金属材料先进热处理工艺及设备的若干思考

2020-09-04高晶

锻压装备与制造技术 2020年4期

关键词：淬火热处理控制技术

高晶

（精奇（天津）科技股份有限公司，天津 300380）

1 钢板热处理设备

1.1 特厚钢板辊式淬火以及高精度低温回火炉

1.1.1 特厚钢板辊式淬火装备

特厚钢板的厚度在120mm～250mm以内，为加强该厚度钢板淬火的均匀性，特此研究特厚钢板辊式淬火机。该设备由喷水、供水、输送辊道、框架提升、电控、工艺模型等子系统结构组成，能够优化设备的瞬间冷却及持续冷区功能，改进特厚钢板的生产质量。

该装备特征有：①高压喷嘴设计。该设计是顺时和冷却能力提升的关键。在限元模拟和测试分析的引导下，高压喷嘴设计采用超宽狭缝式喷嘴、多排整体倾斜式高密喷嘴和多角度倾斜射流喷嘴，形成合理的温度梯度，便于钢板内部温度向外部的扩散；②有形化配置。高压内射喷嘴可增强间歇冷却能力，加快钢板换热效率；③流量分区、水土度及残水控制。该项技术可提高钢板表面冷却均匀程度，提升生产效率；④独立框架设计。在高压和重要淬火区内开展独立框架设计，可独立调节各区域，达到灵活生产要求。

1.1.2 高精度低温回火炉

目前我国使用的极薄钢板对硬度、强度及板形要求较高，生产作业中需要借助回火处理来提升钢板性能（中厚板是前段的阐述内容，该两段为并列关系，此处指极薄钢板的质量要求）。不过我国现有的回火炉在使用中，其温度精度只能控制在±15℃左右，与规范要求的±5℃严重不符，所以需要开展高精度低温回火炉设备的研发。在该设备研发中，要利用高速热风循环加热方式，通过强制对流处理来达到加热目的，再结合特殊的路型结构满足热回收处理要求。

该方式下研发的高精度低温回火炉优势有：利用强制热风对流完成加热，降低低温过程的换热效率，增强热能供应的均匀性；加热温度范围100～600℃,100～300℃加热均匀性好,升温速度快；炉温控制精度±2℃之内,炉温均匀性±3℃之内；加热器可采用燃气烧嘴或电加热器,加热后钢板表面质量好；对高温循环风机的数量有一定要求；生产出的钢材质量高、成本低廉，且不会存在过多损耗。

1.2 高等级中厚钢板热处理工艺技术开发

1.2.1 极薄钢板高平直度淬火技术

极薄钢板厚度约在4～10mm左右，长度控制在18m以内。在淬火作业中，经常会因为敏感性高、组织一致性要求较高、回弹变形能力强等导致淬火中出现问题，影响最终的生产质量。为此，在极薄钢板淬火中，为保证生产质量和安全，可采用流量分区控制技术、冷速高精度调控技术、对称冷却技术、残余应力控制技术、全流域残水控制技术,来加强生产流程的稳定性，解决淬火中存在的各种问题，如叩头叩尾、横/纵向瓢曲、中浪、边浪等板形问题。4mm钢板淬火后不平度小于6mm/m，力学性能、加工性能及板形均优于进口钢板。

1.2.2 特厚钢板高均匀性淬火技术

鉴于特厚钢板宽度及厚度要求，在淬火中，提高其质量就成为相关企业研究的重点，对特厚钢板高均匀性淬火技术实行如下创新和优化：①建立多维、多变量、多场耦合条件下的应力计算模型，实时掌控温度及组织应力，为特厚钢板快速冷却提供理论指导；②对工艺规程实施科学规划，在淬火作业后，改善钢板平直度及均匀性；③对高压高强度快冷技术实行进一步研究，科学调整冷却路径及冷速范围，增强淬火均匀性；④在宽厚板辊式淬火装备的基础上，开发研究宽厚规格钢板热处理工艺及产品，以期制作出高性能的钢板材料，满足企业及不同用户需求。

1.3 高等级中厚钢板热处理产品研发

目前调制钢板的最高水平以高强度结构用钢Q1300和耐磨钢NM600这两种规格为主，其具有强度高、韧塑性强及平直度好等特征，不过生产作业难度较大，应用范围受限。这两种钢材料目前应用于超大型工程机械、矿山机械及水泥化工等装备的制造,如大型起重机、盾构机及水泥球磨机等。

在高等级中厚钢板热处理产品研发中，为使产品满足市场需求，应从以下几方面重点考量：①对材料成分及一体化组织性能控制技术予以研究和掌握；②铸坯技术研究。这里的铸坯技术涵盖了低夹杂物控制技术、防开裂控制技术、防氧化控制技术等多项内容，要求研究人员做好细节处理，注重产品生产质量；③板形控制技术。在特薄钢板轧制和热处理过程中，需要对板形开展科学管控，提高钢板平直度；④焊接技术。焊接技术是超高强度钢板处理中不可缺少的环节。只有保证这些内容研究的合理性，才能达到产品研发目标。在对上述内容研究和应用中，也形成了一整套热轧-冷却-热处理一体化组织性能控制技术，并为我国装备制造业的大型化、轻量化和高效化做出贡献。

2 热轧钢材新一代控轧控冷在线热处理技术

2.1 TMCP在线热处理技术

TMCP在线热处理技术对热轧钢铁材料的超快速冷却进行了进一步研究，以期能够优化材料强化机制，改善传统工艺技术、全生命周期评价体系，进而对钢材冷却实行全方位管控，且在此技术水平上，利用固溶、细晶、析出及相变等强化手段，实现在保持或提高材料塑韧性和使用性能的前提下，80%以上的热轧钢铁材料（含热带、中厚板、棒线材、H型钢、钢管）产品强度指标提高100～200MPa以上，或钢材主要合金元素用量节省30%以上，节约钢材使用量5%～10%；提高生产效率35%以上；节能贡献率10%～15%左右。

2.2 TMCP核心装备技术

TMCP核心装备的基础条件亦即轧后超快速冷却系统的构建，该系统运行中，借助高效射流冲击作用将钢板与冷却水之间的汽膜破坏，以此来加快换热和核态沸腾换热，从而增强钢板冷却的均匀性。设备在实际应用中，对3～4mm厚的板带材冷却速度可达300～400℃，对20mm左右的中厚钢板冷速可达50℃/s，是控制钢材轧后的组织和性能强有力的手段。

2.3 TMCP强化机制及组织调控方法

钢材热处理中会存在相变情况，相变又会对材料性能带来影响，所以在热处理研究及技术开发中，应对相变加以重视，根据连续冷却相变曲线数据，找出合理的管控模式，规划冷却路径，以改进生产质量。超快速冷却装置的应用为相变处理提供了可靠保障。

其作用及功能为：①将超快速冷却应用到奥氏体区内，可避免奥氏体区再结晶情况的出现，减少晶粒粗化带来的影响，提高晶体细度，优化材料性能；②超快速冷却可对碳、氮化合物的析出展开科学管控，确保在低温状态下，铁元素相变或体区中析出离子的数量和质量，改善析出强化效果；③超快速冷却可对高温作用下存在的相变予以控制，从而降低相变中成本的支出，提高中低温环境下的相变效率，达到强化管理目标。总之，通过强化机制及科学调控措施的应用，可对钢材热处理相变进行有效的管控，提升最终产品的各项性能。

3 高端铝合金热处理技术与装备研究

当前，我国有色金属工业发展迅速，同时有色金属应用技术也在不断创新，铝合金板带具有十分显著的性能优势，同时也在航空航天、汽车等多个行业发挥了重要的作用。汽车、航空覆盖件用铝合金材料是铝合金板带当中最具优势且最为典型的产品，其表面质量较好，且稳定性较强，成型效果理想，烘烤硬化性能优越。此外，该材料具有良好的翻边延展性和抗凹性，高水平的油漆工艺兼容性与油漆表面的光滑度也保证了材料的品质。

若要实现以上目标，生产中的工艺要求相对较高，生产的难度较大。气垫式热处理装备和工艺技术以及无铬化学转化表面处理设备及工艺技术在国外处于垄断地位，航空航天厚板的温度敏感性较强，常规的热处理技术无法保证加工的质量、精度和均匀度。我国航天航空厚板轧制的水平较高，装机水平在世界范围内也处于领先位置，但专用高精度和高均匀性辊底式热处理炉、三级时效炉的装备和工艺技术与国外相比依然存在着较大的差距。

现阶段，RAL在高均匀热风循环控制、均匀化加热和均匀化冷却技术、铝合金汽车板表面处理等领域的研究日渐深入，同时也研发了均匀化气流循环装置、强对流气垫射流装置以及系列以水、空气为介质的射流喷嘴装置、酸碱洗钝化装置等。此外，研究人员研制出了我国自主设计的大型气垫炉中试装备，加大了对气垫炉配套连续处理线控技术的研究力度，同时也研发了性能较为完善的大型汽车板气垫式连续处理线控制系统，并在工业生产中得以广泛应用。此外，中板热处理和表面处理技术层面也进行了更为深入的分析和研究，研发诸多新技术，同时取得了自主知识产权。