所有技術都無法令人滿意,特別是在帶鋼有良好橫向溫度均勻性的任何溫度時設備能停止冷卻的能力。為此,Fives Stein開發了一種用噴嘴代替水槽的冷卻技術。
因此,出于這個目的創建了發展計劃。進行了大量的研發,包括:
u 數值計算。
u 設備試驗檢測平臺,用以去表征噴嘴的傳熱性能,研究冷卻的均勻性和操作的靈活性。
u 設備設計,以便能在水平和垂直布置時進行操作,并且適用于所有鋼種。
u 工業運行。
3冷卻速率
在這項研究中,為了優化冷卻噴嘴的網孔,測試了各種幾何排列的噴嘴。目的是根據這幾個參數去表征并提高傳熱系數。開發了一個試驗檢測平臺,包括鋼樣品的加熱和冷卻(圖2)。

1 帶噴嘴的收集器 2 壓力計 3 試驗鋼板 4 鋼絲繩馬達 5 大梁
6 帶位置傳感器和數據記錄器的小車,數據記錄器能記錄溫度及試驗鋼板的位置
7 加熱器 8 水箱 9 泵 10 控制閥
圖2 試驗測試平臺簡圖

該試驗測試平臺由下列幾部分組成:
u 裝有熱電偶的測試板。
u 垂直小車支撐鋼板,能夠使小車上下移動。
u 鋼板加熱裝置。
u 冷卻系統。
在冷卻試驗前,鋼板向上移動至加熱器,加熱鋼板至900℃。然后接通冷卻系統,并且鋼板以180mpm的恒定速度向下移動。
因此,這個測試是根據工業條件進行的全面測試。此次測試引出了一套噴霧幾何布置,隨后被安裝在工業生產線上。
隨后,我們細化了設計,設計出了第二種更有效的噴嘴布置。在第二種幾何布置中,噴嘴網孔更加密集,并且帶鋼距離噴嘴更近(100mm取代了第一次設計的250mm)。
此外,眾所周知,帶鋼冷卻時,特別是低于500℃(Leidenfrost 溫度)時,此類技術的熱交換系數更好。
圖3清楚地顯示出最終的帶鋼溫度對整個冷卻速率的影響(初始溫度900℃)。

整個冷卻速率(℃/s)、最終的帶鋼溫度
圖3 最終的帶鋼溫度對整個冷卻速率的影響(初始溫度900℃)。

實驗結果總結如圖4,圖4表明水壓對平均冷卻速率的影響。第一種幾何布置在約5bars水壓時達到最佳性能。
第二種幾何布置在低壓時效率較低,但較高壓力時有較好的效果。水壓12bars,溫度從900℃降低到200℃時的平均冷卻速率大約為1500℃/s。
在工業設計中噴嘴通入了水和氮氣。在試驗測試平臺用空氣來代替氮氣。通過水壓來控制帶鋼的冷卻速率(圖4)),并對氣體流量進行了相應調整。
可以分別控制每組噴嘴的水壓,以便控制整個冷卻期間的冷卻速率。也可以關掉部分噴嘴以改變冷卻方式。

平均冷卻速率(℃/s)、水壓(bars)
第二種幾何布置、第一種幾何布置
圖4 從900℃冷卻到200℃時,兩種噴淋配置的水壓對平均冷卻速率的影響
4冷卻循環的靈活性
傳統的水淬火工藝,最終的帶鋼溫度接近水溫(任何情況都低于Mf)。這需要進行回火來對帶鋼進一步加熱。
濕閃蒸冷卻工藝可以對整個冷卻曲線進行控制,例如帶鋼初始溫度和最終溫度以及冷卻速率。這使得產線不僅有能力生產相變誘導塑性(TRIP)鋼,而且可以生產QP鋼。QP鋼的生產過程中,需要將鋼板冷卻到預定淬火溫度使得鋼板發生奧氏體到馬氏體的部分相變,然后在一個合適的溫度進行配分,在此階段發生碳從過飽和馬氏體向奧氏體的遷移。退火工藝曲線實例如圖5所示。
溫度、時間、水淬、配分
圖5、淬火配分工藝示意圖
由于控制冷卻速率的能力,很明顯該工藝非常適合生產所需的組織結構(圖6)。
干噴冷卻的冷卻速率可以通過吹入氣體中的H2含量來控制,與干噴冷卻技術相比,濕閃蒸冷卻提供了更廣泛的工藝窗口,如圖6所示。

帶鋼溫度、時間、氣體冷卻
圖6 典型連續冷卻轉變圖中不同冷卻速率的對比(C 0.2%,Mn1.2%,Si 0.2%)。
與傳統氣體噴射冷卻技術的對比。
5工業應用
這種開發理念已在一家大型鋼廠的退火線上通過4年多的工業生產而得到了證明。圖7給出了典型的冷卻通道示意圖。此冷卻系統可以在軋制線上垂直向上或向下或水平配置。
喂入噴嘴的水流量很低(圖8),特別是當與其他技術相比時。
工業運行證實帶鋼有良好的橫向熱均勻性。
6結論
濕閃蒸冷卻工藝是在退火線上生產從商業等級鋼到馬氏體鋼所有鋼的有效工藝。噴嘴設計和網孔幾何尺寸帶來了更靈活的冷卻方式。在任何帶鋼溫度都能停止冷卻的能力是生產如QP鋼等特殊鋼最感興趣的
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