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刘冠松科研训练

本科科研训练论文

题目：

热轧钢板热处理工艺的研究

学生姓名：

刘冠松

学院：

材料科学与工程

系别：

材料与冶金工程

专业：

冶金工程

班级：

冶金08-1

指导教师：

路焱讲师

二〇一一年十二月

摘要

为了改善和提高热轧钢板的综合力学性能，从冶炼方面可采取精炼及合金化等措施。

热轧钢板生产厂也可以采用控轧控冷以及热处理等工艺来实现。

采取哪种办法根据钢板的生产和使用的成本来选择。

实验分析了热轧钢板热处理的现状，研究了不同热处理方法对酒钢热轧钢板性能的影响，通过对热轧钢板表面硬化、正火、退火、回火、淬火等热处理，分析了不同热处理对热轧钢板组织性能和机械性能（抗拉强度，屈服极限强度和抗压强度）的影响。

研究表明，加热、保温及冷却使钢板获得要求的金相组织来改变钢板性能。

热处理可使钢板性能得到改善的主要原因是钢在固态范围内，随着加热温度和冷却速度的变化，内部组织也会发生相应得变化。

因此，利用不同的加热速度和冷却速度来控制和改变钢的组织结构。

便可获得不同的性能。

关键词：

SPHC；热处理；微观组织；机械性能

Abstract

inordertoimproveandenhancethecomprehensivemechanicalpropertiesofhotrollingsteelplate,canadoptmeasuressuchasrefiningandalloyingfromsmeltingaspects.Hot-rolledsteelfactoriescanrealizeitbycontrolledrollingcoldandheattreatmentprocess.Whichwaytochooseaccordingtosteelplateandtheproductionanduseofcost.

Theexperimentalanalysisofthepresentsituationofhotrolledsteelheattreatment,heattreatmentmethodtostudythedifferentinfluenceontheperformanceofthehotrollingsteelplatecalorificvalue,throughsteelplatesurfacehardeningofhot,normalizing,annealing,tempering,quenchingheattreatment,etc,thispaperanalyzesthedifferentheattreatmentofhotsteelplateorganizationperformanceandmechanicalperformanceinfluence.Researchshowsthat,heatingandcoolingmakesteelplateheatpreservationandachievetherequiredmetallographicorganizationtochangesteelplateperformance.Heattreatmentcanmakethesteelplateimprovedthepropertiesofthemainreasonisthesteelinsolidrange,withheatingtemperatureandcoolingratechanges,internalorganizationwillalsohappentocorrespondingchange.Therefore,theuseofdifferentheatingspeedandthecoolingspeedtocontrolandchangeofthesteelstructure.Hecangetdifferentperformance.

Keywords:

SPHC;carburizing;surface;strengthening;microstructure;mechanicalpropertiestest

摘要2

Abstract3

目录1

引言1

第一章绪论2

1.1当前热处理工艺研究的主要内容2

1.1.1正火和退火2

1.1.2淬火和回火2

1.1.3钢的表面热处理3

1.1.4热处理设备3

1.2国内热轧钢板热处理工艺与设备发展现状4

1.2.1对炼钢、轧钢工序设备的要求5

1.2.2对轧钢厂的场地要求5

1.2.3中厚板热处理的主要方式5

1.2.4正火工艺的特点及注意事项6

1.2.5中厚钢板热处理炉炉型分类7

1.2.6国内中厚板厂热处理线的布置特点8

1.2.7中厚板热处理线配套设施应注意的问题8

1.3热处理研究的目的与意义9

第二章实验材料与方法9

2.1实验材料9

2.2实验方法10

第三章结论10

参考文献11

谢辞12

引言

热轧钢板机械性能远不及冷加工，也次于锻造加工，但有较好的韧性和延展性。

由于热连轧钢板产品具有强度高，韧性好，易于加工成型及良好的可焊接性等优良性能，因而被广泛应用于船舶、汽车、桥梁、建筑、机械、压力容器等制造行业。

随着热轧尺寸精度、板形、表面质量等控制新技术的日益成熟以及新产品的不断问世，热连轧钢板、带产品得到了越来越广泛的应用并在市场上具有越来越强的竞争力。

热连轧钢板产品，钢种规格品种繁多，用途广泛，从一般的工程结构至汽车、桥梁、船舶、锅炉压力容器等制造，都得到大量使用。

各种不同用途，对钢板的材质性能、表面质量及尺寸、外形精度等要求也各不相同，因此，必须对热轧钢板产品的品种、材质、特性及其用途有所了解，才能做到经济、合理利用。

材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能等，材料经冷热加工制成各种机器零件使用，在加工过程和使用过程中对其提出工艺性能方面和使用性能方面的要求。

工艺性能要求主要包括材料的切削性能、铸造性能、冷变形性能、热变形（锻轧）性能、焊接性能、热处理性能等，使用性能方面包括材料的力学性能（强度、塑性、韧性）、工作可靠性能（冷脆性）、工作寿命（磨损、腐蚀、疲劳）等。

材料的热处理性能包括材料的淬透性、硬化性能、渗碳性能、热处理变形倾向、熟处理裂纹倾向等，材料的热处理性能好则可以简化工艺，提高工件精度和延长使用寿命，热处理性能差则可导致工件开裂、变形或者性能不合格、产生脆性等。

热处理变形是最常见的热处理缺陷，尤其像渗碳齿轮等复杂零件，热处理变形尤为严重。

热处理变形是热处理工作者一直十分关注的问题。

热轧钢板经淬火、低温回火进行整体强化后，组织为低碳马氏体（板条马氏体），具有优良的综合性能，通过改变热处理工艺调整其金相组织，可以达到提高韧性、改善耐磨性能的效果，从而更大的发挥材料潜力，拓展其应用空间。

第一章绪论

1.1当前热处理工艺研究的主要内容

根据热处理的加热和冷却不同，钢板热处理可以分为正火，退火，淬火及回火调质等。

1.1.1正火和退火

将钢加热到一定的温度，保温后在空气中冷却。

目的：

改善钢的切削性能；中碳结构钢要求不高时，可作调质前的准备；消除过共析钢的网状渗碳体，改善组织.消除钢的缺陷及魏氏体组织，细化晶粒；.消除钢的应力亚共析钢是加热至Ac3+30-50℃；组织为铁素体+珠光体。

过共析钢是加热至Accm+30-50℃；组织为珠光体+渗碳体。

将钢的加热到一定温度，保温一段时间，然后随炉冷却的一种工艺。

去应力退火加热温度是500-600℃；缓冷到300℃后出炉，空冷。

目的：

消除铸件轧件的变形应力。

球化退火加热温度是Ac1以上30-50℃，随炉冷却。

目的：

球化组织，降低硬度，改善钢的切削性能；细化晶粒，改善组织，为最终的热处理作准备；消除应力[8]。

1.1.2淬火和回火

将钢件加热至Ac3+30-50℃（亚共析钢）；Ac1+30-50℃之间，完成共析相变然后快冷的工艺。

淬火目的：

提高钢强度，硬度及耐磨性能。

但是淬火不能使最终的热处理，为了消除淬火应力及脆性，必须回火。

回火是将淬火后的钢件加热到Ac1以下的某一温度，在此温度下保温后再冷却。

1）.低温回火加热温度：

150-250℃；稍微降低淬火硬度，消除淬火应力；得到低温回火马氏体组织。

2）.中温回火加热温度：

350-500℃；使钢具有足够的强度，韧性和硬度；得到回火屈氏体组织。

3）.高温回火加热温度：

500-650℃；消除淬火应力，大大提高了钢的韧性，使钢获得良好的综合性能；得到回火索氏体组织。

1.1.3钢的表面热处理

⑴表面淬火：

是将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上，但热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没有发生相变，这就实现了表面淬硬而心部不变的目的。

适用于中碳钢。

⑵化学热处理：

是指将化学元素的原子，借助高温时原子扩散的能力，把它渗入到工件的表面层去，来改变工件表面层的化学成分和结构，从而达到使钢的表面层具有特定要求的组织和性能的一种热处理工艺。

按照渗入元素的种类不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、氰化和渗金属法等四种[3]。

1.1.4热处理设备

中厚板热处理炉按运送方式分：

辊底式炉，辊底式淬火炉，回火炉，常化炉，车底式炉以及外部机械化炉。

这些炉可用于正火，退火，淬火，回火，调质等热处理。

炉子的型号，尺寸和产量如表1-1。

钢种及其相应的热处理工艺如表1-2。

表1-1炉子的型号尺寸和产量

辊底式炉

外部机械化炉

车底式炉

常化炉

淬火炉

用途

正火，回火，调质

淬火，调质

淬火，调质，回火

退火，高温回火

钢板尺寸（mm）

6-80×1500-3700×3000-18000

50-300×1600-3200×36000-11600

20-300×1500-2700×4000-14000

炉子尺寸（mm）

85000×4200

36000×11600h=1100

最高炉温/℃

600-950

980

1150

≤950

燃料

高炉转炉混合煤气

年处理量t/年.

252000

25000

30000

表1-2钢种及其相应的热处理工艺

钢种

钢号

板厚

处理类型

温度/℃

普碳钢

Q250-Q275

≤16

>16

正火

890-910

碳结钢

20#-45#

40#

65Mn

正火

退火

860-880

680-700

700-720

低合金结构

16Mn

≤16

>16

正火

910±10

船板

一般D级

>35-50

正火

910±10

高强度

A32-A36

A40

D32D36

E40

20-30

>20-50

>25-50

正火

淬火+回火

910±10

900±10

920±10

容器板

16Mn

15MnR

≤12

14-16

≥18

正火

910-930

910±10

910-930

高压锅炉板

13HW35

正火

910-930

低压锅炉

20g

16Mng

≤16

>16

12-16

>18

正火

900±10

910-930

桥梁钢板

15MnVNq

StE355

正火

910-930

900±10

1.2国内热轧钢板热处理工艺与设备发展现状

目前在中厚钢板的生产中控轧控冷（TMCP）工艺已普遍应用，并在管线钢、高强度结构钢、海洋平台用钢、造船板等的生产中发挥了积极作用，大大提高了钢板的综合性能，节约了宝贵的合金元素[4]。

但是，TMCP处理的钢板性能离散度较大，而且一些钢种要求很苛刻的临界轧制。

因此，对于生产厚规格、高性能钢板，尤其是要求性能均匀性比较高的锅炉压力容器钢板、桥梁钢板、高层建筑钢板、Z向钢板等，传统的离线热处理方式仍然是难以替代的。

因此一个定位于生产高性能品种钢为主的中厚板厂，建设一条现代化的中厚板热处理生产线，是在设计之初就必须考虑的问题。

1.2.1对炼钢、轧钢工序设备的要求

中厚板轧后热处理炉是生产高技术含量、高附加值产品不可缺少的主要设备，因此应定位在生产“双高”产品，要求钢质纯净、有害元素和夹杂物含量低，板坯厚度要满足一定的压缩比，配备有控轧控冷设施等。

这就要求前面的炼钢和轧钢工序具备生产“双高”产品的条件，如炼钢工序要配备有铁水预处理设施、大吨位的顶底复吹转炉或高功率电炉、LF/VD/RH等炉外精炼设施、直弧形大板坯连铸机等，轧钢工序要配备有高刚度强力轧机、ACC（DQ）、强力矫直机等[5]。

1.2.2对轧钢厂的场地要求

在建设中厚板厂时，要考虑精整的能力足够大，也就是后面剪切、冷床等的能力要大于前面轧钢能力，以便于充分发挥轧机的潜能。

同样如果一个中厚板厂定位于生产高技术含量、高附加值产品时，就要考虑厂房后部工序要留有充分的火焰切割、探伤、热处理生产线的场地。

因为对于需要热处理的钢板来说，一般40mm以上的厚规格钢板受剪切能力限制，需要火焰切割，而且热处理的钢种很多要求逐张探伤。

因此，在厂房设计时要留有足够的场地，否则将严重制约生产能力的发挥。

探伤一般可安排在热处理之前，这样探伤不合可直接改判以节省热处理费用，但正火通过再结晶细化均匀组织，对于某些微小的探伤缺陷有改善作用，尤其是合金含量较高的钢种。

因此，有些品种可安排在热处理之后探伤。

但是，热处理对于大的分层和夹杂造成的探伤缺陷基本无能为力。

1.2.3中厚板热处理的主要方式

中厚钢板热处理的主要方式有正火、调质（淬火+高温回火）、正火+控冷、正火+

回火、回火、退火、直接淬火（DQ）、直接淬火+回火等。

其中，处理量最大的是正火板，包括正火+回火，大约占所有热处理产品的70%左右；其次是调质板，占15%左右；其它如回火等占15%。

中厚板热处理工艺流程如图1.1。

图1.1中厚板热处理工艺流程

1.2.4正火工艺的特点及注意事项

正火也叫常化或正常化，其目的在于使上一道工序中产生的非正常组织（如铁素体晶粒粗大、魏氏组织、带状组织、非铁素体+珠光体组织产物等亚共析钢组织缺陷）通过重结晶、均匀化组织予以改善（对低碳钢为细小等轴铁素体+均匀分布的块状珠光体组织），从而改善其力学性能和工艺性能。

正火可以作为预备热处理，也可以作为最终热处理。

对机加工零件的结构钢来说，正火多半作为预备热处理，为随后的切削加工和最终热处理做组织准备；对低碳低合金钢板来说，正火都是作为最终热处理，使钢板具有所要求的组织，从而使其具有所要求的力学性能和工艺性能。

钢板正火处理后晶粒细、碳化物分布均匀，力学性能良好。

正火工艺可使目前普遍应用的以Nb、V、Ti等强碳氮化物形成元素的低（微）合金高强度钢板12的延伸、低温冲击韧性和冷弯性能大幅改善。

但值得注意的是，正火在提高热轧低碳低合金钢板的工艺性能的同时，往往降低钢的强度，屈服强度和抗拉强度一般降低20～50MPa，对于控轧控冷钢板严重的可降低80～120MPa。

因此，为保证钢板的交货性能，在正火钢板成分设计时，应不同于一般控轧控冷钢板，可适当增加C、Mn等固溶强化元素以提高强度（注意碳当量指标不要过高），虽然热轧后钢板的延伸率或冲击功有所降低，但这两项指标在正火处理后会有大幅提高。

正火+控冷（+回火）新工艺：

常化炉除处理“双高”产品外，另一大作用是挽救很多热轧后延伸或冲击不合产品，减少改判率。

但随之而来的一个问题是一些延伸、冲击不合需挽救的产品本身强度富裕量小，容易导致处理后强度反而不合。

这除了在正火温度、时间上可以做一些调整外，还可以应用正火+控冷（+回火）工艺。

为防止很多钢板正火后强度大幅降低，目前国内武钢、舞钢、重钢、太钢等都开发了正火+控制冷却的工艺，利用炉后淬火机或简易水冷设施等进行正火后弱水冷（水雾等）的工艺，可较好地弥补钢板的强度损失，依据太钢经验，钢板强度可提高10MPa。

对于控制冷却后钢板性能波动较大的钢种或ASTM（美国材料与试验协会）中规定正火后加速冷却必须回火的钢种还可应用正火+控冷+回火工艺[13]。

正火+回火：

在锅炉压力容器钢板处理中采用较多，尤其是CrMo钢多采用正火+高温回火。

调质（淬火+高温回火）：

近年来，超级钢、超低碳贝氏体钢等生产技术蓬勃发展，许多传统调质处理生产的屈服强度450MPa以上的钢板利用超细晶等技术已经可以生产，但对于压力容器、石油储罐、桥梁、军工等重要结构钢板，很多标准和用户还是要求钢板以调质状态交货。

因此，一条现代化的调质钢板生产线对于提高中厚钢板厂的产品档次是不可或缺的。

调质即淬火+高温回火，代表钢种有油罐钢SPV490Q、14MnNbq、军工板921、模具钢P20等。

[9]目前，调质热处理线都是采用辊底式炉快速出炉后面配套辊压式淬火机。

淬火+低温回火：

对于耐磨钢等要求表面硬度较高的钢种多采用淬火+低温回火。

在线直接淬火（DQ）+回火：

该技术是20世纪90年代以来发展的新技术。

利用轧后的直接淬火设施（30mm以下较容易）实施钢板在线直接淬火，然后进行离线的回火处理，可大大节约热处理成本。

目前在生产高强度低碳贝氏体钢、油罐钢等钢种时采用较多。

1.2.5中厚钢板热处理炉炉型分类

中厚钢板热处理炉分类，按工作方式分为连续式热处理炉和周期式间歇性热处理炉两种；按钢板运送方式分为辊底式、步进式、台车式、外部机械化式及罩式等五种；按照加热方式可分为明火加热与辐射管无氧化式加热两种。

中厚钢板热处理炉分类如图1.2所示。

图1.2中厚钢板热处理炉分类

1.2.6国内中厚板厂热处理线的布置特点

目前，一般中厚板厂都采用两条线布置，一条调质线（辊底式正火炉后配套淬火机组），一条正火线（可采用明火加热辊底式或步进梁式；也可采用辐射管加热无氧化辊底式炉）。

目前国内鞍钢、浦钢都是这样布置。

作为我国特种宽厚板生产厂的舞钢配备有目前国内最为齐全的热处理生产线，在2005年调质线建成后仅连续式热处理线就有三条；武钢的3号炉在2006年1月份也已建成；现在宝钢厚板厂在建两条新的热处理生产线。

这样舞钢、武钢、宝钢都将有三条轧后热处理线。

济钢中厚板厂热处理线一期工程辐射管加热无氧化辊底式热处理炉2005年7月建成投产，预留二期调质线场地；鞍钢、南钢也在考虑增建热处理线。

1.2.7中厚板热处理线配套设施应注意的问题

抛丸机组国内很多厂家都可以制造，但与国外设备还存在差距，主要体现在抛丸头的寿命，可以采用进口抛丸头的方式。

抛丸机的质量好坏直接关系到抛丸后钢板的表面质量，若抛丸及清扫不彻底，将氧化铁皮带入炉内，容易造成炉底辊结瘤，不仅划伤钢板，而且结瘤清理起来很困难[12]。

因此，抛丸机组工作正常与否对热处理钢板的表面质量影响很大。

热处理炉用的燃料比钢坯加热炉要求高，热值必须稳定。

目前，钢厂采用天然气的炉子较少，大部分都是使用高焦混合煤气。

在加热介质方面，最好选用热值高、纯净的天然气，其次为发生炉煤气、再次为焦炉煤气或高焦混合煤气。

较脏的煤气在进烧嘴前，一定要配备有效的脱硫和净化设施。

无论是传统平焰烧嘴、直燃烧嘴、还是辐射管都要求煤气纯净度高，因此应配备电除尘系统（电捕焦油器）。

相对来说，明火加热的热效率比辐射管加热高一些，但对热值要求也高一些。

厚度20mm以上的热轧钢板若板型良好，正火后一般不需要矫直。

对热处理后板型不好的钢板、调质板等应增设强力冷热矫直机。

由于热处理的钢板很多是高强钢和厚板，还可根据需要配套压平机[14]。

1.3热处理研究的目的与意义

通过实验对比了钢在相近的工艺条件下，渗碳表面强化处理的工艺性能，包括热处理变形倾向、渗碳性能、硬化性能，定量分析了试样表面的残余奥氏体含量。

分析了钢和钢渗碳表面强化试样的金相组织，测试了热处理后材料的强度、塑性和韧性指标，测试了相同条件下的掘粘着磨损能力。

本研究力图通过对重载齿轮热处理变形规律的分析，掌握其热处理变形规律，以便在重载齿轮的热处理过程中对各种影响因素加以控制，达到预测和控制热处理变形的目的，使得可以通过调整冷、热加工公差和调整工艺参数等各种方法，减少热处理变形，改善重载齿轮加工的工艺性能和提高其使用性能。

通过对钢渗碳表面强化的工艺性能、使用性能方面的对比分析，能达到改善工艺性能和提高使用性能、降低材料及加工成本、获得尽可能多的经济效益的目的。

本研究通过实验分析，分别测试了材料经热处理后的金相组织、力学性能和抗磨粒磨损能力，对几种低碳马氏体强化工艺的强化效果进行了对比。

通过改变热处理工艺参数，分析确定钢低碳马氏体组织与性能之间的关系，可以优化选择钢应用于耐磨部件的热处理工艺，有助于钢在耐磨耐冲击部件方面的合理应用，也有助于新的应用领域的开发[10]。

第二章实验材料与方法

2.1实验材料

酒钢热轧钢板1号、2号、3、4号试样。

其化学成分如表2-1。

表2-1热轧钢板化学成分

0.02/0.05

0.015/0.045

0.12/0.18

0.08/0.15

0.002/0.006

0.02/0.055

2.2实验方法

本实验采用的热处理工艺:

酒钢热轧钢板分别在1020℃、1060℃、1100℃、1140℃固溶2小时,然后水冷,观察试样金相组织;将热轧钢板在1100℃固溶30min后水冷,再800℃时效5min、10min、30min,观察试样金相组织.金相试样腐蚀溶液为硝酸（4%）、酒精（96%）溶液.使用美国EG&G公司的M342电化学测试系统,分别测试各个试样的极化曲线,比较其腐蚀电化学行为的差异,电化学实验采用三电极体系,采用环氧树脂封试样,试样作为工作电极;参比电极用饱和甘汞电极;辅助电极用铂电极.试验溶液:

3.15%NaCl溶液.试验温度:

25℃.使用光学显微镜观察双相不锈钢在不同热处理条件下微观组织,采用扫描电子显微镜观察微观腐蚀形貌[11]。

采用光学显微镜观察热处理温度和冷却方式对热轧钢板组织的影响[15]。

试样在室温用WE-300型液压万能试验机进行拉伸实验，测定屈服和抗拉强度。

并记录负载伸长曲线，对无明显屈服点的试样，根据曲线放大计算出屈服强度。

第三章结论

热处理是经加热、保温及冷却使钢板获得要求的金相组织来改变钢板性能的一种工艺。

热处理的目的一般根据不同钢种的要求，使其软化、硬化，提高韧性和消除残余应力。

热处理可使钢板性能得到改善的主要原因是钢在固态范围内，随着加热温度和冷却速度的变化，内部组织也会发生相应得变化。

因此，利用不同的加热速度和冷却速度来控制和改变钢的组织结构。

便可获得不同的性能。

热处理不仅可以改变钢板使用时的性能，而且能显著的改善力学性能。

对钢在加热，保温及冷却过程中各种组织变化的规律加以研究，可以进一步了解热处理的工艺和目的。

热处理是一个非常复杂的过程，控制它是一项实践性很强的工作，需要我们工艺人员经过反复的试验才能掌握其规律。

热处理变形无法避

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