一種極具靈活性的高性能淬火工藝

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1前言
近年來，高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用得到積極應(yīng)用，以響應(yīng)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(kuò)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(qiáng)度提高，伸長率趨向降低，因此，強(qiáng)烈需要同時具有高強(qiáng)度和高延性鋼板。
在此背景下，JFE開發(fā)出高El型TS 590-980MPa級合金化鍍鋅高強(qiáng)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(fā)出擴(kuò)孔性能和彎曲性能改善的高El和λ型TS 590-980MPa鋼板。
2開發(fā)鋼中延性改善機(jī)理
2.1 Si對力學(xué)性能影響
提高軟的鐵素體相的體積分?jǐn)?shù)通常被認(rèn)為可改善復(fù)相鋼板的延性，不過，關(guān)于鐵素體相延性改善的認(rèn)識有限，而且也沒有關(guān)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(xué)性能。盡管1.0%Si鋼抗拉強(qiáng)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(dāng)，而1.0%Si鋼的均勻伸長率高些。從這些結(jié)果可以認(rèn)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(xué)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(xué)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(yīng)變與加工硬化的關(guān)系，結(jié)果如圖1所示�？梢钥闯觯谌魏螒�(yīng)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(yīng)變區(qū)的高加工硬化率導(dǎo)致均勻伸長率的改善。

圖1 1.0%Si和2.0%Mn鋼的真應(yīng)變與加工硬化的關(guān)系

圖2 真應(yīng)變與位錯密度關(guān)系
2.2 Si對位錯密度和位錯結(jié)構(gòu)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(yīng)變與位錯密度的關(guān)系如圖2所示。盡管兩種鋼的位錯密度均隨真應(yīng)變的增加而增加，但是在任何應(yīng)變下，1.0%Si鋼的位錯密度均高于2.0%Mn鋼。特別是在高應(yīng)變區(qū)，1.0%Si鋼位錯密度增加速率均高于2.0%Mn鋼先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS）的需求正逐漸增加，其應(yīng)用越來越多，特別是汽車市場。為滿足這一特殊需求，已經(jīng)開發(fā)了許多鋼種�；隈R氏體相變的最高強(qiáng)度等級鋼種的生產(chǎn)，不得不按照連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)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(chǎn)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(xiàn)更高的冷卻速率。這種技術(shù)可以使冷卻速率達(dá)到200℃/s/mm，這種技術(shù)適合生產(chǎn)大多數(shù)的雙相（DP）鋼。對于AHSS中最高抗拉強(qiáng)度的鋼，優(yōu)選低C的化學(xué)成分，主要是為了避免焊接脆性和內(nèi)裂并且提高擴(kuò)孔性。
連續(xù)退火線生產(chǎn)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼需要嚴(yán)格控制冷卻，以控制鋼卷強(qiáng)度偏差，并提高整卷性能的均勻性和成形性。為滿足先進(jìn)高強(qiáng)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(chǎn)不斷變化需要的新挑戰(zhàn)。
1現(xiàn)有工藝
為了獲得超高的冷卻速率，已經(jīng)開發(fā)了水淬工藝并應(yīng)用在工業(yè)退火線上超過30年。為了提高鋼的力學(xué)性能，水淬（WQ）后需要對鋼進(jìn)行回火處理。典型的退火周期示意圖如圖1所示。應(yīng)該指出，回火處理需要在WQ冷卻后進(jìn)行高功率感應(yīng)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(dá)1000℃/s（鋼鐵企業(yè)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(xué)性能以及良好的板形。
3) 帶鋼WQ冷卻開始溫度和結(jié)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(fā)方案
關(guān)于預(yù)期的冷卻速率，目前的淬火技術(shù)達(dá)到足夠的性能（這些鋼級帶鋼的典型厚度為1.5mm）。然而，關(guān)于溫度的靈活性，所有技術(shù)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(shè)備能停止冷卻的能力。為此，F(xiàn)ives Stein開發(fā)了一種用噴嘴代替水槽的冷卻技術(shù)。
因此，出于這個目的創(chuàng)建了發(fā)展計劃。進(jìn)行了大量的研發(fā)，包括：
u 數(shù)值計算。
u 設(shè)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(shè)備設(shè)計，以便能在水平和垂直布置時進(jìn)行操作，并且適用于所有鋼種。
u 工業(yè)運行。
3冷卻速率
在這項研究中，為了優(yōu)化冷卻噴嘴的網(wǎng)孔，測試了各種幾何排列的噴嘴。目的是根據(jù)這幾個參數(shù)去表征并提高傳熱系數(shù)。開發(fā)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(dá) 5 大梁
6 帶位置傳感器和數(shù)據(jù)記錄器的小車，數(shù)據(jù)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(tǒng)。
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(tǒng)，并且鋼板以180mpm的恒定速度向下移動。
因此，這個測試是根據(jù)工業(yè)條件進(jìn)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(yè)生產(chǎn)線上。
隨后，我們細(xì)化了設(shè)計，設(shè)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(wǎng)孔更加密集，并且?guī)т摼嚯x噴嘴更近（100mm取代了第一次設(shè)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(shù)的熱交換系數(shù)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(jié)果總結(jié)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(dá)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(yè)設(shè)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(jìn)行了相應(yīng)調(diào)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(guān)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(huán)的靈活性
傳統(tǒng)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(jìn)行回火來對帶鋼進(jìn)一步加熱。
濕閃蒸冷卻工藝可以對整個冷卻曲線進(jìn)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(chǎn)線不僅有能力生產(chǎn)相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）鋼，而且可以生產(chǎn)QP鋼。QP鋼的生產(chǎn)過程中，需要將鋼板冷卻到預(yù)定淬火溫度使得鋼板發(fā)生奧氏體到馬氏體的部分相變，然后在一個合適的溫度進(jìn)行配分，在此階段發(fā)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(chǎn)所需的組織結(jié)構(gòu)（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(shù)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(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖中不同冷卻速率的對比（C 0.2%，Mn1.2%，Si 0.2%）。
與傳統(tǒng)氣體噴射冷卻技術(shù)的對比。
5工業(yè)應(yīng)用
這種開發(fā)理念已在一家大型鋼廠的退火線上通過4年多的工業(yè)生產(chǎn)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(tǒng)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(dāng)與其他技術(shù)相比時。
工業(yè)運行證實帶鋼有良好的橫向熱均勻性。
6結(jié)論
濕閃蒸冷卻工藝是在退火線上生產(chǎn)從商業(yè)等級鋼到馬氏體鋼所有鋼的有效工藝。噴嘴設(shè)計和網(wǎng)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(chǎn)如QP鋼等特殊鋼最感興趣的

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