不锈钢热加工温度对产品性能影响研究应用报告.doc

不锈钢热加工温度对产品性能影响研究
权芳民
<酒泉钢铁<集团）有限责任企业，甘肃省嘉峪关市 735100）
摘要本文针对不锈钢热加工过程特点，研究了不锈钢温度对变形行为影响、热变形后组织性能改变及退火温度对产品性能影响，并提出了各类不锈钢热加工温度控制方法，对于提升产品质量含相关键意义。
关键词不锈钢热加工温度影响

不锈钢和碳钢相比含有合金元素含量较高、导热系数低、物理性能对温度影响较为敏感、热轧中变形抗力较大和塑性变形温度范围较窄等特点。在不锈钢生产中因为温度控制不合理，轻易出现多种质量缺点，严重时会造成产品报废。所以，对不锈钢热加工温度进行深入研究和精细控制，对于提升产品质量含相关键意义。
1各类不锈钢热加工特点
1.1铁素体不锈钢热加工特点
1）铁素体不锈钢应用通常以薄带钢为主，使用过程中带钢表面轻易产生起皱缺点。不锈钢表面起皱是一个破坏性缺点，发生在平行于带钢轧制方向，表面为狭窄凸起条纹，通常产生原因有：一是在热轧和冷轧加工过程中，带钢一些结构沿轧制方向分布，因为塑性变形各向异性而在厚度方向产生应变差引发。二是铁素体不锈钢在凝固过程中产生成份偏析柱状晶，并随热加工过程进行柱状晶呈线性分布，造成材料塑性变形不均匀而产生皱折。通常降低带钢起皱方法有：降低连铸坯柱状晶，增加连铸坯等轴晶，合理控制连铸机拉坯速度和冷却强度、热轧轧制压下率和带钢退火温度等。
2）合理控制铁素体不锈钢加热温度，可有效地提升钢塑性应变和加工硬化系数。比如，对于0Cr17不锈钢，为了取得较高塑性应变系数，热轧钢坯最适宜加热温度应为1100～1150℃，终轧温度不应高于800℃。当钢坯温度加热到1000℃时，钢内部组织为铁素体+细小弥散析出物。在热轧变形后830～860℃温度退火时，钢内部会产生细小再结晶晶粒，可取得很好平均塑性应变系数。所以，为了提升钢塑性应变系数，钢坯加热温度选择应适宜，通常应有较低终轧温度和较高退火温度。
3）铁素体不锈钢以1～4Cr13为代表，其加热温度通常应控制在1100～1150℃。
1.2马氏体不锈钢热加工特点
1）马氏体不锈钢导热性较低，但导热系数稍高于304不锈钢，含有较大组织应力和热应力，钢在800℃以下加热时应缓慢进行，最高加热温度不应超出1250℃，当加热温度过高时会产生晶粒过分长大和铁素体相大量增加现象，使钢性能降低和加工塑性恶化。
2）马氏体不锈钢轧制时变形抗力较大，如4Cr13马氏体钢变形抗力约为碳钢1.6倍，且轧制时不宜采取较大压下量，又因这种钢在900～1200℃时有很好塑性，终轧温度应控制在850℃左右能够细化晶粒。
3）马氏体不锈钢对热应力较为敏感，在冷却过程中速度应缓慢，如3Cr13和4Cr13钢应在850℃以下开始缓冷，直至温度低于150℃。
4）马氏体不锈钢中Cr含量通常在13%左右，钢在加热时表面生成氧化铁皮塑性较差且发粘，并紧贴在金属机体上，轧制时不易脱落，这种钢可经过在加热炉内采取还原性气氛，以降低氧化铁皮生成。
1.3奥氏体不锈钢热加工特点
1）奥氏体不锈钢特征
<1）不锈钢导热系数较低，在常温时导热系数仅为碳钢27%，并随加热温度提升，钢导热特征差异逐步降低。所以，不锈钢在低温加热时升温过程应缓慢进行。
<2）不锈钢低温热膨胀系数较大，假如钢加热速度过快，其心表温差就越大，钢坯就轻易产生裂纹。所以，不锈钢在600℃以下加热时应严格控制升温速度<通常为300～350℃/h）。
<3）不锈钢在高温时变形抗力较大，若钢坯加热不良，就不能使钢在塑性很好温度范围内进行轧制。所以，这种钢加热温度通常应控制在1240～1270℃，当加热温度过高时会使钢中铁素体含量剧增，使热轧或冷轧带钢表面出现缺点，影响产品热加工性能。
<4）不锈钢在900～1250℃温度范围轧制时，含有良好塑性，并随轧制温度下降，变形抗力急剧增大，通常终轧温度不应低于850℃，最大相对压下量不应超出35%。
<5）当奥氏体不锈钢中碳含量超出0.02%时，钢中铬轻易形成复杂碳化物，影响钢高温塑性。
<6）不锈钢加热时加热炉应有较大供热和调整能力，以适应不一样钢种在不一样产量下加热制度，同时不锈钢加热还应采取还原性气氛，以降低钢坯表面粘性氧化铁皮生成。
2）奥氏体不锈钢加热中组织改变
<1）奥氏体不锈钢为含镍、铬钢种，其单相区为1270℃以下温度范围，而在此温度以上为两相区，即奥氏体相加少许铁素体相，其中铁素体含量小于5%。钢中铁素体含量虽少，但在合金中起着关键作用，其含量多少直接决定了钢热加工性能、表面质量和力学性能。钢中铁素体含量不仅可经过镍、铬当量比来控制，而且还受到加热温度和时间等原因影响。
<2）奥氏体不锈钢在加热过程中，钢中铁素体含量随加热时间延长而降低，在相同加热时间时钢温度越高，其铁素体含量越少。当钢加热温度处于铁素体+奥氏体双相区时，伴随加热时间延长，钢中铁素体含量在逐步降低，但没有单相区加热时降低显著。在相同加热温度时随加热时间延长，钢中铁素体含量对应降低，如在1260℃时铁素体含量最少，而在1230℃和1290℃时铁素体含量相对较高。
<3）奥氏体不锈钢在高温下，钢中残余铁素体转变为奥氏体是经过合金元素扩散来完成，温度越高，残余铁素体向奥氏体转变速度就越快。对于奥氏体单相以下温度范围，在相同时间时加热温度越高，钢中残余铁素体含量越少，如316L钢在1270℃以下保温时间越长，残余铁素体含量会不停降低，且钢温度越高，铁素体含量降低地越快。
2不锈钢热加工中温度对变形行为影响
不锈钢在热加工中，因为塑性变形而产生流变应力。通常材料变形流变应力是由两部分组成，一部分是作用在位错上外加应力，另一部分是和结构相关局部应力。在金属塑性变形早期，伴随应变量增大，位错密度也在增加，同时材料流变应力展现增加趋势，材料微观结构也发生一定改变，比如晶粒破碎、亚晶粒形成等，但材料结构局部应力对流变应力影响不如位错外加应力显著。
不锈钢在高温变形中，因为发生动态回复和动态再结晶，使材料位错密度有减小趋势，当材料位错外加应力达成一定值时将不再增加，同时动态回复和动态再结晶也影响微观结构改变，如多改变过程、亚晶粒长大和动态再结晶晶粒形成及长大，这又影响材料结构局部应力改变。从理论上讲，应依据塑性变形理论来计算材料本身流变应力，尤其是动态流变应力，但因材料化学成份、组织状态、变形温度-速率条件、变形程度和变形设备等原因相互影响，现在还不能推导出切合实际流变应力计算公式，但对一定化学成份和组织状态金属来说，其变形温度、速率、程度和变形时间等原因组成了综合变形条件，其流变应力可依变形条件表示以下：
<1）
金属材料在塑性变形过程中存在着一定加工硬化，其变形抗力将随应变量增加而增大，当应变量较小时流变应力随应变量呈线性增加趋势，当变形量很大时，位错密度增加趋势减弱，加工硬化效率也逐步低于线性增加规律，这关键是因为动态回复造成。当变形温度较高时，加工硬化效率降低较多，材料就会发生动态再结晶现象。
2.1不锈钢热变形行为
在不锈钢变形温度一定情况下，应变速率越小，钢中奥氏体和铁素体发生动态回复和动态再结晶越充足，材料软化过程就越显著，变形抗力也随之减小。但在变形温度一定和应变速率相同情况下，当应变量增加超出一定值后，应力改变曲线趋于平缓，应变对变形抗力影响不大。
奥氏体不锈钢在变形早期阶段，伴随变形量增加，变形抗力快速上升，当应变量超出一定值后，应变量增加对变形抗力影响不大。铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢类似，当变形程度较小时只发生动态回复现象，但当变形程度达成一定临界值时，则发生再结晶晶粒长大现象。马氏体不锈钢因为铬、镍元素固溶强化作用，显著地提升了钢变形抗力，但当变形程度小于一定值时，随变形量增加变形抗力随之上升，而当变形程度达成一定量时，因为变形所引发温度改变抵消一部分加工硬化影响，并随变形程度增加，变形抗力略有增加。图1为奥氏体不锈钢热变形后显微组织<温度1150℃、应变速率0.5S-1），图2为304不锈钢应力应变图<应变速率0.1S-1），图3为430不锈钢应力应变图<应变速率0.1S-1）。

图1 奥氏体不锈钢显微组织 图2 304不锈钢应力应变曲线 图3430不锈钢应力应变曲线
2.4不锈钢热变形过程分析
不锈钢热加工中伴伴随动态回复和动态再结晶现象发生，首先因为变形使位错不停增加和积累，不锈钢产生了加工硬化，并在钢压缩初级阶段，随应变量增加，钢应力增大，其次经过热激活使钢中位错偶对消、胞壁峰锐化形成、亚晶形成和亚晶合并等过程，使钢在应变硬化同时发生动态回复。当动态回复难以抵消形变位错增值积累，且位错积累到一定程度时就会发生动态再结晶现象。
铁素体不锈钢在不一样温度和不一样变形速率下应力-应变曲线图4所表示。从图中能够看出，不一样变形温度和变形速率下流变曲线全部遵照相同改变规律，即在变形开始阶段，流变应力随应变量增加而快速增加，当应变量超出一定值后，流变应力增加趋于缓慢或稳定。

图4 铁素体不锈钢在不一样应变速率下应力和应变曲线
不锈钢变形温度是影响塑性变形中流变应力关键原因。当钢温度升高时，钢中原子热振动能量增加，降低了原子间结协力，有利于金属塑性变形，同时钢内部滑移运动阻力减小，新滑移系统及交滑移不停产生和开动，使金属变形抗力随温度升高而降低，且在变形温度较高时，钢中轻易出现动态回复和再结晶现象，使金属产生软化和变形抗力降低现象。
金属在塑性变形过程中，伴随变形温度升高，金属多种强度指标有所下降，这是因为伴随变形温度升高，钢中原子活动动能增加，原子间临界剪切应力减小，多种点缺点扩散速度加紧，使依靠于扩散位错开动易于进行，热激活能作用加强，位错运动应力减小，对应地流变应力降低。其次，钢在高温变形时将发生动态回复和动态再结晶，且这种软化作用伴随温度升高而增强，可减轻或消除因为塑性变形而产生加工硬化。所以，钢高温塑性变形过程是一个硬化和软化动态平衡过程。
在不锈钢变形微变过程中，加工硬化起主导作用，钢流变应力上升较快，并随变形量增加，假如钢硬化现象不能立即被减弱或消除，钢将会产生压裂现象。假如钢在变形过程中，钢内部发生动态回复或动态再结晶等软化现象，而且能够抵消大部分加工硬化，可使钢塑性变形过程得以进行。当钢流变应力较高时，伴随变形过程进行，为使钢加工硬化和动态软化达成平衡，此时可经过提升温度使动态软化起关键作用，可使钢流变应力减小和加工硬化率降低，钢内部空位和原子扩散和位错交滑移和攀移驱动力加大，从而在钢中易发生动态再结晶现象。
在金属压力加工过程中，位错滑移是很关键变形原因。金属在常温下，若滑移面上位错运动受阻，将产生晶粒塞积现象，滑移将不能继续进行，只有在较大切应力作用下，才能使位错重新运动和增加。但金属在高温作用时，位错可经过外界激活能和空位扩散来克服一些障碍，从而使塑性变形过程得以进行，但当塞积群中某一位错被激活而发生攀移时，位错源可能再次开动而放出一个新位错，从而形成动态回复过程。伴随变形温度升高，变形所产生应变硬化使位错源开动阻力及位错滑移阻力逐步增大时，温度升高可使流变应力减小，并伴随应变硬化进行，促进了动态回复进行，使金属不停软化。当钢应变硬化和回复软化达成平衡时，流变应力就达成了一个平衡值。由此可见，对于铁素体不锈钢，钢变形速率越慢，机体中发生动态回复和动态再结晶就越充足，钢软化就越显著，峰值应力也越小。
3不锈钢热变形后组织改变
3.1不锈钢变形动态回复
钢动态回复关键发生在层错能较高金属热加工中，可把变形中动态回复看成是和静态回复相类似过程，在这个过程中螺位错交滑移和刀位错攀移，造成位错对消和重排，并发生多边形化过程。
钢在应力作用下动态回复中，其回复程度依靠于变形温度和应变速率大小，对于一定回复温度变形，首先钢中产生应变硬化和位错纠结，内部形成胞状组织，位错密度增加，并产生攀移、交滑移、位错和点缺点结合等位错互毁现象。当位错产生速度和位错销毁速度靠近时，位错密度达成了动态平衡，此时应力-应变曲线展现水平状态发展。当变形速度较大和变形温度较低时，材料中以变形硬化为主，位错密度增加，这时钢流变应力将随应变量增加而增大。相反，假如钢塑性变形速度较低和温度较高时，钢关键以回复为主，位错平衡密度下降，这时金属变形所需应力将减小。
3.2不锈钢变形动态再结晶
当不锈钢在温度较高变形过程中，可能发生再结晶现象。动态再结晶关键发生在位错密度较高金属中，如奥氏体不锈钢中镍基合金等易产生层错钢中，其位错扩散错带较宽，位错交滑移和攀移比较困难，不易产生动态回复，而在钢热加工过程中，材料局部积累足够位错可造成动态再结晶发生。

图5 不锈钢退火温度对再结晶性能影响
不锈钢再结晶退火过程性能改变曲线图5所表示。从钢硬度曲线能够看出，在钢回复阶段硬度改变很小，占总改变量1/5，在钢再结晶阶段硬度改变很大，占总改变量4/5，所以，在动态回复过程中，钢硬度改变和强度改变相类似。从图5还能够看出，材料晶粒尺寸改变，在回复前一阶段，亚晶尺寸改变很小，但到回复后一阶段尤其是在靠近再结晶时，亚晶尺寸改变显著增大，因不锈钢晶粒度对其结构相关键影响，细化晶粒能够提升钢强韧性指标，但不锈钢和碳钢有所不一样，通常期望不锈钢有较低屈服强度和较高抗拉强度。所以，不锈钢通常应有适度大小晶粒度。
4不锈钢热轧后退火对组织性能影响
4.1退火温度对组织性能影响
奥氏体不锈钢热轧后组织为拉长奥氏体晶粒<图6<1）所表示），晶粒尺寸约30μm左右，部分晶粒展现孪晶现象，且在轧制方向上离散分布着黑色带状组织，其组织为变形过程中形成形变诱导马氏体。奥氏体不锈钢热轧组织经冷轧后晶粒碎化<图6<2）所表示），其变形痕迹较为显著。奥氏体不锈钢经500～700℃在1h退火以后，组织状态较冷轧组织没有显著区分<图6<3）～图6<5）所表示），其变形带仍然很显著，但当退火温度达成800℃时，钢组织经历了再结晶过程，其变形痕迹基础消失，但残留部分黑色带状组织仍贯穿于组织当中。当奥氏体不锈钢退火温度达成900℃时，黑色带状组织基础消失，其组织变得均匀，但从图中能够看出，在此温度下部分晶粒开始长大。当退火温度达成1000℃时晶粒大小约为70μm,并伴伴随大量孪晶出现在组织内部<图6<8）所表示），说明退火中钢层错能较低轻易形成退火孪晶，但当退火温度达成1100℃时，钢晶粒尺寸显著粗化达成约200μm左右,退火孪晶也大部分消失。

<1）热轧态。 <2）冷轧态。 <3）冷轧500℃。<4）冷轧600℃。<5）冷轧700℃。

<6）冷轧800℃。 <7）冷轧900℃。 <8）冷轧1000℃。 <9）冷轧1100℃。
图6 奥氏体不锈钢冷轧板在不一样温度下退火1小时金相组织
4.2退火温度对力学性能影响
图7给出了奥氏体不锈钢冷轧板在不一样温度下退火1h室温拉伸曲线及对应力学性能。能够看出，伴随退火温度提升，不锈钢屈服强度和抗拉强度同时减小，而延伸率显著增加，这是因为冷轧钢中保留了大量位错、残余应力和形变诱导马氏体，这些原因是提升强度和降低塑性关键原因，而低温退火组织仅仅发生了部分回复，并不能消除加工硬化所带来强度提升，所以，在接下来拉伸过程中仍然保持了较高强度，但当温度升高时，钢逐步经历了再结晶和晶粒长大过程，冷轧钢加工硬化逐步消除，屈服强度和抗拉强度继续下降，延伸率继续上升，但改变趋势显著减小，说明图7中钢温度改变曲线可做为退火温度选择关键依据。

图7 奥氏体不锈钢冷轧板退火温度<1h）对力学性能影响
5 不锈钢生产过程温度控制方法
依据以上分析，在不锈钢热加工温度控制中，通常采取了以下方法来提升产品质量。
<1）连铸部分
不锈钢导热系数小、温度敏感性强、和碳钢相比浇铸温度高、钢水浇注采取保护渣等特点，连铸中为预防连铸结晶器漏钢和钢坯裂纹出现，通常应以较小拉坯速度进行生产，同时结晶器中应控制二冷区冷却水量和水量分布均匀性，板坯出连铸机后应尽可能采取缓冷方法，以降低钢坯断面温差过大而引发产品缺点。
<2）不锈钢加热部分
不锈钢在低于600℃加热时，钢坯应以较低炉温进行缓慢加热，当温度高于600℃时，为降低氧化烧损和提升产品质量，钢坯应以较快速度进行加热，但在钢坯加热温度靠近出炉温度时，应合适降低炉温，以提升出炉钢坯温度均匀性。
<3）板坯轧制部分
不锈钢钢坯在开始轧制时，因为钢坯较短散热面积较小，应采取较大压下量进行轧制，以减小钢坯在粗轧区域温降损失。在板带精轧部分，因为板带规格减薄，板带散热面积加大，轧制应采取降低轧制道次和板带保温方法，方便使板带在塑性变形范围内进行轧制。
<4）板坯退火部分
对于不一样不锈钢钢种应采取不一样退火方法。通常奥氏体不锈钢应采取连续式高温退火炉进行退火，退火温度通常为1100～1150℃，退火后应采取快速冷却方法。对于铁素体和马氏体不锈钢，通常应采取罩式退火炉进行缓慢退火，退火温度通常为800～880℃，退火后为预防产生组织应力应采取缓慢降温或缓冷方法进行。
6 研究结论
本文针对多种不锈钢热加工特点，在深入分析温度对不锈钢热变形行为、变形过程、变形后组织性能、轧后组织改变和退火温度等原因影响基础上，提出了不锈钢热加工中温度控制方法，对于提升不锈钢产品质量、降低生产缺点含有一定指导意义。

参 考 文 献
1 杨世铭，陶文铨. 传热学[M]. 北京：高等教育出版社，1998.
2 陆钟武 主编. 火焰炉[M]. 冶金工业出版社，1995.5.