薄规格钢板淬火过程中的板形控制

孙祖才

薄规格钢板淬火是生产高性能、高效率产品的关键，社会经济发展和基础设施建设所需的高韧性、高档薄规格钢板产品，如，高韧性船用板、高压容器板、工程机械板、管道板等必须进行热处理以保证性能。但整个强制冷却过程很可能对厚钢板造成显着的内应力，使薄规格钢板在淬火后产生弯曲和扭曲的问题，并会继续影响以下原材料的动态应用性能，如断裂性、薄规格高韧性、耐腐蚀性和疲劳性能等，严重影响其应用性能。许多研究表明，在滚子淬火机中，通过有效控制淬火机下水口的水流量、水比和滚轮速度，大多数厚度达12mm的钢板都可以实现优异的性能并保持良好的淬火形状。对于厚度不能超过12mm的薄规格钢板，淬火后危及薄规格模型形状的元素比较复杂，有些元素的反射比较敏感。

1 薄规格钢板的发展背景

相对于一般抗压强度钢板，高韧性钢板是指抗拉强度≥550Ma，即Q550、Q690、Q890、Q960等产品系列，其中Q890高强钢板的抗拉强度提高了5次，而且经常使用大吨位重型起重设备的“关键”——重型臂架的前沿，以及煤矿机械设备的“关键”——液压支架。薄规格高强钢板的生产制造早已代表了当今高端装备制造所使用的高端水平，而这种钢板的生产和供应能力则代表了一个钢板企业的技术实力。目前，无论是薄规格的高强板是进口的还是国产的，在钢板的形状方面都有一个普遍的现象，这是因为钢板在整个热处理过程中都会发生翘曲。翘曲变形的类型有边缘波浪形、中弧形、中凹形、两侧扣、两侧上翘、右锅形和倒锅形等，翘曲变形会影响中后期钢板的生产加工和应用。

为进一步开发设计高端钢板，提高钢板的特性和质量，厚板部5500生产线引进了德国LOI公司开发的热处理法生产线，包括一条不氧化辊底热处理设备和冷轧连续淬火机，淬火设备投资使用后，商品项目进度进一步提高。众所周知，钢板在整个淬火过程中的膨胀和收缩严重影响了钢板的外观，成为危及产品开发的重大问题。由于筒式淬火机的冷冻抗拉强度高，淬火生产工艺复杂，我国以前一直依赖进口，这种事实技术垄断限制了我国对薄规格辊淬火技术的研究和分析和发展。2021年8月，薄规格钢板项目部开展了12mm厚薄板钢板淬火后板形操控的科学研究，积累了一些基本工作经验。

2 薄规格钢板的淬火方法

为更好地提供薄钢板的淬火方法，解决了薄钢板在淬火时胀缩变形的问题，使薄钢板的淬火垂直度稳定可控，选择薄规格钢板的淬火方法。上述钢板壁厚为4m～80m，上述淬火方法的生产过程包括：加热阶段、喷水冷却阶段，加热阶段使用的设备为淬火正火炉。淬火正火炉为连续辊底式，炉内通N2，淬火正火炉电加热温度为890℃～910℃，C成分为0.05%～0.09%时，加热温度为840℃～870℃，正火炉采用左右两排辐射管加热。淬火正火炉温控波动强度小于5℃，喷水冷却阶段选用的机器设备为淬火机，淬火机左右两侧设有夹辊，淬火机的工作方式为连续轧制淬火。喷水冷却阶段分为冬季淬火和夏季淬火两种方式，喷水冷却阶段选用的材料为循环系统冷却水，循环系统冷却水温度小于35℃，淬火机是在钢板上下两层喷水，夹持滚轮的滚轮速度为30m/min～60m/min，喷水冷却阶段分为冬季和夏季两种淬火方式，冬季淬火法夹紧辊的轧辊速度高于夏季淬火法，喷水冷却阶段包括高压区和低压区。

图1 薄规格钢板淬火过程示意图

3 辊式淬火机冷却机理

轧辊淬火机的调质冷却系统软件通常由两个调质冷却区组成，分别是高压调质冷却区和低压调质冷却区。根据不同的喷嘴、供电设备和不同的冷却原料工作压力，获得多少冷却抗拉强度。高压淬火区冷却水压力为0.8MPa，先后有间隙喷嘴、高密度喷嘴和快冷喷嘴。低压区冷却水压力为0.4MPa，由多个低压喷嘴组成。在整个淬火过程中，淬火后的厚钢板根据辊道淬火机对不同抗压强度的高低压淬火区进行持续冷却，完善薄规格钢板淬火过程的全过程。辊筒淬火机高低压连续淬火的冷却原理即：在淬火后的钢板800℃～500℃温度范围内，钢板在具有很高冷却抗压强度的高压淬火区冷却，薄板内部保持着较大的温度场钢板，有利于薄规格钢板。淬火速度临界点的高冷却速度可以避免其他品种的结构转变；在淬火原理温度范围内500℃以内，选择冷却抗压强度较低的低压进行淬火区缓慢冷却，有利于降低薄规格淬火钢板在奥氏体转变过程中的热应力，降低变形倾向钢板在淬火工艺温度条件下的工艺要求。

根据残余奥氏体变化的基本理论分析发现，发生第一类回火脆性的该温度与残余奥氏体的溶解温度完全一致，认为第一类回火脆性是由残余奥氏体的变化引起的。以此思路，第一类回火脆性可借助Cr、Si等铝合金型材元素，即Cr、i等提高残余奥氏体的可靠性，所以只能是在更高的温度发生作用。快速电加热器回火削弱了第一类回火延展性，而在脆性断裂温度下短期内残余脆性断裂不明显的原因，即在上述准则下不能立即改变残余奥氏体。此后，残余奥氏体相变的基本理论被渗碳体壳理论所取代，但根据近年来的分析工作，残余奥氏体变化的基本理论仍然是第一类回火脆性的成因。主要因素之一。

根据碳化物壳的基本理论可以看出，当第一类回火延展性发生时，电镜观察到沿位错的碳化物壳。因此，确定碳化物薄壳的形成是引起回火奥氏体脆化的主要因素之一。展示碳化物壳是如何产生的很重要。如前所述，近年来工作中已经证实，近年来已证实，沿板条马氏体边界的残余奥氏体塑性膜在回火时会析出薄壳状碳化物M和C，产生延展性，马氏体沿位错溶解生成。硬质合金外壳。

4 薄规格钢板淬火过程中的板形控制试验分析

薄钢板在整个热处理过程中的膨胀和收缩变形的直接原因取决于内应力。内应力有两种关键类型，一种是冷却不均匀引起的热应力，另一种是热处理过程的变化引起的热应力。热处理薄规格钢板中两种应力模式的主要表现形式与钢材的成分、规格、切削性能、热处理材料和冷却方式等多种原因有关。通常情况下，薄规格钢板的表面温度总是与芯部的表面温度不同，因此，内外温差会引起膨胀和收缩不均匀，从而产生内应力。在热处理冷却条件下，表面冷却速度比芯部冷却速度快得多。这样，表面收缩率高，芯部收缩少，芯部阻挡表面收缩，在表面产生弹性张力，同时表面使芯部具有弹性，收缩引起一部分不平衡变形.冷却前期的应力条件为：表面有拉应力，芯部有压应力，冷却后半段，体表温度降低，降温速率逐渐降低，芯部降温速率加快。此时，表面反而阻碍了芯部的热收缩，拉伸了芯部的弹力，而芯部则降低了表面的弹性程度，热应力趋于变化，表面出现压应力，芯部出现拉应力。冷却结束时的残余应力是表面的压内应力和芯部的拉应力。

当薄钢板的厚度发生变化时，由于不同结构的比容不同，必然会发生比容变化。在厚钢板中，马氏体的比容比较大，奥氏体的比容最小。热处理时，产品工件表面先冷却至M点以下，产生马氏体相变，必须膨胀体积使表面受力，表面会导致型芯被拉出。随着气温的降低，表面的大部分转变已经完成，核心冷却到M点以下，逐渐发生变化。这一刻，核心需要膨胀，但表面已经是壳了，挡住了芯部的膨胀，芯部变化的机理应力状态是表面有拉应力，芯部有压应力。当热应力和机械设备应力叠加在一起，即淬火应力超过不锈钢板的抗压强度时，就会引起钢板工件的弹塑性变形，进而引起胀缩工件的各个部分。工件发生膨胀和收缩等变形，导致板材形状发生变化。在淬火试验中，两块薄规格钢板的成分相同，整个淬火冷却过程中的转变基本相同。通常，钢板淬火机械设备的应力差异可以忽略不计。取向上的不同规格，造成了测试结果的很大差异。

图2 钢板板形控制试验过程示意图

假设在理想化规格下，上下间隙喷嘴平面度均匀，双缝开口均匀且完全对称，上下间隙与钢板上表面的距离完全相同（辊缝与钢板厚度完全相等），下水管帘面与钢板上表面完全相同。钢板表面造成的二面角是完全一样的。在高喷射率和高压条件下，忽略大功率水射流X射线的危害，上下间隙的喷嘴入射点应对称。即钢板在相同的垂直表面。但实际上，在正常情况下，辊缝不可能完全等同于钢板的厚度：首先，钢板的公称直径和厚度与实际厚度之间总是存在误差；其次，热处理机是高精度维修部件，应避免异常变形。一般辊缝厚度基本都会加上h=0mm～3mm，h的出现导致上下冷却线之间存在间隙。因此，对于钢板来说，虽然上下表面的冷却速度相同，但宽板的厚度误差还是比较大的。所以左右表面的冷却是不对称的，所以冷却引起的内应力不可逆性也比较大。因此，宏观实验表达是钢板在热处理后呈现端到端弯曲。淬火过程中，喷嘴的水流量、水比和滚轮速度主要是参数，也很难改变薄规格钢板热处理后的形变。

5 薄规格钢板淬火过程中的板形控制实践分析

随着制冷设备的改进和在线淬火技术科研水平的提高，越来越多的厂家选择在线淬火和无网回火生产耐磨钢，但耐磨钢的抗压强度高，强度高，可淬火。在整个过程中容易弯曲和变形，因此，淬火形状的操纵是完成在线淬火技术的重要因素。耐磨钢属于工程机械设备用钢类，广泛应用于冶金工业、小型矿山、装饰建材、电力工程、铁路、矿山和国防等行业。由于我国耐磨钢研究和制造发展相对较晚，我国制造企业通常选择无网调质生产工艺，导致产品成本高。在线淬火工艺利用轧制后的余热回收，集成和操纵制冷技术，可增强厚钢板的物理性能，降低铝合金含量，扩大品种，减少工艺流程，降低能耗，在低成本生产制造方面具有显著优势。

薄规格钢板的淬火方法是将钢加热到Ac3或Ac1以上30℃～50℃，绝热保温一一急冷（◇vK）获得奥氏体加工方法，可提高薄规格板材的硬度、耐磨性，时效处理淬火的基本机理和特点。本产品可生产加工的钢板壁厚为4mm～80mm，其制造过程包括：加热阶段和喷淋冷却阶段，加热阶段使用的设备为淬火正火炉，淬火正火炉为连续辊底式，炉内充氮气，辐射管用于加热，辐射管沿淬火、正火炉左右两排对称排列，单脉冲操作和自动点火，淬火正火炉的加热温度为890℃～910℃，使成分在0.05%～0.09%中间时，加热温度为840℃～870℃。同时，温控波动大于5℃，喷水冷却阶段使用的机器是淬火机，淬火机的工作方式为连续轧制淬火，淬火机配有两排对称的夹紧辊，卡盘辊速度范围为30m/min～60m/min。淬火机内对称安装一组喷淋管，对薄钢板进行喷淋冷却，喷水冷却阶段分为冬夏两种淬火方式。冬季室内温度较低，钢板的冷却速度较快，冬季一般淬火用卡盘辊的辊速，可以在喷水冷却阶段加快钢板的效率，尝试扩大钢板的冷却面积。

6 薄规格钢板淬火过程中的板形控制的技术效果

根据淬火方式的调整，喷头冷却环节分为高压区和低压区，在高压区，淬火机夹头辊速度、高压区左右水量比和循环系统冷却水温度均在高压区控制，从而解决了4mm～80mm薄规格钢的淬火胀缩变形问题，使4mm～80mm薄规格钢板的淬火垂直度稳定可控。根据高压区淬火方式的调整，提高了产品的综合合格率，薄规格板材合格率达到99.8%，进一步提高了保证产品物理性能的能力。为保证产品质量，可以尝试扩大产品型号和规格范围，减少了产品数量，保证了交货周期时间。喷头冷却环节选用的水体为循环系统冷却水，可借助循环系统减少水源消耗，循环系统冷却水温度创建温度补偿指标，根据淬火温度的监控进行融合，然后校准淬火方法，以达到最佳的实际淬火效果。与传统的淬火方法相比，薄规格钢板的淬火方法可以显着促进自主耐磨钢板和高强度钢板的开发、设计和制造。高压区压力4Mpa，高压区采用喷管冷却，高压区上表面喷水量与下表面喷水量之比为0.72～0.80，高压区喷水管头标准水量压力它们都不同，低压区压力为4Mpa，低压区采用喷淋管冷却操作。

7 结语

综上所述，薄规格钢板淬火后影响产品外形的关键因素有：淬火工艺的基本参数，钢板的规格和表面状况，淬火设备的精度等。薄规格钢板在特殊热处理工艺中的变形受到一些综合标准的影响。这是一个比较复杂的工艺过程，为了掌握薄规格钢板淬火过程中的板形控制，达成优良板形的加工工艺，需要在实验中逐渐积累，逐渐开展与之相关的实践性研究。