1、1 鋼鐵熱處理技術及新產品開發鋼鐵熱處理技術及新產品開發 鋼鐵研究總院華東分院鋼鐵研究總院華東分院 2015年年11月月14日日整 合 資 源 實 現 共 贏 協 同 創 新 引 領 發 展2 目 錄一、先進鋼鐵材料的要求二、影響鋼鐵材料質量的主要因素三、鋼的生產流程及各工序對質量的影響四、鋼的主要熱處理工藝及效果五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute3鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Ste

2、el Research Institute 一、先進鋼鐵材料的要求 總體要求 高性能高強度、高韌性、長壽命高內部質量高潔凈度、高均勻度、超細晶粒、夾雜物控制高表面質量表面無缺陷、高尺寸精度和光潔度多品種鋼種和材型3500多種碳素鋼和合金鋼板、管、絲、帶、棒、鍛材低成本降低合金含量和工藝操作成本降低能源消耗和金屬消耗微合金化改善組織和性能綠色環保易于回收和利用、可持續發展以鐵為基，其它元素應無污染、可回收4 1、窄化學成分 2、高潔凈度 3、高均勻性 4、組織可控 5、高尺寸精度 6、高表面質量鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and St

3、eel Research Institute 一、先進鋼鐵材料的要求 對冶金質量的要求 5 1、力學性能：強度、塑性、韌性2、服役性能：疲勞、延遲斷裂、蠕變、持久、腐蝕3、工藝性能：冷熱加工性能鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 一、先進鋼鐵材料的要求 對性能的要求 6 1、生產過程中穩定和經濟性回收 2、加工過程中穩定和經濟性回收 3、應用過程中穩定和經濟性回收鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Resear

4、ch Institute 一、先進鋼鐵材料的要求 對環境友好的要求 7 1、生產過程的低成本 2、加工過程的低成本 3、應用過程的低成本鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 一、先進鋼鐵材料的要求 對低成本的要求 8鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 一、先進鋼鐵材料的要求 鋼的昨天、今天和明天 9 在鋼鐵材料基礎理論研究和工藝技術裝備發展的基礎上，為了滿足不斷增長的需要，新

5、型鋼鐵材料層出不窮。鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 一、先進鋼鐵材料的要求 典型的先進鋼鐵材料種類類別新型鋼鐵代表類型碳素結構鋼細晶粒鋼、超細晶粒鋼高強度低合金鋼雙相鋼、超深沖IF鋼、高強度IF鋼、TRIP鋼、耐候鋼合金結構鋼微合金非調質鋼、耐延遲斷裂螺栓鋼、長壽命齒輪鋼等超高強度鋼高強度高韌性的馬氏體時效鋼、低合金超高強度鋼不銹耐蝕鋼耐苛刻介質腐蝕不銹鋼、鐵素體時效不銹鋼、馬氏體時效不銹鋼耐熱鋼超超臨界機組用鐵素體耐熱鋼軸承鋼超高潔凈度高碳鉻軸承鋼、控制淬透性軸承鋼、耐壞境作用

6、軸承鋼工模具鋼不變形模具鋼、易切削模具鋼、防震模具鋼、少偏析/無偏析高速鋼10 鋼的性能決定于其組織形態，而組織則決定于化學成鋼的性能決定于其組織形態，而組織則決定于化學成份、熱加工生產工藝及熱處理工藝。份、熱加工生產工藝及熱處理工藝。 1、鋼的化學成分及均勻性 2、鋼的潔凈度及夾雜物控制 3、鋼的組織控制及穩定性 鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 二、影響鋼鐵材料質量的主要因素 11鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and

7、Steel Research Institute 三、鋼的生產流程及各工序功能 鋼的生產流程 12 1 1、主要是化學成份的精確控制、窄帶范圍控制、主要是化學成份的精確控制、窄帶范圍控制 2 2、潔凈度及夾雜物控制、潔凈度及夾雜物控制 3 3、化學成分的均勻化控制，減少成份的偏析。、化學成分的均勻化控制，減少成份的偏析。鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 三、鋼的生產流程及各工序功能 冶煉及連鑄工序 13鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of

8、Iron and Steel Research Institute 三、鋼的生產流程及各工序功能 冶煉及連鑄工序 爐外精煉技術爐外精煉技術技術特點：技術特點： 實現分階段冶煉，創造最佳的熱力學動力學實現分階段冶煉，創造最佳的熱力學動力學條件，保證鋼水純潔度；條件，保證鋼水純潔度； 采用真空精煉，提高脫采用真空精煉，提高脫C C脫氣速率；脫氣速率； 采用電弧加熱，精確控制鋼水溫度；采用電弧加熱，精確控制鋼水溫度； 采用吹氬攪拌工藝，精確控制鋼水成分。采用吹氬攪拌工藝，精確控制鋼水成分。技術優點：技術優點： 提 高 鋼 水 純 凈 度 ：提 高 鋼 水 純 凈 度 ： S 5 S 5 1 01 0

9、- 6- 6，P20P201010- 6- 6 ，N15N151010- 6- 6，H1.5H1.51010- 6- 6，TTO10O101010- 6- 6，C10C101010-6-6； 精確控制鋼水成分，降低生產成本；精確控制鋼水成分，降低生產成本； 精確控制鋼水溫度，提高生產效率。精確控制鋼水溫度，提高生產效率。 爐外精煉的發展，大幅度提爐外精煉的發展，大幅度提高了鋼水凈化度，明顯改善了產高了鋼水凈化度，明顯改善了產品的性能。為新一代鋼鐵材料的品的性能。為新一代鋼鐵材料的發展打下堅實工藝基礎。發展打下堅實工藝基礎。14鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Bran

10、ch of Iron and Steel Research Institute 三、鋼的生產流程及各工序功能 冶煉及連鑄工序 技術特點：技術特點： 利用中間包結晶器二次冷卻拉利用中間包結晶器二次冷卻拉矯等生產設備，連續生產合格鑄坯；矯等生產設備，連續生產合格鑄坯； 采用結晶器振動和保護渣改善鑄坯表采用結晶器振動和保護渣改善鑄坯表面質量；面質量； 采用二次冷卻和電磁攪拌，提高鑄坯采用二次冷卻和電磁攪拌，提高鑄坯內部質量。內部質量。技術優點：技術優點： 連續化生產，生產效率提高；連續化生產，生產效率提高； 鋼材成材率提高鋼材成材率提高151520%20%； 實現近終形連鑄；實現近終形連鑄； 實現高

11、溫熱送熱裝或連軋工藝。實現高溫熱送熱裝或連軋工藝。 連鑄技術的發展，不僅提高了鋼連鑄技術的發展，不僅提高了鋼鐵成材率，提高了生產效率，而且促鐵成材率，提高了生產效率，而且促進了鋼鐵生產從單元化、間斷生產的進了鋼鐵生產從單元化、間斷生產的模式向連續化短流程方向發展。模式向連續化短流程方向發展。15鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 三、鋼的生產流程及各工序功能 高品質鋼潔凈生產流程 傳統觀點認為，只有少數高附加值鋼材要求達到超純凈。而傳統觀點認為，只有少數高附加值鋼材要求達到超純凈。而

12、21世紀先進鋼世紀先進鋼鐵廠的基本理念是要保證生產所有鋼材都能超純凈，鋼中雜質元素總含量鐵廠的基本理念是要保證生產所有鋼材都能超純凈，鋼中雜質元素總含量 S+P+N+T.O+H100150 106，也就是，也就是“大批量大批量”的概念。為了實現這一目標，的概念。為了實現這一目標，必須努力降低超純凈鋼的生產成本（目標是低于現代化鋼鐵流程中普通鋼的生必須努力降低超純凈鋼的生產成本（目標是低于現代化鋼鐵流程中普通鋼的生產成本），提高生產穩定性，保證產品質量穩定。產成本），提高生產穩定性，保證產品質量穩定。 16 1 1、解決鋼的化學成分均勻化、降低碳化物液析、不均度、碳化、解決鋼的化學成分均勻化、降

13、低碳化物液析、不均度、碳化物帶狀、鐵素體帶狀等鋼液選分結晶規律帶來的問題。物帶狀、鐵素體帶狀等鋼液選分結晶規律帶來的問題。 2 2、防止表面脫碳、過熱、過燒等加熱缺陷。、防止表面脫碳、過熱、過燒等加熱缺陷。 3 3、高碳鉻軸承鋼、馬氏體、貝氏體、萊氏體鋼在加熱時，必須、高碳鉻軸承鋼、馬氏體、貝氏體、萊氏體鋼在加熱時，必須控制升溫速度，否則加熱速度過快時會因熱應力和組織應力使鋼錠控制升溫速度，否則加熱速度過快時會因熱應力和組織應力使鋼錠或鋼坯產生應力裂紋或斷裂；或鋼坯產生應力裂紋或斷裂； 4 4、保證適宜的高溫擴散時間，當高溫擴散時間不足時，高碳鋼、保證適宜的高溫擴散時間，當高溫擴散時間不足時，

14、高碳鋼鋼液凝固產生的一次大顆粒碳化物（液析碳化物）無法固溶到奧氏鋼液凝固產生的一次大顆粒碳化物（液析碳化物）無法固溶到奧氏體中，也就無法降低液析碳化物級別；體中，也就無法降低液析碳化物級別； 5 5、低碳合金結構鋼鋼坯的樹枝狀晶也不能溶入奧氏體中，就無、低碳合金結構鋼鋼坯的樹枝狀晶也不能溶入奧氏體中，就無法降低鐵素體帶狀組織對力學性能的不良影響。法降低鐵素體帶狀組織對力學性能的不良影響。 6 6、保淬透性結構鋼加熱時，也需要進行適當的高溫擴散，以解、保淬透性結構鋼加熱時，也需要進行適當的高溫擴散，以解決微區化學成分偏析、帶狀組織對淬透性和力學性能均勻性等問題決微區化學成分偏析、帶狀組織對淬透性

15、和力學性能均勻性等問題的不良影響。的不良影響。鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 三、鋼的生產流程及各工序功能 軋鋼工序(加熱制度) 17 1 1、通過一定壓縮比消除鑄造缺陷，材料的各項綜合力學性能、通過一定壓縮比消除鑄造缺陷，材料的各項綜合力學性能就好。就好。 2 2、保證鋼材的外形尺寸、保證鋼材的外形尺寸 3 3、特殊鋼在高溫狀態下的變形抗力較普鋼高，高溫塑性差，、特殊鋼在高溫狀態下的變形抗力較普鋼高，高溫塑性差，因此其軋制工藝亦有其特殊性。因此其軋制工藝亦有其特殊性。 4 4、

16、為了滿足鋼的組織和性能要求，鋼材軋后冷卻有緩冷、水、為了滿足鋼的組織和性能要求，鋼材軋后冷卻有緩冷、水冷、風冷和霧冷。冷、風冷和霧冷。 4.1 4.1 殊鋼由于逸氫及減輕組織應力的需要，一般均采用較高的殊鋼由于逸氫及減輕組織應力的需要，一般均采用較高的終軋溫度，冷床一般相對較窄，以利于高溫入坑緩冷，其目的是為終軋溫度，冷床一般相對較窄，以利于高溫入坑緩冷，其目的是為了避免產生白點和應力裂紋。了避免產生白點和應力裂紋。 4.2 4.2 對于需要獲得索氏體組織的鋼種或需要控制二次碳化物網對于需要獲得索氏體組織的鋼種或需要控制二次碳化物網狀級別的鋼種則采用水冷、風冷或霧冷；如目前已成功開發應用的狀級

17、別的鋼種則采用水冷、風冷或霧冷；如目前已成功開發應用的斯太爾摩生產線就是線材生產過程中對鋼材軋后冷卻制度應用的典斯太爾摩生產線就是線材生產過程中對鋼材軋后冷卻制度應用的典型。型。 4.3 4.3 為避免某些鋼種軋后開裂或硬度過高則在冷床采用保溫設為避免某些鋼種軋后開裂或硬度過高則在冷床采用保溫設施。施。 鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 三、鋼的生產流程及各工序功能 軋鋼工序(軋制及冷卻) 18鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron

18、 and Steel Research Institute 三、鋼的生產流程及各工序功能 控軋控冷工藝技術 技術特點：技術特點：采用多機架連續軋制，可一火成材；采用多機架連續軋制，可一火成材；采用控軋控冷工藝，控制鋼材組織，細化晶粒；采用控軋控冷工藝，控制鋼材組織，細化晶粒；利用余熱實現熱處理，簡化工藝流程，減少環境污染。利用余熱實現熱處理，簡化工藝流程，減少環境污染。技術優點：技術優點：生產效率高，節能，變多火成材為生產效率高，節能，變多火成材為“一火一火”或或“無火無火”（連軋）成材（連軋）成材；成品尺寸公差小；成品尺寸公差小；產品性能穩定，質量改善。產品性能穩定，質量改善。 連軋與控軋工

19、藝技術的發展，不僅大幅度提高了生產效率，實現連軋與控軋工藝技術的發展，不僅大幅度提高了生產效率，實現“一火一火”成材，而且將離線熱處理改變為在線余熱熱處理，提高了產品成材，而且將離線熱處理改變為在線余熱熱處理，提高了產品質量，降低了環境污染。質量，降低了環境污染。19控制軋制：控制軋制是在調整鋼的化學成分的基礎上，通過控制加熱溫度、軋制溫度、變形制度等工藝參數，控制奧氏體狀態和相變產物的組織狀態，從而達到控制鋼材組織性能的目的。 控制冷卻：控制冷卻是通過控制熱軋鋼材軋后的冷卻條件來控制奧氏體組織狀態控制相變條件、控制碳化物析出行為、控制相變后鋼的組織和性能。TMCP：控制軋制和控制冷卻技術結合

20、起來，能夠進一步提高鋼材的強韌性和獲得合理的綜合性能，并能夠降低合金元素含量和碳含量，節約貴重的合金元素，降低生產成本。新一代TMCP：以超快冷技術為核心的控制軋制和控制冷卻技術。鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 三、鋼的生產流程及各工序功能 控制軋制和冷卻工序20鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute四、鋼的主要熱處理工藝及效果 鋼的基本組織分類 奧氏體：奧氏體具有面心立方

21、晶體，塑性好，一般在高溫下存在。鐵素體：鐵素體具有體心立方晶格，含碳量極少，其性能與純鐵極為相似，塑形極好。滲碳體：滲碳體是鐵和碳的化合物，也稱碳化三鐵，含碳量6.69，具有復雜的品格結構。其性能硬而脆，幾乎沒有塑性 。珠光體：珠光體是鐵素體和滲碳體相間的片層狀組織。因其顯微組織有指紋狀的珍珠光澤而得名。其性能介于鐵素體和滲碳體之間，強度、硬度適中，并具有良好的塑性和韌性索氏體：亦稱細珠光體，是奧氏體在低于珠光體形成溫度分解而成的鐵素體和滲碳體的混合物。其層片比珠光體細，僅在高倍顯微鏡下才能辨別。硬度、強度和沖擊韌性均高于珠光體。21鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China

22、Branch of Iron and Steel Research Institute四、鋼的主要熱處理工藝及效果 鋼的基本組織分類 屈氏體：亦稱極細珠光體，由奧氏體在低于珠光體形成溫度分解而成的鐵素體和滲碳體的混合體。其層片比索氏體更細。其硬度和強度均高于索氏體。貝氏體：貝氏體是過飽和鐵素體和滲碳體的混合物。貝氏體又分為上貝氏體和下貝氏體。在較高溫度形成的稱“上貝氏體”，呈羽毛狀；在較低溫度形成的稱“下貝氏體”，呈針狀或竹葉狀。下貝氏體與上貝氏體相比，其硬度和強度更高，并保持一定的韌性和塑性。馬氏體：馬氏體通常是指碳在a-Fe中的過飽和固溶體。鋼中馬氏體的硬度隨碳含量的增加而提高。高碳馬氏體

23、硬度高而脆，低碳馬氏體則有較高的韌性。馬氏體在奧氏體轉變產物中硬度最高。22處理說明應用退火將鋼件加熱到臨界溫度以上3050保溫一段時間，然后再緩慢地冷下來（一般用爐冷）用來消除鑄、鍛、焊零件的內應力，降低硬度易于切削加工，細化金屬晶粒，改善組織，增加韌性正火將鋼件加熱的臨界溫度以上，保溫一段時間，然后空氣冷卻，冷卻速度比退火快用來處理低碳和中碳鋼及滲碳零件，使其組織細化，增加強度與韌性，減少內應力，改善切削性能淬火將鋼件加熱到臨界點以上的溫度，保溫一段時間，然后在水、鹽水或油中（個別材料在空氣中）急冷下來，使其得到高硬度用來提高鋼的強度和強度極限。但淬火時會引起內應力使鋼變脆，所以淬火后必須

24、回火回火將淬硬的鋼件加熱到臨界點一下的溫度，保溫一段時間，然后在空氣中或油中冷卻下來用來消除淬火后的脆性和內應力，提高鋼的塑性和沖擊韌性調質淬火后高溫回火，稱為調質用來使鋼獲得高的韌性和足夠的強度。很多重要零件是經過調制處理的表面淬火使零件表層有高的硬度和耐磨性，而心部保持原有的強度和韌性表面淬火常用來處理齒輪等四、鋼的主要熱處理工藝及效果 主要熱處理工藝的應用 鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute23 熱處理是特殊鋼生產的重要工序之一。為了滿足用戶對特殊鋼組織、性熱處理是特殊鋼生產的

25、重要工序之一。為了滿足用戶對特殊鋼組織、性能的要求，許多特殊鋼需要熱處理交貨。例如：能的要求，許多特殊鋼需要熱處理交貨。例如： 1、所有馬氏體合金鋼軋后必須及時退火，否則由于組織應力會造成鋼材、所有馬氏體合金鋼軋后必須及時退火，否則由于組織應力會造成鋼材開裂、碎斷；開裂、碎斷； 2、60Si2CrA、60Si2CrVA軋后硬度基本都超過標準規定，所以軋后硬度基本都超過標準規定，所以GB/T12221984標準規定要熱處理交貨，只有經過軟化退火才能達到標準標準規定要熱處理交貨，只有經過軟化退火才能達到標準要求。否則會因為硬度高，造成用戶剪切下料時的刀具磨損嚴重，甚至剪切要求。否則會因為硬度高，造

26、成用戶剪切下料時的刀具磨損嚴重，甚至剪切不動和鋼材劈頭引起質量異議。不動和鋼材劈頭引起質量異議。 3、高碳鉻軸承鋼的、高碳鉻軸承鋼的GCr15、GCr15SiMn等滾動體用鋼，為了滿足用戶等滾動體用鋼，為了滿足用戶冷鐓、冷擠壓加工和最終熱處理的需要要進行球化退火。冷鐓、冷擠壓加工和最終熱處理的需要要進行球化退火。 4、合金工具鋼無論是標準規定還是用戶要求，一般都要進行退火交貨，、合金工具鋼無論是標準規定還是用戶要求，一般都要進行退火交貨，否則，不僅因硬度高造成用戶無法下料和加工，甚至在儲存和運輸過程中會否則，不僅因硬度高造成用戶無法下料和加工，甚至在儲存和運輸過程中會開裂、碎斷。開裂、碎斷。

27、5、對于塑料模具鋼許多用戶要求調質熱處理后交貨（也叫預硬化鋼），、對于塑料模具鋼許多用戶要求調質熱處理后交貨（也叫預硬化鋼），以便于直接加工成型，降低用戶的熱處理費用。以便于直接加工成型，降低用戶的熱處理費用。 6、中碳鋼、中碳鋼45#、55#用戶要求正火交貨，以利于提高切削零件的表面光用戶要求正火交貨，以利于提高切削零件的表面光潔度和心部的韌性等等。潔度和心部的韌性等等。 7、制造特大型軸承用的軸承鋼連鑄大圓坯，也需要退火交貨。、制造特大型軸承用的軸承鋼連鑄大圓坯，也需要退火交貨。 鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel

28、Research Institute 四、鋼的主要熱處理工藝及效果 典型鋼材熱處理例子24鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 傳統鋼鐵生產流程中傳統鋼鐵生產流程中成分、氧勢和溫度成分、氧勢和溫度變化變化25鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 先進鋼鐵生產流程先進鋼鐵生產流程 建立連續、緊湊、高效化的生產線是鋼鐵

29、工業新建立連續、緊湊、高效化的生產線是鋼鐵工業新型制造技術的核心型制造技術的核心26鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 TMCPTMCP工藝簡述工藝簡述 TMCP(Thermo-MechanicalControlled Processing)，即控制軋制和控制冷卻技術，是在調整鋼材化學成分的基礎上，通過對軋制過程中的溫度制度、變形制度和軋后冷卻制度等進行有效控制，顯著改善鋼材微觀組織，獲得具有良好綜合力學性能的鋼鐵材料。 TMCP是20 世紀鋼鐵業最

30、偉大的成就之一，也是目前鋼鐵材料軋制及產品工藝開發領域應用最為普遍的技術之一。27鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 TMCPTMCP的發展過程的發展過程第二次世界大戰期間，為改善船板的低溫韌性，比利時、瑞典等國鋼鐵廠所采用的“低溫大壓下”技術奠定了控制軋制的雛形。五十年代末，Nb、V、Ti等微合金化元素的應用推動了控制軋制技術的日趨成熟。1980年日本鋼管（NKK）在福山制鐵所安裝了世界上第一套中厚板控制冷卻裝置，國際鋼鐵業界將此控制軋制與控制冷卻

31、工藝的組合稱為TMCP。目前隨著超細晶粒鋼的研究開發，新一代TMCP工藝技術已經出現。28鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 傳統傳統TMCPTMCP工藝的三個階段工藝的三個階段TMCP工藝的三階段及其組織變化1-奧氏體再結晶區變形階段 ：t950 對加熱時粗化的奧氏體晶粒反復進行軋制并反復再結晶后使之得到細化2-奧氏體未再結晶區變形階段： t950Ar3奧氏體晶粒沿軋制方向伸長壓扁，晶內產生形變帶，這種加工硬化狀態的奧氏體具有促進鐵素體相變形核作用

32、3-奧氏體鐵素體兩相區變形階段： tAr3 相變后為大角度晶粒和亞晶粒的混合組織29鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 傳統傳統TMCPTMCP三大要素三大要素1：添加微合金元素-擴大未再結晶區2：低溫大壓下-產生硬化的奧氏體3：加速冷卻-控制硬化奧氏體的相變30鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 傳統傳統

33、TMCPTMCP存在的不足存在的不足 在熱軋板帶、中厚板生產應用過程中，低溫大壓下，軋制溫度很低，導致軋機負荷都很大；同時，為滿足組織轉變要求，終冷溫度通常較低，通常都低于500，有的鋼種溫度已低至350-450左右。而由此造成的軋制過程不穩定、冷卻過程的板形不良等影響推廣，因此需解決以下問題： 1）如何避開“低溫大壓下”，放寬傳統TMCP對軋制過程的嚴苛要求，實現鋼材的高效化軋制； 2）如何發揮鋼鐵材料的潛力，降低優質鋼材對合金元素和微合金元素的依賴，節省資源和能源，實現減量化軋制； 3）如何發揮強化機制的作用，提升鋼材的性能，實現鋼材的高級化，發揮先進鋼材對社會發展的引領作用。31鋼 鐵

34、研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 新一代TMCP技術 與傳統TMCP 技術采用“低溫大壓下”和“微合金化”不同，以超快速冷卻技術為核心的新一代TMCP 技術的中心思想是： 在奧氏體區適于變形的溫度區間完成連續大變形和應變積累，得到硬化的奧氏體； 軋后立即進行超快冷，使軋件迅速通過奧氏體相區，保持鋼材奧氏體硬化狀態； 在奧氏體向鐵素體相變的動態相變點終止冷卻； 后續依照材料組織和性能的需要進行冷卻路徑的控制。 即通過采用適當控軋+超快速冷卻+接近相變點溫度停

35、止冷卻+后續冷卻路徑控制，通過降低合金元素使用量、采用常規軋制或適當控軋，盡可能提高終軋溫度，來實現資源節約型、節能減排型的綠色鋼鐵產品制造過程。32鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 新一代TMCP的控制思路33鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 新一代TMCP 技術的應用 34鋼 鐵 研 究 總 院 華

36、 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 高溫軋制（HTP）) 新一代的TMCP應當在產品性能允許的條件下，盡量采用適宜的正常軋制溫度進行連續大變形，在軋制溫度制度上不一定堅持“低溫大壓下”的原則。這樣軋制負荷（包括軋制力和電機功率）可以大幅度降低，設備條件的限制可以大為放松，軋機等軋制設備的建設也不必追求高強化，建設投資可以大幅度降低。同時大大提高軋制的可操作性，避免軋制工藝事故，例如卡鋼、堆鋼等，同時也延長了軋輥、導衛等軋制工具的壽命。這對于提高產量、降低成本、提高軋制效能是十

37、分有利的。35鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 由于采用常規軋制，終軋溫度較高，如果不加控制，材料會由于再結晶而迅速軟化，失去硬化狀態。因此，在終軋溫度和相變開始溫度之間的冷卻過程中，應努力設法通過快速冷卻，避免硬化奧氏體的軟化，即設法將奧氏體的硬化狀態保持到動態相變點。 對板帶材而言，確保高速冷卻條件下的平直度是一個關鍵性、瓶頸性的問題。針對熱帶和中厚板生產過程開發出高效率、高均勻性的新式冷卻系統，以得到平直度極佳的板帶材產品。 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 )36鋼 鐵 研

38、 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 軋后鋼材由終軋溫度急速快冷，迅速穿過奧氏體區，達到需要的終冷溫度，例如鐵素體區溫度或者貝氏體區溫度等。在軋件達到預定的溫度控制點后，應當立即停止超快速冷卻。應當通過控制冷卻裝置的細分和精細調整手段的配置，以及高精度的預控數學模型來保證終止溫度的精確控制。 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 )37鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 依據鋼鐵材料有別于

39、其他材料的重要特點，即鋼鐵材料復雜的相變過程，對實施超快速冷卻后的鋼材還要進行冷卻路徑控制，這就為獲得多樣化的相變組織和材料性能提供了廣闊的空間。利用這一特點，有可能利用簡單的成分設計獲得不同性能的材料，實現減量化、集約化的軋制生產。 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 )38鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute技術關鍵：技術關鍵：冷卻速度快；冷卻時間短；終冷溫度高。超快冷技術應用帶肋鋼筋生產時，控冷終止溫度要求高于鋼材再結晶溫度。工藝關鍵：工藝關鍵：軋件上冷床的溫度在800-850。不

40、能出現淬火和回火組織技術訣竅：出成品孔后立即冷卻；分段冷卻；如成品空后無空間，放成品孔前。強化機制：細晶強化；析出強化；相變強化 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 )39鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 鋼筋的控制冷卻又稱為鋼筋軋后余熱處理或軋后余熱淬火。 該工藝是利用鋼筋終軋后在奧氏體狀態下直接進行表層淬火，隨后由其心部傳出余熱進行自身回火，以提高塑性，改善韌性，使鋼筋得到良好的綜合性能。 這種工藝簡單，節約能耗，改善操作環境，鋼筋外形美觀，條形

41、平直，收到較大的經濟效益，在國內外得到廣泛的應用。 40鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 鋼筋軋后控制冷卻的特點鋼筋軋后控制冷卻的特點 1、利用控制冷卻強化鋼筋與一般淬火、回火的調質鋼筋比較，由于利用軋制余熱，不需要重新加熱，節約了燃料及熱量消耗，縮短生產周期，提高生產率，降低了生產高強度鋼筋的成本，而且還具有更高的綜合力學性能。其原因在于：在利用軋制余熱淬火之前已發生奧氏體再結晶，使晶粒細化，奧氏體晶界的位置已經改變，新晶界的形成時間又很短，雜質

42、原子還來不及向晶界偏聚，因而改善了低溫力學性能。在軋制后淬火前尚未發生奧氏體再結晶情況下，保持著低溫形變熱處理對低溫力學性能的良好影響。 2、選用碳素鋼和低合金鋼，采用軋后控制冷卻工藝，可生產不同強度等級的鋼筋，從而可能改變用熱軋按鋼種分等級的傳統生產方法，節約合金元素，降低成本以及方便管理。 3、設備簡單，只需在精軋機后安裝一套水冷設備。或者為了控制終軋溫度或控制軋制而在中間軋機或精軋前安裝中間冷卻或精軋預冷裝置。41鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 4、在奧氏體未再結晶區終軋后

43、快冷的軋制余熱強化鋼筋在使用性能上存在一個缺點，即應力腐蝕開裂傾向較大。裂紋主要是在活動的滑移帶上位錯堆積的地方形核。具有低溫形變熱處理效果的軋制余熱淬火，提高了位錯密度，阻止了位錯亞結構的多邊形化，因而形成了促進裂紋的核心。但是，在奧氏體再結晶區終軋的軋制余熱強化鋼筋，由于再結晶過程消除了晶內位錯，而不出現應力腐蝕開裂傾向的缺點。 5、控冷后的鋼筋表面容易出現紅銹，影響鋼筋的外觀質量。 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 鋼筋軋后控制冷卻的特點鋼筋軋后控制冷卻的特點42鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research

44、 Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 軋后控制冷卻的特點三個過程軋后控制冷卻的特點三個過程第一階段：表面淬火階段(急冷段)，鋼筋離開精軋機在終軋溫度下，盡快地進入高效冷卻裝置，進行快速冷卻。其冷卻速度必須大于使表面層達到一定深度淬火馬氏體的臨界速度。鋼筋表面溫度低于馬氏體開始轉變點(Ms)，發生奧氏體向馬氏體相轉變。該階段結束時，心部溫度很高，仍處在奧氏體狀態。表層則為馬氏體和殘余奧氏體組織。表面馬氏體層的深度取決于強烈冷卻持續時間。第二階段：自回火階段，鋼筋通過快速冷卻裝置后，在空氣中冷卻。此時鋼筋各截面內外溫度梯度很大，心部熱量向外層擴散，傳至表面的淬火層，使已形成的馬氏

45、體進行自回火。根據自回火溫度不同，可以轉變為回火馬氏體或回火索氏體。而表層的殘余奧氏體轉變為馬氏體。同時鄰近表層的奧氏體根據鋼的成分和冷卻條件不同而轉變為貝氏體、屈氏體或索氏體組織。而心部仍處在奧氏體狀態。該階段的持續時間隨著鋼筋直徑和第一階段冷卻條件而改變。第三階段：為心部組織轉變階段，鋼筋在冷床上空冷一定時間后，斷面上的熱量重新分布，溫度趨于一致，同時降溫。此時心部由奧氏體轉變為鐵素體和珠光體或鐵素體、索氏體和貝氏體。心部產生的組織類型取決于鋼的成分，鋼筋直徑，終軋溫度和第一階段的冷卻效果和持續時間。43鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iro

46、n and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 鋼筋軋后控制冷卻的方法鋼筋軋后控制冷卻的方法 按照冷卻方式，鋼筋軋后控制冷卻方法有兩種： 1、軋后立即快冷工藝，在冷卻介質中快冷到規定溫度或快冷一定時間后就中斷快冷，隨后空冷進行自回火。 2、分段冷卻工藝，先在強烈的冷卻介質中并在很短時間內把表面層過冷到馬氏體轉變點以下，形成馬氏體，立即中斷快冷，空冷一定時間，使很薄的表面層中的馬氏體回火到A1溫度以下，形成回火索氏體，再進行二次快冷一段時間后中斷快冷，之后，再空冷，使心部得到索氏體、貝氏體及鐵素體組織。稱為二段冷卻。 44鋼 鐵 研 究 總 院 華

47、 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 鋼筋軋后控制冷卻的組織鋼筋軋后控制冷卻的組織 根據在快冷前變形奧氏體發生再結晶的情況可以分為兩類： 一類是變形的奧氏體已發生充分的再結晶，變形對奧氏體位錯、亞結構的影響已通過再結晶而消除。形變熱處理的效果已很小或者完全沒有，這樣就只有相變強化，而沒有形變強化，強化效果較小。這樣強化處理的鋼筋，雖然綜合力學性能略低，但其應力腐蝕穩定性較高。 另一類是軋制后到快冷前，變形的奧氏體尚未發生再結晶，或者只發生了部分再結晶，這樣，就保留或部分保留變形

48、對奧氏體的強化作用，形變熱處理效果較大，可以提高鋼筋的綜合力學性能，但應力腐蝕開裂傾向較大，這也可用分段淬火及淬火后自回火或加熱回火來解決。 45鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 鋼筋軋后控制冷卻的性能特點鋼筋軋后控制冷卻的性能特點 終軋溫度、第一階段冷卻速度和持續時間及鋼的化學成分決定了軋后控制冷卻鋼筋的性能，其中終軋溫度、第一階段冷卻速度和持續時間決定了自回火溫度。 由于鋼筋的直徑、鋼的化學成分決定的淬透性、冷卻速度和冷卻溫度不同，因此軋后淬火

49、所得組織也不同。直徑為8mm的Q235鋼，如冷卻速度快和冷卻溫度低，可以在整個橫截面上得到低碳馬氏體。直徑較大的鋼筋，很難沿整個截面上得到馬氏體組織。一般表面層得到馬氏體組織，通過自回火轉變為回火馬氏體，而心部得到索氏體、貝氏體及鐵素體等。 這兩種組織類型的鋼筋，屈服強度都可以達到784MPa以上，抗拉強度在980MPa以上。但是，具有低溫回火或未回火的低碳馬氏體組織的鋼筋在焊接時熱影響區的組織和性能變化較大。而穩定性更大的索氏體組織的鋼筋，在焊接時熱影響區的組織和性能變化較小。46鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel R

50、esearch Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 鋼筋軋后控制冷卻的應用鋼筋軋后控制冷卻的應用 經濟效益運用控軋控冷技術，利用最廉價的水資源，取代昂貴的合金元素，有效提高鋼材強度，棒材等級提高1-2級，每噸鋼材減少成本60-120元，可為企業取得顯著經濟效益。47五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 不同冷卻制度的比較 鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute48鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel R

51、esearch Institute TRIP鋼的力學性能特點與其它鋼種的比較，因TRIP效應的存在，TRIP鋼同時具有延展性和高強度的性能特點，是先進高強度鋼板中綜合性能優異的代表鋼種。 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 典型鋼種性能比較 49鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 馬氏體鋼 馬氏體鋼（MART鋼）作為唯一已經商業化生產的超高強度鋼，近年來由于熱沖壓技術的進步，重新引起重視。主要用于成型要求不高的車門防撞桿等零件代替管狀零件，減少制造成本

52、。其成分含有較高的C, Mn, Si, Cr, Mo, B, V和Ni等合金元素，其組織完全由呈板條狀的馬氏體組成。50五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 TRIP鋼的原理 TRIP鋼是通過相變誘導塑性效應而使鋼板中殘余奧氏體在塑性變形作用下誘發馬氏體形核，引入相變強化和塑性增長機制，提高鋼板的強度和韌性。TRIP鋼具有多相組織，既有軟相鐵素體，也有硬相貝氏體，還有亞穩定的殘余奧氏體，在變形過程中能逐步轉化成馬氏體。TRIP鋼組織決定了其優異的力學性能。 TRIP鋼與其他同級別的高強度鋼相比，最大特點是兼具高強度和高延伸性能，可沖制較復雜的零件；還具有高碰撞吸收性能，一旦遭遇碰撞，會通過自身形變

53、來吸收能量，而不向外傳遞。鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute51鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 TRIP鋼的成分特點 TRIP鋼的成分以C-Mn-Si合金系統為主，有時也可根據具體情況添加少量的Cr、V、Ni等合金元素。因此，它的成分特征是 碳、錳、硅和鋁是低合金TRIP鋼中的基本元素。在TRIP鋼中，碳主要富集在殘余奧氏體中，增加殘余

54、奧氏體數量，提高其穩定性，其次才是提高鋼的強度。52鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 TRIP鋼的成分特點1. 低碳 含碳量高，殘余奧氏體數量增多，有利于TRIP效應產生，然而焊接性能惡化，軋制過程中產生晶體缺陷的幾率增大，并且固溶強化作用增強導致強度增加而塑性降低。含碳量低，產生的影響恰好相反。因此，選取的含碳量一般為0.1%0.2%。2.低合金化 Si和Mn加入過多，降低鋼的塑性和韌性，并且引起焊接性能惡化。因此，TRIP鋼的含硅量和含錳量均控

55、制在1%2%的范圍內。3.鋼質純凈 除了進行必要的合金化之外，TRIP鋼中的夾雜物應盡可能低。對于鋼中的O、N、P、S、Al等元素的含量均可按照低合金鋼標準加以控制，特別是硫化物形態更應引起注意，以防止產生對鋼性能的不利影響。53鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 TRIP鋼的成分特點54鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在

56、鋼鐵生產中的應用 TRIP鋼的組織特點 TRIP鋼具有多相組織，既有軟相鐵素體，也有硬相貝氏體，還有亞穩定的殘余奧氏體。鋼中組織的合理配比、亞穩相的穩定性等決定了TRIP鋼的力學性能。55鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 TRIP鋼的組織特點 鐵素體貝氏體殘余奧氏體 鐵 素 體 是鐵 素 體 是TRIP鋼中的基鋼中的基體組織，硬度體組織，硬度低，塑性較好低，塑性較好，其含量由兩，其含量由兩相區等溫轉變相區等溫轉變過程控制，一過程控制，一般在般在50

57、以上以上。硬質相，能提高強度。貝氏體轉變區等溫處理時，發生奧氏體向貝氏體的轉變，大量碳原子擴散到相鄰奧氏體內。隨著貝氏體區長大，相鄰奧氏體內碳濃度升高，直到奧氏體的臨界轉變溫度T0接近于等溫溫度，相變逐漸停止。殘余奧氏體含量殘余奧氏體含量與穩定性對與穩定性對TRIPTRIP效應都有影響，效應都有影響，只有達到殘余奧只有達到殘余奧氏體含量與穩定氏體含量與穩定性的統一，才能性的統一，才能獲得最佳的力學獲得最佳的力學性能。殘余奧氏性能。殘余奧氏體含量主要受貝體含量主要受貝氏體區等溫溫度氏體區等溫溫度和時間控制。和時間控制。56鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch

58、of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 TRIPTRIP鋼的生產工藝鋼的生產工藝 熱軋：熱軋：TRIPTRIP采用在終軋后控制冷卻和低溫卷曲的方式生產，其采用在終軋后控制冷卻和低溫卷曲的方式生產，其冷卻模式由四部分組成：冷卻模式由四部分組成： 1、鋼板在單相區終軋后快速冷卻到中間溫度，加速鐵素體的形成。 2、在中間溫度保持一段時間以獲得足夠的鐵素體。保持時間和緩冷的溫度以不形成珠光體為準，因為珠光體的形成將消耗大量的碳，從而減弱了碳在未轉變奧氏體中的富集。 3、然后再快速冷卻到卷曲溫度，完成奧氏體到貝氏體的轉變，卷曲溫度控制在

59、500以下以抑制珠光體的形成。 4、從卷曲溫度自然冷卻到室溫。 可見，熱軋TRIP鋼生產的關鍵是終軋后兩段冷卻的控制。57鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Research Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 TRIPTRIP鋼的生產工藝鋼的生產工藝 冷軋：冷軋TRIP鋼的多相組織主要通過形變熱處理，兩相區等溫以及中溫貝氏體轉變區等溫淬火。典型的冷軋TRIP鋼處理工藝如圖所示。58鋼 鐵 研 究 總 院 華 東 分 院East China Branch of Iron and Steel Resear

60、ch Institute 五、熱處理技術在鋼鐵生產中的應用 TRIP鋼的性能特點 1、強度高，延性大，即其強塑積(TSEL)較高；TRIP鋼的強塑積一般均大于20000，而一般鋼種的強塑積約為15000， 因此TRIP鋼可用作形狀較復雜的零件。 2、鋼的加工硬化指數較高，均在0.2以上， 而析出強化系列鋼則在0.2以下。 3、平面各向異性較低， 在深沖時制耳很小 。 4、成型后表現出很強的烘烤硬化特性。 5、TRIP鋼的屈強比(YS/TS)略高于雙相鋼，約為0.6 0.8，加工容易；而析出強化鋼板的屈強比約為0.8 0.9。 6、具有高的成形極限高度和拉脹性能，特別適合于脹形的零件。 7、沖撞