热处理在钢铁生产中的应用和新产品开发

钢铁热处理技术及新产品开发王忠英钢铁研究总院华东分院2015年11月14日整合资源实现共赢协同创新引领发展目录一、先进钢铁材料的要求二、影响钢铁材料质量的主要因素三、钢的生产流程及各工序对质量的影响四、钢的主要热处理工艺及效果五、热处理技术在钢铁生产中的应用钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute一、先进钢铁材料的要求——总体要求高性能－高强度、高韧性、长寿命高内部质量－高洁净度、高均匀度、超细晶粒、夹杂物控制高表面质量－表面无缺陷、高尺寸精度和光洁度多品种－钢种和材型3500多种碳素钢和合金钢板、管、丝、带、棒、锻材低成本－降低合金含量和工艺操作成本降低能源消耗和金属消耗微合金化－改善组织和性能绿色环保－易于回收和利用、可持续发展以铁为基，其它元素应无污染、可回收1、窄化学成分2、高洁净度3、高均匀性4、组织可控5、高尺寸精度6、高表面质量钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute一、先进钢铁材料的要求——对冶金质量的要求1、力学性能：强度、塑性、韧性2、服役性能：疲劳、延迟断裂、蠕变、持久、腐蚀3、工艺性能：冷热加工性能钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute一、先进钢铁材料的要求——对性能的要求1、生产过程中稳定和经济性回收2、加工过程中稳定和经济性回收3、应用过程中稳定和经济性回收钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute一、先进钢铁材料的要求——对环境友好的要求1、生产过程的低成本2、加工过程的低成本3、应用过程的低成本钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute一、先进钢铁材料的要求——对低成本的要求钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute一、先进钢铁材料的要求——钢的昨天、今天和明天0100020003000400050006000抗拉强度,MPa昨天2008002000500今天400200040001000明天800300060002000铁素体钢马氏体钢珠光体钢奥氏体钢在钢铁材料基础理论研究和工艺技术装备发展的基础上，为了满足不断增长的需要，新型钢铁材料层出不穷。钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute一、先进钢铁材料的要求——典型的先进钢铁材料种类类别新型钢铁代表类型碳素结构钢细晶粒钢、超细晶粒钢高强度低合金钢双相钢、超深冲IF钢、高强度IF钢、TRIP钢、耐候钢合金结构钢微合金非调质钢、耐延迟断裂螺栓钢、长寿命齿轮钢等超高强度钢高强度高韧性的马氏体时效钢、低合金超高强度钢不锈耐蚀钢耐苛刻介质腐蚀不锈钢、铁素体时效不锈钢、马氏体时效不锈钢耐热钢超超临界机组用铁素体耐热钢轴承钢超高洁净度高碳铬轴承钢、控制淬透性轴承钢、耐坏境作用轴承钢工模具钢不变形模具钢、易切削模具钢、防震模具钢、少偏析/无偏析高速钢钢的性能决定于其组织形态，而组织则决定于化学成份、热加工生产工艺及热处理工艺。1、钢的化学成分及均匀性2、钢的洁净度及夹杂物控制3、钢的组织控制及稳定性钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute二、影响钢铁材料质量的主要因素钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute三、钢的生产流程及各工序功能——钢的生产流程1、主要是化学成份的精确控制、窄带范围控制2、洁净度及夹杂物控制3、化学成分的均匀化控制，减少成份的偏析。钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute三、钢的生产流程及各工序功能——冶炼及连铸工序钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute三、钢的生产流程及各工序功能——冶炼及连铸工序炉外精炼技术技术特点：实现分阶段冶炼，创造最佳的热力学动力学条件，保证钢水纯洁度；采用真空精炼，提高脱C脱气速率；采用电弧加热，精确控制钢水温度；采用吹氩搅拌工艺，精确控制钢水成分。技术优点：提高钢水纯净度：[S]≤5×10-6，[P]≤20×10-6，[N]≤15×10-6，[H]≤1.5×10-6，[T·O]≤10×10-6，[C]≤10×10-6；精确控制钢水成分，降低生产成本；精确控制钢水温度，提高生产效率。炉外精炼的发展，大幅度提高了钢水净化度，明显改善了产品的性能。为新一代钢铁材料的发展打下坚实工艺基础。钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute三、钢的生产流程及各工序功能——冶炼及连铸工序连续铸钢技术技术特点：利用中间包－结晶器－二次冷却－拉矫等生产设备，连续生产合格铸坯；采用结晶器振动和保护渣改善铸坯表面质量；采用二次冷却和电磁搅拌，提高铸坯内部质量。技术优点：连续化生产，生产效率提高；钢材成材率提高15~20%；实现近终形连铸；实现高温热送热装或连轧工艺。连铸技术的发展，不仅提高了钢铁成材率，提高了生产效率，而且促进了钢铁生产从单元化、间断生产的模式向连续化短流程方向发展。钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute三、钢的生产流程及各工序功能——高品质钢洁净生产流程传统观点认为，只有少数高附加值钢材要求达到超纯净。而21世纪先进钢铁厂的基本理念是要保证生产所有钢材都能超纯净，钢中杂质元素总含量S+P+N+T.O+H100~15010-6，也就是“大批量”的概念。为了实现这一目标，必须努力降低超纯净钢的生产成本（目标是低于现代化钢铁流程中普通钢的生产成本），提高生产稳定性，保证产品质量稳定。1、解决钢的化学成分均匀化、降低碳化物液析、不均度、碳化物带状、铁素体带状等钢液选分结晶规律带来的问题。2、防止表面脱碳、过热、过烧等加热缺陷。3、高碳铬轴承钢、马氏体、贝氏体、莱氏体钢在加热时，必须控制升温速度，否则加热速度过快时会因热应力和组织应力使钢锭或钢坯产生应力裂纹或断裂；4、保证适宜的高温扩散时间，当高温扩散时间不足时，高碳钢钢液凝固产生的一次大颗粒碳化物（液析碳化物）无法固溶到奥氏体中，也就无法降低液析碳化物级别；5、低碳合金结构钢钢坯的树枝状晶也不能溶入奥氏体中，就无法降低铁素体带状组织对力学性能的不良影响。6、保淬透性结构钢加热时，也需要进行适当的高温扩散，以解决微区化学成分偏析、带状组织对淬透性和力学性能均匀性等问题的不良影响。钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute三、钢的生产流程及各工序功能——轧钢工序(加热制度)1、通过一定压缩比消除铸造缺陷，材料的各项综合力学性能就好。2、保证钢材的外形尺寸3、特殊钢在高温状态下的变形抗力较普钢高，高温塑性差，因此其轧制工艺亦有其特殊性。4、为了满足钢的组织和性能要求，钢材轧后冷却有缓冷、水冷、风冷和雾冷。4.1殊钢由于逸氢及减轻组织应力的需要，一般均采用较高的终轧温度，冷床一般相对较窄，以利于高温入坑缓冷，其目的是为了避免产生白点和应力裂纹。4.2对于需要获得索氏体组织的钢种或需要控制二次碳化物网状级别的钢种则采用水冷、风冷或雾冷；如目前已成功开发应用的斯太尔摩生产线就是线材生产过程中对钢材轧后冷却制度应用的典型。4.3为避免某些钢种轧后开裂或硬度过高则在冷床采用保温设施。钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute三、钢的生产流程及各工序功能——轧钢工序(轧制及冷却)钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute三、钢的生产流程及各工序功能——控轧控冷工艺技术技术特点：采用多机架连续轧制，可一火成材；采用控轧控冷工艺，控制钢材组织，细化晶粒；利用余热实现热处理，简化工艺流程，减少环境污染。技术优点：生产效率高，节能，变多火成材为“一火”或“无火”（连轧）成材；成品尺寸公差小；产品性能稳定，质量改善。连轧与控轧工艺技术的发展，不仅大幅度提高了生产效率，实现“一火”成材，而且将离线热处理改变为在线余热热处理，提高了产品质量，降低了环境污染。•控制轧制：控制轧制是在调整钢的化学成分的基础上，通过控制加热温度、轧制温度、变形制度等工艺参数，控制奥氏体状态和相变产物的组织状态，从而达到控制钢材组织性能的目的。•控制冷却：控制冷却是通过控制热轧钢材轧后的冷却条件来控制奥氏体组织状态控制相变条件、控制碳化物析出行为、控制相变后钢的组织和性能。•TMCP：控制轧制和控制冷却技术结合起来，能够进一步提高钢材的强韧性和获得合理的综合性能，并能够降低合金元素含量和碳含量，节约贵重的合金元素，降低生产成本。•新一代TMCP：以超快冷技术为核心的控制轧制和控制冷却技术。钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute三、钢的生产流程及各工序功能——控制轧制和冷却工序钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute四、钢的主要热处理工艺及效果——钢的基本组织分类奥氏体：奥氏体具有面心立方晶体，塑性好，一般在高温下存在。铁素体：铁素体具有体心立方晶格，含碳量极少，其性能与纯铁极为相似，塑形极好。渗碳体：渗碳体是铁和碳的化合物，也称碳化三铁，含碳量6.69％，具有复杂的品格结构。其性能硬而脆，几乎没有塑性。珠光体：珠光体是铁素体和渗碳体相间的片层状组织。因其显微组织有指纹状的珍珠光泽而得名。其性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度适中，并具有良好的塑性和韧性索氏体：亦称细珠光体，是奥氏体在低于珠光体形成温度分解而成的铁素体和渗碳体的混合物。其层片比珠光体细，仅在高倍显微镜下才能辨别。硬度、强度和冲击韧性均高于珠光体。钢铁研究总院华东分院EastChinaBranchofIronandSteelResearchInstitute四、钢的主要热处理工艺及效果——钢的基本组织分类屈氏体：亦称极细珠光体，由奥氏体在低于珠光体形成温度分解而成的铁素体和渗碳体的混合体。其层片比索氏体更细。其硬度和强度均高于索氏体。贝氏体：贝氏体是过饱和铁素体和渗碳体的混合物。贝氏体又分为上贝氏体和下贝氏体。在较高温度形成的称“上贝氏体”，呈羽毛状；在较低温度形成的称“下贝氏体”，呈针状或竹叶状。下贝氏体与上贝氏体相比，其硬度和强度更高，并保持一定的韧性和塑性。马氏体：马氏体通常是指碳在a-Fe中的过饱和固溶体。钢中马氏体的硬度随碳含量的增加而提高。高碳马氏体硬度高而脆，低碳马氏体则有较高的韧性。马氏体在奥氏体转变产物中硬度最高。处理说明应用退火将钢件加热到临界温度以上30〞50℃保温一段时间，然后再缓慢地冷下来（一般用炉冷）用来消除铸、锻、焊零件的内应力，降低硬度易于切削加工，细化金属晶粒，改善组织，增加韧性正火将钢件加热的临界温度以上，保温一段时间，然后空气冷却，冷却速度比退火快用来处理低碳和中碳钢及渗碳零件，使其组织细化，增加强度与韧性，减少内应力，改善切削性能淬火将钢件加热到临界点以上的温度，保温一段时间，然后在水、盐