轧后直接淬火工艺的技术特点及强韧机理

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1.直接淬火工艺的技术特点

在20世纪80年代,受世界性能源危机的影响,作为节能技术之一的轧后直接淬火工艺随着控冷技术的发展成熟,逐步被引入高强度中厚板的生产中。所谓轧后直接淬火技术,是指利用轧制后的余热,当钢板组织处于完全奥氏体状态时,由布置在轧制线内、精轧机后的淬火设施对其进行大于临界冷却速度的急剧冷却,从而获得马氏体和(或)贝氏体组织的工艺技术。

与传统的再加热淬火工艺相比,轧后直接淬火工艺省去了钢板的再加热过程,简化了工艺流程,降低了生成成本,提高了在线热处理设备的利用率。此外,通过优化钢板的化学成分以及控制直接淬火前的轧制条件,将变形和热处理工艺有机结合起来,可有效改善钢板的综合性能,获得传统再加热淬火工艺所得不到的强韧性能组合。

2.直接淬火工艺的强韧机理

直接淬火后,钢板的组织主要由微细的马氏体或贝氏体及析出的碳化物等组成。如果为马氏体组织,则其主要构成是马氏体束、马氏体包和其内部所包含的大量高密度位错;如果为贝氏体组织,则其主要构成是贝氏体和先共析铁素体等,并且在晶界、变形带边界和原奥氏体晶界处可观察到有碳化物析出。

直接淬火后的调质钢,强度主要由位错密度和析出强化等因素决定,而韧性一般由相对于断裂的实际组织的微细程度决定,即与大角度晶界所包围的结晶单位尺寸的大小有关。如果是马氏体组织,则由马氏体晶包尺寸决定;如果是贝氏体组织,则由贝氏体、铁素体晶粒的尺寸决定。

根据轧后钢板的奥氏体再结晶状态的不同,轧后直接淬火技术分为奥氏体再结晶区直接淬火和奥氏体未结晶区直接淬火。采用的直接淬火工艺不同,淬火后钢板的强韧效果亦有所不同。

(1)奥氏体再结晶区直接淬火。对在奥氏体再结晶温度区间终轧的钢板进行淬火时,合金元素尤其是碳氮化合物因轧制温度高而均匀地固溶于奥氏体中,使钢板淬透性提高,因此淬火后能增加钢板的强度和韧性。

(2)奥氏体未再结晶区直接淬火。对在奥氏体未再结晶温度区间终轧的钢板进行淬火时,钢板的性能是由其自身的合金元素和金相组织决定的,其固有的淬火能力对直接淬火后的钢板性能有决定性的影响。

对于高淬火性能钢板,直接淬火的调质钢板的强度和韧性得到明显提高。钢板强度提高的原因为:加工强化奥氏体相变后产生的马氏体板条中含有大量的高密度位错,位错的强化效果明显提高了强度;含有大量晶体缺陷的板条马氏体在回火后析出微细的合金碳化物,起到了沉淀强化的作用,从而提高了强度。钢板韧性提高的原因为:加工强化的未再结晶奥氏体包含有大量的晶体缺陷,如位错、变形带等,使相变后的马氏体板条和包块组织得到细化。

对于低淬火性能的钢板,由于奥氏体未再结晶区的变形促进了铁素体在变形奥氏体的晶界和晶粒内变形带处的析出,降低了钢材的淬透性,使钢板强度有所下降;对于钢板的韧性,则要视钢种情况区分,有的有所改善,而有的将稍有下降。