薄規(guī)格鋼板淬火過程中的板形控制

孫祖才

薄規(guī)格鋼板淬火是生產(chǎn)高性能、高效率產(chǎn)品的關(guān)鍵，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)所需的高韌性、高檔薄規(guī)格鋼板產(chǎn)品，如，高韌性船用板、高壓容器板、工程機(jī)械板、管道板等必須進(jìn)行熱處理以保證性能。但整個(gè)強(qiáng)制冷卻過程很可能對(duì)厚鋼板造成顯著的內(nèi)應(yīng)力，使薄規(guī)格鋼板在淬火后產(chǎn)生彎曲和扭曲的問題，并會(huì)繼續(xù)影響以下原材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)用性能，如斷裂性、薄規(guī)格高韌性、耐腐蝕性和疲勞性能等，嚴(yán)重影響其應(yīng)用性能。許多研究表明，在滾子淬火機(jī)中，通過有效控制淬火機(jī)下水口的水流量、水比和滾輪速度，大多數(shù)厚度達(dá)12mm的鋼板都可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能并保持良好的淬火形狀。對(duì)于厚度不能超過12mm的薄規(guī)格鋼板，淬火后危及薄規(guī)格模型形狀的元素比較復(fù)雜，有些元素的反射比較敏感。

1 薄規(guī)格鋼板的發(fā)展背景

相對(duì)于一般抗壓強(qiáng)度鋼板，高韌性鋼板是指抗拉強(qiáng)度≥550Ma，即Q550、Q690、Q890、Q960等產(chǎn)品系列，其中Q890高強(qiáng)鋼板的抗拉強(qiáng)度提高了5次，而且經(jīng)常使用大噸位重型起重設(shè)備的“關(guān)鍵”——重型臂架的前沿，以及煤礦機(jī)械設(shè)備的“關(guān)鍵”——液壓支架。薄規(guī)格高強(qiáng)鋼板的生產(chǎn)制造早已代表了當(dāng)今高端裝備制造所使用的高端水平，而這種鋼板的生產(chǎn)和供應(yīng)能力則代表了一個(gè)鋼板企業(yè)的技術(shù)實(shí)力。目前，無論是薄規(guī)格的高強(qiáng)板是進(jìn)口的還是國產(chǎn)的，在鋼板的形狀方面都有一個(gè)普遍的現(xiàn)象，這是因?yàn)殇摪逶谡麄€(gè)熱處理過程中都會(huì)發(fā)生翹曲。翹曲變形的類型有邊緣波浪形、中弧形、中凹形、兩側(cè)扣、兩側(cè)上翹、右鍋形和倒鍋形等，翹曲變形會(huì)影響中后期鋼板的生產(chǎn)加工和應(yīng)用。

為進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計(jì)高端鋼板，提高鋼板的特性和質(zhì)量，厚板部5500生產(chǎn)線引進(jìn)了德國LOI公司開發(fā)的熱處理法生產(chǎn)線，包括一條不氧化輥底熱處理設(shè)備和冷軋連續(xù)淬火機(jī)，淬火設(shè)備投資使用后，商品項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)一步提高。眾所周知，鋼板在整個(gè)淬火過程中的膨脹和收縮嚴(yán)重影響了鋼板的外觀，成為危及產(chǎn)品開發(fā)的重大問題。由于筒式淬火機(jī)的冷凍抗拉強(qiáng)度高，淬火生產(chǎn)工藝復(fù)雜，我國以前一直依賴進(jìn)口，這種事實(shí)技術(shù)壟斷限制了我國對(duì)薄規(guī)格輥淬火技術(shù)的研究和分析和發(fā)展。2021年8月，薄規(guī)格鋼板項(xiàng)目部開展了12mm厚薄板鋼板淬火后板形操控的科學(xué)研究，積累了一些基本工作經(jīng)驗(yàn)。

2 薄規(guī)格鋼板的淬火方法

為更好地提供薄鋼板的淬火方法，解決了薄鋼板在淬火時(shí)脹縮變形的問題，使薄鋼板的淬火垂直度穩(wěn)定可控，選擇薄規(guī)格鋼板的淬火方法。上述鋼板壁厚為4m～80m，上述淬火方法的生產(chǎn)過程包括：加熱階段、噴水冷卻階段，加熱階段使用的設(shè)備為淬火正火爐。淬火正火爐為連續(xù)輥底式，爐內(nèi)通N2，淬火正火爐電加熱溫度為890℃～910℃，C成分為0.05%～0.09%時(shí)，加熱溫度為840℃～870℃，正火爐采用左右兩排輻射管加熱。淬火正火爐溫控波動(dòng)強(qiáng)度小于5℃，噴水冷卻階段選用的機(jī)器設(shè)備為淬火機(jī)，淬火機(jī)左右兩側(cè)設(shè)有夾輥，淬火機(jī)的工作方式為連續(xù)軋制淬火。噴水冷卻階段分為冬季淬火和夏季淬火兩種方式，噴水冷卻階段選用的材料為循環(huán)系統(tǒng)冷卻水，循環(huán)系統(tǒng)冷卻水溫度小于35℃，淬火機(jī)是在鋼板上下兩層噴水，夾持滾輪的滾輪速度為30m/min～60m/min，噴水冷卻階段分為冬季和夏季兩種淬火方式，冬季淬火法夾緊輥的軋輥速度高于夏季淬火法，噴水冷卻階段包括高壓區(qū)和低壓區(qū)。

圖1 薄規(guī)格鋼板淬火過程示意圖

3 輥式淬火機(jī)冷卻機(jī)理

軋輥淬火機(jī)的調(diào)質(zhì)冷卻系統(tǒng)軟件通常由兩個(gè)調(diào)質(zhì)冷卻區(qū)組成，分別是高壓調(diào)質(zhì)冷卻區(qū)和低壓調(diào)質(zhì)冷卻區(qū)。根據(jù)不同的噴嘴、供電設(shè)備和不同的冷卻原料工作壓力，獲得多少冷卻抗拉強(qiáng)度。高壓淬火區(qū)冷卻水壓力為0.8MPa，先后有間隙噴嘴、高密度噴嘴和快冷噴嘴。低壓區(qū)冷卻水壓力為0.4MPa，由多個(gè)低壓噴嘴組成。在整個(gè)淬火過程中，淬火后的厚鋼板根據(jù)輥道淬火機(jī)對(duì)不同抗壓強(qiáng)度的高低壓淬火區(qū)進(jìn)行持續(xù)冷卻，完善薄規(guī)格鋼板淬火過程的全過程。輥筒淬火機(jī)高低壓連續(xù)淬火的冷卻原理即：在淬火后的鋼板800℃～500℃溫度范圍內(nèi)，鋼板在具有很高冷卻抗壓強(qiáng)度的高壓淬火區(qū)冷卻，薄板內(nèi)部保持著較大的溫度場鋼板，有利于薄規(guī)格鋼板。淬火速度臨界點(diǎn)的高冷卻速度可以避免其他品種的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；在淬火原理溫度范圍內(nèi)500℃以內(nèi)，選擇冷卻抗壓強(qiáng)度較低的低壓進(jìn)行淬火區(qū)緩慢冷卻，有利于降低薄規(guī)格淬火鋼板在奧氏體轉(zhuǎn)變過程中的熱應(yīng)力，降低變形傾向鋼板在淬火工藝溫度條件下的工藝要求。

根據(jù)殘余奧氏體變化的基本理論分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)生第一類回火脆性的該溫度與殘余奧氏體的溶解溫度完全一致，認(rèn)為第一類回火脆性是由殘余奧氏體的變化引起的。以此思路，第一類回火脆性可借助Cr、Si等鋁合金型材元素，即Cr、i等提高殘余奧氏體的可靠性，所以只能是在更高的溫度發(fā)生作用?？焖匐娂訜崞骰鼗鹣魅趿说谝活惢鼗鹧诱剐?，而在脆性斷裂溫度下短期內(nèi)殘余脆性斷裂不明顯的原因，即在上述準(zhǔn)則下不能立即改變殘余奧氏體。此后，殘余奧氏體相變的基本理論被滲碳體殼理論所取代，但根據(jù)近年來的分析工作，殘余奧氏體變化的基本理論仍然是第一類回火脆性的成因。主要因素之一。

根據(jù)碳化物殼的基本理論可以看出，當(dāng)?shù)谝活惢鼗鹧诱剐园l(fā)生時(shí)，電鏡觀察到沿位錯(cuò)的碳化物殼。因此，確定碳化物薄殼的形成是引起回火奧氏體脆化的主要因素之一。展示碳化物殼是如何產(chǎn)生的很重要。如前所述，近年來工作中已經(jīng)證實(shí)，近年來已證實(shí)，沿板條馬氏體邊界的殘余奧氏體塑性膜在回火時(shí)會(huì)析出薄殼狀碳化物M和C，產(chǎn)生延展性，馬氏體沿位錯(cuò)溶解生成。硬質(zhì)合金外殼。

4 薄規(guī)格鋼板淬火過程中的板形控制試驗(yàn)分析

薄鋼板在整個(gè)熱處理過程中的膨脹和收縮變形的直接原因取決于內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力有兩種關(guān)鍵類型，一種是冷卻不均勻引起的熱應(yīng)力，另一種是熱處理過程的變化引起的熱應(yīng)力。熱處理薄規(guī)格鋼板中兩種應(yīng)力模式的主要表現(xiàn)形式與鋼材的成分、規(guī)格、切削性能、熱處理材料和冷卻方式等多種原因有關(guān)。通常情況下，薄規(guī)格鋼板的表面溫度總是與芯部的表面溫度不同，因此，內(nèi)外溫差會(huì)引起膨脹和收縮不均勻，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在熱處理冷卻條件下，表面冷卻速度比芯部冷卻速度快得多。這樣，表面收縮率高，芯部收縮少，芯部阻擋表面收縮，在表面產(chǎn)生彈性張力，同時(shí)表面使芯部具有彈性，收縮引起一部分不平衡變形.冷卻前期的應(yīng)力條件為：表面有拉應(yīng)力，芯部有壓應(yīng)力，冷卻后半段，體表溫度降低，降溫速率逐漸降低，芯部降溫速率加快。此時(shí)，表面反而阻礙了芯部的熱收縮，拉伸了芯部的彈力，而芯部則降低了表面的彈性程度，熱應(yīng)力趨于變化，表面出現(xiàn)壓應(yīng)力，芯部出現(xiàn)拉應(yīng)力。冷卻結(jié)束時(shí)的殘余應(yīng)力是表面的壓內(nèi)應(yīng)力和芯部的拉應(yīng)力。

當(dāng)薄鋼板的厚度發(fā)生變化時(shí)，由于不同結(jié)構(gòu)的比容不同，必然會(huì)發(fā)生比容變化。在厚鋼板中，馬氏體的比容比較大，奧氏體的比容最小。熱處理時(shí)，產(chǎn)品工件表面先冷卻至M點(diǎn)以下，產(chǎn)生馬氏體相變，必須膨脹體積使表面受力，表面會(huì)導(dǎo)致型芯被拉出。隨著氣溫的降低，表面的大部分轉(zhuǎn)變已經(jīng)完成，核心冷卻到M點(diǎn)以下，逐漸發(fā)生變化。這一刻，核心需要膨脹，但表面已經(jīng)是殼了，擋住了芯部的膨脹，芯部變化的機(jī)理應(yīng)力狀態(tài)是表面有拉應(yīng)力，芯部有壓應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力和機(jī)械設(shè)備應(yīng)力疊加在一起，即淬火應(yīng)力超過不銹鋼板的抗壓強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引起鋼板工件的彈塑性變形，進(jìn)而引起脹縮工件的各個(gè)部分。工件發(fā)生膨脹和收縮等變形，導(dǎo)致板材形狀發(fā)生變化。在淬火試驗(yàn)中，兩塊薄規(guī)格鋼板的成分相同，整個(gè)淬火冷卻過程中的轉(zhuǎn)變基本相同。通常，鋼板淬火機(jī)械設(shè)備的應(yīng)力差異可以忽略不計(jì)。取向上的不同規(guī)格，造成了測(cè)試結(jié)果的很大差異。

圖2 鋼板板形控制試驗(yàn)過程示意圖

假設(shè)在理想化規(guī)格下，上下間隙噴嘴平面度均勻，雙縫開口均勻且完全對(duì)稱，上下間隙與鋼板上表面的距離完全相同（輥縫與鋼板厚度完全相等），下水管簾面與鋼板上表面完全相同。鋼板表面造成的二面角是完全一樣的。在高噴射率和高壓條件下，忽略大功率水射流X射線的危害，上下間隙的噴嘴入射點(diǎn)應(yīng)對(duì)稱。即鋼板在相同的垂直表面。但實(shí)際上，在正常情況下，輥縫不可能完全等同于鋼板的厚度：首先，鋼板的公稱直徑和厚度與實(shí)際厚度之間總是存在誤差；其次，熱處理機(jī)是高精度維修部件，應(yīng)避免異常變形。一般輥縫厚度基本都會(huì)加上h=0mm～3mm，h的出現(xiàn)導(dǎo)致上下冷卻線之間存在間隙。因此，對(duì)于鋼板來說，雖然上下表面的冷卻速度相同，但寬板的厚度誤差還是比較大的。所以左右表面的冷卻是不對(duì)稱的，所以冷卻引起的內(nèi)應(yīng)力不可逆性也比較大。因此，宏觀實(shí)驗(yàn)表達(dá)是鋼板在熱處理后呈現(xiàn)端到端彎曲。淬火過程中，噴嘴的水流量、水比和滾輪速度主要是參數(shù)，也很難改變薄規(guī)格鋼板熱處理后的形變。

5 薄規(guī)格鋼板淬火過程中的板形控制實(shí)踐分析

隨著制冷設(shè)備的改進(jìn)和在線淬火技術(shù)科研水平的提高，越來越多的廠家選擇在線淬火和無網(wǎng)回火生產(chǎn)耐磨鋼，但耐磨鋼的抗壓強(qiáng)度高，強(qiáng)度高，可淬火。在整個(gè)過程中容易彎曲和變形，因此，淬火形狀的操縱是完成在線淬火技術(shù)的重要因素。耐磨鋼屬于工程機(jī)械設(shè)備用鋼類，廣泛應(yīng)用于冶金工業(yè)、小型礦山、裝飾建材、電力工程、鐵路、礦山和國防等行業(yè)。由于我國耐磨鋼研究和制造發(fā)展相對(duì)較晚，我國制造企業(yè)通常選擇無網(wǎng)調(diào)質(zhì)生產(chǎn)工藝，導(dǎo)致產(chǎn)品成本高。在線淬火工藝?yán)密堉坪蟮挠酂峄厥?，集成和操縱制冷技術(shù)，可增強(qiáng)厚鋼板的物理性能，降低鋁合金含量，擴(kuò)大品種，減少工藝流程，降低能耗，在低成本生產(chǎn)制造方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

薄規(guī)格鋼板的淬火方法是將鋼加熱到Ac3或Ac1以上30℃～50℃，絕熱保溫一一急冷（◇vK）獲得奧氏體加工方法，可提高薄規(guī)格板材的硬度、耐磨性，時(shí)效處理淬火的基本機(jī)理和特點(diǎn)。本產(chǎn)品可生產(chǎn)加工的鋼板壁厚為4mm～80mm，其制造過程包括：加熱階段和噴淋冷卻階段，加熱階段使用的設(shè)備為淬火正火爐，淬火正火爐為連續(xù)輥底式，爐內(nèi)充氮?dú)?，輻射管用于加熱，輻射管沿淬火、正火爐左右兩排對(duì)稱排列，單脈沖操作和自動(dòng)點(diǎn)火，淬火正火爐的加熱溫度為890℃～910℃，使成分在0.05%～0.09%中間時(shí)，加熱溫度為840℃～870℃。同時(shí)，溫控波動(dòng)大于5℃，噴水冷卻階段使用的機(jī)器是淬火機(jī)，淬火機(jī)的工作方式為連續(xù)軋制淬火，淬火機(jī)配有兩排對(duì)稱的夾緊輥，卡盤輥速度范圍為30m/min～60m/min。淬火機(jī)內(nèi)對(duì)稱安裝一組噴淋管，對(duì)薄鋼板進(jìn)行噴淋冷卻，噴水冷卻階段分為冬夏兩種淬火方式。冬季室內(nèi)溫度較低，鋼板的冷卻速度較快，冬季一般淬火用卡盤輥的輥速，可以在噴水冷卻階段加快鋼板的效率，嘗試擴(kuò)大鋼板的冷卻面積。

6 薄規(guī)格鋼板淬火過程中的板形控制的技術(shù)效果

根據(jù)淬火方式的調(diào)整，噴頭冷卻環(huán)節(jié)分為高壓區(qū)和低壓區(qū)，在高壓區(qū)，淬火機(jī)夾頭輥速度、高壓區(qū)左右水量比和循環(huán)系統(tǒng)冷卻水溫度均在高壓區(qū)控制，從而解決了4mm～80mm薄規(guī)格鋼的淬火脹縮變形問題，使4mm～80mm薄規(guī)格鋼板的淬火垂直度穩(wěn)定可控。根據(jù)高壓區(qū)淬火方式的調(diào)整，提高了產(chǎn)品的綜合合格率，薄規(guī)格板材合格率達(dá)到99.8%，進(jìn)一步提高了保證產(chǎn)品物理性能的能力。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，可以嘗試擴(kuò)大產(chǎn)品型號(hào)和規(guī)格范圍，減少了產(chǎn)品數(shù)量，保證了交貨周期時(shí)間。噴頭冷卻環(huán)節(jié)選用的水體為循環(huán)系統(tǒng)冷卻水，可借助循環(huán)系統(tǒng)減少水源消耗，循環(huán)系統(tǒng)冷卻水溫度創(chuàng)建溫度補(bǔ)償指標(biāo)，根據(jù)淬火溫度的監(jiān)控進(jìn)行融合，然后校準(zhǔn)淬火方法，以達(dá)到最佳的實(shí)際淬火效果。與傳統(tǒng)的淬火方法相比，薄規(guī)格鋼板的淬火方法可以顯著促進(jìn)自主耐磨鋼板和高強(qiáng)度鋼板的開發(fā)、設(shè)計(jì)和制造。高壓區(qū)壓力4Mpa，高壓區(qū)采用噴管冷卻，高壓區(qū)上表面噴水量與下表面噴水量之比為0.72～0.80，高壓區(qū)噴水管頭標(biāo)準(zhǔn)水量壓力它們都不同，低壓區(qū)壓力為4Mpa，低壓區(qū)采用噴淋管冷卻操作。

7 結(jié)語

綜上所述，薄規(guī)格鋼板淬火后影響產(chǎn)品外形的關(guān)鍵因素有：淬火工藝的基本參數(shù)，鋼板的規(guī)格和表面狀況，淬火設(shè)備的精度等。薄規(guī)格鋼板在特殊熱處理工藝中的變形受到一些綜合標(biāo)準(zhǔn)的影響。這是一個(gè)比較復(fù)雜的工藝過程，為了掌握薄規(guī)格鋼板淬火過程中的板形控制，達(dá)成優(yōu)良板形的加工工藝，需要在實(shí)驗(yàn)中逐漸積累，逐漸開展與之相關(guān)的實(shí)踐性研究。