冷轧及退火工艺对304不锈钢组织性能影响.pdf
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1、内蒙古科技大学 硕士学位论文 冷轧及退火工艺对304不锈钢组织性能影响 姓名:张献东 申请学位级别:硕士 专业:材料加工工程 指导教师:麻永林 20090601 独创性说明 本人郑重声明:所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论 文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得内蒙古科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名:逝塑丕日期:鱼上! 丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论
2、文的规定,即: 学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布 论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名:速缸垂导师签名: 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 不锈钢的生产概况 1 1 1 世界不锈钢的发展 世界不锈钢工业化生产自1 9 1 2 年由克虏伯建立生产基础,由于不锈钢具有优良 的品质和特征,因而应用范围越来越广,并且世界范围内不锈钢的生产和需求都一直 呈现持续增长的趋势。 从不锈钢生产的发展历史看,本世纪5 0 年代起美国获得迅速发展,6 0 年代,随 着世界经济的复苏,欧洲的消费量
3、在不断增加,7 0 年代起同本的不锈钢产量超过美 国居于世界第一,并一直保持下来,8 0 年代以来,亚洲地区的韩国和中国( 包括台湾) 的不锈钢生产也有了快速的发剧1 1 。 1 1 2 我国不锈钢的发展 2 0 0 0 年以来,我国不锈钢的消费量逐年快速增加,从2 0 0 0 年到2 0 0 7 年,我国不锈 钢的消费增长率达1 8 ;同期我国不锈钢的生产发展极为迅速,平均每年的增长率达3 3 ;从而使我国不锈钢的自给率不断提高,2 0 0 7 年达到了7 5 6 。我国不锈钢的需求从 2 0 0 1 年表观消费量大2 6 5 6 万t ,超过日本和美国,成为世界第一消费大国后,中国连续 7
4、 年站在世界第一消费大国的位置,占世界总需求量的1 4 ,2 0 0 7 年我国人均不锈钢消费 量已达到5 k g 左右,超过了世界人均消费水平。随着需求的不断增加,我国不锈钢的产 量也在快速增长,2 0 0 6 年不锈钢的粗钢产量达5 3 0 6 万t ,成为世界第一;2 0 0 7 年不锈 钢粗钢产量为7 2 0 6 万t ,约占全球产量的2 6 ,继续保持世界第一的水平。到2 0 0 7 年 我国己形成不锈钢生产能力约1 2 0 0 万t ,其中先进产能约占7 0 ;形成了不锈钢冷轧能 力约4 7 0 万t ,其中先进产量约8 0 。随着新增不锈钢产能的逐步释放,我国不锈钢的 产量将持续
5、增长。我国不锈钢产能的迅速增长,已从根本上改变了世界不锈钢产业的格 局,可以预见不久的将来,中国将由世界上最大的不锈钢净进口国转变为不锈钢净出口 国【2 】。 目前我国不锈钢行业存在的主要问题有以下三个方面p J : ( 1 ) 生产工艺落后,产品质量较差,成本高。国外生产不锈钢板材已普遍三步法 冶炼一连铸一连轧机或炉卷轧机热轧一多辊冷轧工艺。而我国不锈钢生产存在着炉容 小、精炼比低( 3 0 左右) ,薄板生产厂家仍采用单张热轧、单张冷轧。从钢种分析, 在1 8 8 型铬镍不锈钢中,国外生产总量占含镍不锈钢的5 9 ,占不锈钢总产量的3 8 。 而我国仍在广泛使用国外已经淘汰的含镍铬不锈钢。
6、 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 冷轧不锈钢生产能力不足,尤其是冷轧薄板更为突出。 ( 3 ) 目前,国外已用低碳和超低碳不锈钢取代了长期以来占统治地位的奥氏体T i 稳定化不锈钢,1 C r l8 N i 9 T i 已经从西方工业发达国家的标准中淘汰,而在我国 1 C r l 8 N i 9 T i 仍为主要钢种。我国不锈钢在产量增加的同时,品种方面还需要调整建议 在大力发展性价比更高的高氮低镍不锈钢生产的同时,进一步增加铁素体不锈钢的产 量及比例,而氮对低N i 不锈钢的性能影响以及钢的冶炼过程加氮的工艺问题有待研 究。 1 2 冷轧不锈钢生产过程的质量控制 一般中间厚度板( 1
7、 0 , - - 2 O m m ) 表面质量易控制,而薄板和厚板则较难保证。这是 因为:薄料( O 3 o 4 r a m ) 表面易产生异物质压入。厚板( 2 5 3 O m m ) 由于轧制时压下率 偏低( 5 0 以下) ,制品表面质量较差。产品从原料冷轧退火产品分割,各工序会产 生各种各样的缺陷,一般各工序发生缺陷的比率约为:原料:5 ,轧制:4 5 ,退 火:3 5 ,平整:l O ,产品化:5 ,即轧制和退火是产生缺陷的主要工序,因此 轧制和退火工序的质量管理最为重要瞵J 。 1 2 1 轧制生产时的质量控制 轧制速度、轧制道次、压下率、轧制油、轧辊材质及表面精度等都会对钢带质量
8、 产生影响。 ( 1 ) 轧制速度 轧制速度越高,轧后钢带表面粗糙度越大。同时,由于速度高,有时退火后材料 表面会出现油斑,因此正常情况下,最后道次轧制速度应合理给定。 ( 2 ) 轧制道次 轧制道次越多,钢带表面粗糙度越小,表面越光洁。 ( 3 ) 压下率 压下率越大,冷轧后钢带表面粗糙度越小。考虑到设备力,压下率一般为4 0 7 0 。偏大的压下率会导致制品性能异向性,对深拉伸加工不利。所以深拉伸材一般需 进行二次轧制、退火,每次的压下率大约为4 0 - - 6 0 。 ( 4 ) 乳化液 乳化液的质量也影响钢材的表面质量,一般乳化液粘度越大,钢板表面粗糙度越 大。因此应定期对乳化液进行分
9、析化验,定期更换,确保纯净。 ( 5 ) 工作辊 内蒙古科技大学硕士学位论文 不锈钢冷轧用工作辊一般为合金钢和高速钢辊,使用高速钢轧辊的产品表面粗糙 度小于合金钢工作辊,所以B Q 保证材及部分B A 材需使用高速钢工作辊。工作辊表 面粗度越小、越光洁,则钢板表面粗糙度越小,因此要求工作辊研磨机组状况良好, 工作稳定。 ( 6 ) 冷轧时其它质量控制要点 确定合理的换辊周期,对工作辊需细心研磨、检查,防止辊印。 加入优质垫纸,* L N 速度下降,防止油斑。 二辊、三辊擦拭器定期维护,张力控制,防止摩擦痕。 缩短钢卷冷轧后至退火前滞留时间,可防止污染。 对于厚板,为防止钢板出现挚纸痕,一般冷轧
10、时最后道次不加挚纸;薄板只在 钢卷头尾部加挚纸【1 3 j 。 1 2 2 退火生产时质量控制 奥氏体不锈钢使用前通常在1 0 5 0 - - 11 5 00 ( 2 之间进行固溶退火,使析出的碳化物被 重新固溶,然后快速冷却到室温。由于冷速较快,固溶的碳来不及与其它合金元素结合 析出,以此提高其耐晶间腐蚀性能。连续退火生产线是整个不锈钢制造过程中极为重 要的环节。下面就具体条件下影响产品质量的主要因素予以说明【14 1 。 ( 1 ) 退火温度 退火温度的设定随不锈钢钢种而异。3 0 4 钢一般均热段温度为11 0 0 。C ( B 带温度) 左右,4 3 0 钢为9 0 0 左右。相对较高
11、的温度可提高生产效率,但同时要求较高的运 行速度,对设备要求较高。 ( 2 ) 氧浓度 退火炉内剩余氧气的多少对氧化铁皮的组成有较大影响,从而影响酸沈效果。资 料表明:对于S U S 3 0 4 钢,剩余氧气浓度控制在3 5 4 O 时,氧化铁皮生成量最 低。 ( 3 ) 退火速度 和均热温度一样,设备能力不同,退火速度也不同。一般较高的退火温度需要较 高的线速度。 内蒙古科技人学硕+ 学位论文 1 3 合金元素对组织和性能的影响 ( 1 ) 铬是形成铁素体的元素,并具有良好的耐腐蚀性能,随着其含量的增加耐点 腐蚀耐缝隙腐蚀性能提高。铬在不锈钢中的决定作用:决定不锈钢属性的元素只有一 种,这就
12、是铬,每种不锈钢都含有一定数量的铬。迄今为止,还没有不含铬的不锈钢。 铬之所以成为决定不锈钢性能的主要元素,根本的原因是向钢中添加铬作为合金元素 以后,促使其内部的矛盾运动向有利于抵抗腐蚀破坏的方面发展。这种变化可以从以 下方面得到说明: 铬使铁基固溶体的电极电位提高。 铬吸收铁的电子使铁钝化。 钝化是由于阳极反应被阻止而引起金属与合金耐腐蚀性能被提高的现象。构成金属 与合金钝化的理论很多,主要有薄膜论、吸附论及电子排列论。 ( 2 ) 镍形成并稳定奥氏体,使钢获得完全奥氏体组织。降低。相的形成倾向。增加 碳化物的析出,抗高温氧化性增强。镍是优良的耐腐蚀材料,也是合金钢的重要合金 化元素。镍在
13、钢中是形成奥氏体的元素,但低碳镍钢要获得纯奥氏体组织,含镍量要 达到2 4 ;而只有含镍2 7 时才使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变。所以镍 不能单独构成不锈钢。但是镍与铬同时存在于不锈钢中时,含镍的不锈钢却具有许多 可贵的性能。基于上面的情况可知,镍作为合金元素在不锈钢中的作用,在于它使高 铬钢的组织发生变化,从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得某些改善。 ( 3 ) 钼的作用仅次于铬,使钢更易获得铁素体,提高钢的耐蚀性,促进仅和。相 特别是X 相的析出。同时可以提高钢在还原性介质中的腐蚀性能。 ( 4 ) 碳和氮,在铁素体不锈钢中,使脆性转变温度提高,缺口敏感性增大,焊后 耐腐蚀性下
14、降,碳和氮在铁素体中,溶解度很低,在高温加热后冷却过程中有氮化物, 碳化物和氮化物,氧化物析出导致韧性降低,脆性转变温度升高。 在奥氏体中,碳是强烈形成,并稳定奥氏体,扩大奥氏体区的元素,形成奥氏体 的能力为镍的3 0 倍。氮代镍节约贵重金属镍,形成并稳定奥氏体,且扩大奥氏体区, 作用相当于碳,可以抑制碳化物的析出和形成。 碳是工业用钢的主要元素之一,钢的性能与组织在很大程度上决定于碳在钢中的 含量及其分布的形式,在不锈钢中碳的影响尤为显著。碳在不锈钢中对组织的影响主 要表现在两方面,一方面碳是稳定奥氏体的元素,并且作用的程度很大( 约为镍的 3 0 倍) ,另一方面由于碳和铬的亲和力很大,与
15、铬形成一系列复杂的碳化物。所以, 从强度与耐腐蚀性能两方面来看,碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的。 ( 5 ) 钛和铌是铁素体形成元素,其作用可以细化晶粒,提高耐晶问腐蚀性能。 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 铜是非常弱的奥氏体形成元素,少量的铜不产生重大的影响,主要是提高耐 腐蚀性和冷加工成型性,特别是深冲性,提高应力腐蚀敏感性。 ( 7 ) 锰是较弱的奥氏体形成元素,起到强烈的稳定奥氏体的作用。可以增加其强 度性能,锰和硫有较强的亲和力。锰对于奥氏体的作用与镍相似。但说得确切一些, 锰的作用不在于形成奥氏体,而是在于它降低钢的临界淬火速度,在冷却时增加奥氏 体的稳定性,抑制奥氏体的分
16、解,使高温下形成的奥氏体得以保持到常温。在提高钢 的耐腐蚀性能方面,锰的作用不大,如钢中的含锰量从0 到1 0 4 变化,也不使钢在 空气与酸中的耐腐蚀性能发生明显的改变。这是因为锰对提高铁基固溶体的电极电位 的作用不大,形成的氧化膜的防护作用也很低,所以工业上虽有以锰合金化的奥氏体 钢( 如4 0 M n l 8 C r 4 ,5 0 M n l 8 C r 4 W N 、Z G M n l 3 钢等) ,但它们不能作为不锈钢使用。 锰在钢中稳定奥氏体的作用约为镍的二分之一,即2 的氮在钢中的作用也是稳定奥 氏体,并且作用的程度比镍还要大。例如,欲使含1 8 铬的钢在常温下获得奥氏体 组织,
17、以锰和氮代镍的低镍不锈钢与元镍的铬锰氮不诱钢,目前已在工业中获得应用, 有的已成功地代替了经典的1 8 8 铬镍不锈钢。 ( 8 ) 其他元素对不锈钢的性能和组织的影响 不锈钢中还含有一些其他的元素。有的是和一般钢一样为常存杂质元素,如硅、 硫、磷等。也有的是为了某些特定的目的而加入的,如钴、硼、硒、稀土元素等。从 不锈钢的耐腐蚀性能这一主要性质来说,这些元素相对于已讨论的九种元素,都是非 主要方面的,虽然如此,但也不能完全忽略,因为它们对不锈钢的性能与组织同样也 发生影响。 硅是形成铁素体的元素,在一般不锈钢中为常存杂质元素。 钴作为合金元素在钢中应用不多,这是因为钴的价格高及其在其它方面(
18、 如高速 钢、硬质合金、钴基耐热合金磁钢或硬磁合金等) 有着更重要的用途。在一般不锈钢 中加钴作合金元素的也不多,常用不锈钢如9 C r l 7 M o V C o 钢( 含1 2 1 8 钴) 加钴, 目的并不在于提高耐腐蚀性能而在于提高硬度,因为这种不锈钢的主要用途是制造切 片机械刃具、剪刀及手术刀片等。 硼:高铬铁素体不锈钢C r l 7 M 0 2 T i 钢中加O 0 0 5 硼,可使在沸腾的6 5 醋酸中 的耐腐蚀性能提高。加微量的硼( O 0 0 0 6 - - 4 ) 0 0 0 7 ) 可使奥氏体不锈钢的热态塑性改 善。少量的硼由于形成低熔点共晶体,使奥氏体钢焊接时产生热裂纹
19、的倾向增大,但 含有较多的硼( 0 5 o 6 ) 时,反而可防止热裂纹的产生。因为当含有O 5 0 6 的 硼时,形成奥氏体一硼化物两相组织,使焊缝的熔点降低。熔池的凝固温度低于半溶 化区时,母材在冷却时产生的张应力,由处于液固态的焊缝金属承受,此时是不致引 内蒙古科技大学硕士学何论文 起裂缝的,即使在近缝区形成了裂纹,也可以为处于液态一固念的熔池金属所填充。 含硼的铬镍奥氏体不锈钢在原子能工业中有着特殊的用途。 磷:在一般不锈钢中是杂质元素,但其在奥氏体不锈钢中的危害性不像在一般钢 中那样显著,故含量可允许高一些,如有的资料提出可达O 0 6 ,以利于冶炼控制。 个别的含锰的奥氏体钢的含磷
20、量可达O 0 6 ( 如2 C r l 3 N i M n 9 钢) 以至O 0 8 ( 如 C r l 4 M n l 4 N i 钢) 。利用磷对钢的强化作用,也有加磷作为时效硬化不锈钢的合金元 素,P H l 7 1 0 P 钢( 含O 2 5 磷) 乃P H H N M 钢( 含0 3 0 磷) 等。 硫和硒:在一般不锈钢中也是常有杂质元素。但向不锈钢中加O 2 0 4 的硫, 可提高不锈钢的切削性能,硒也具有同样的作用。硫和硒提高不锈钢的切削性能,是 因为它们降低不锈钢的韧性,例如一般1 8 8 铬镍不锈钢的冲击值可达3 0 公斤平方厘 米。含O 3 1 硫的1 8 8 钢( 0 0
21、 8 4 C 、1 8 1 5 C r 、9 2 5 N i ) 的冲击值为1 8 公斤 平方厘米;含0 2 2 硒的1 8 8 钢( 0 0 9 4 C 、1 8 4 C r 、9 N i ) 的冲击值为3 2 4 公 斤平方厘米。硫与硒均降低不锈钢的耐腐蚀性能,所以实际应用它们作为不锈钢的 合金化元素是很少的。 稀土元素:稀土元素应用于不锈钢中,目前主要在于改善工艺性能方面。如向 C r l 7 T i 钢和C r l 7 M 0 2 T i 钢中加少量的稀土元素,可以消除钢锭中因氢气引起的气泡 和减少钢坯中的裂纹。奥氏体和奥氏体一铁素体不锈钢中加0 0 2 0 5 的稀土元素 ( 铈镧合
22、金) ,可显著改善锻造性能。曾有一种含1 9 5 铬、2 3 镍以及钼铜锰的奥氏 体钢,由于热加工工艺性能在过去只能生产铸件,加稀土元素后则可轧制成各种实用 型材【18 1 。 1 4 用于不锈钢板材生产的1 2 辊可逆式冷轧机 1 4 1 辊系组成 1 2 辊可逆式冷轧机是由日本三菱重工设计开发的用于轧制极薄带材的轧机,近几年 才被广泛用来轧制不锈钢板。由2 片闭口式牌坊和上下横梁组成了机架。辊子按3 2 。1 分布上下对称布置,3 组支承辊装在支承辊框架上、每组支承辊都由6 7 个大背压轴承和 芯轴装配成,可整体装入及拉出机架。上下中间辊也可整体装入及拉出机架,中间辊为 主动。工作辊自由在
23、机架内。当辊缝打开时上支承辊由平横缸托起,上中间辊由弯辊缸 托起,上工作辊由换辊支架托起。设计了中间辊窜动机构,在轧钢时可使中间辊连续窜 动,消除支承辊辊印在钢板表面上出现。机架内除了辊子外还有左右、上下穿带导板, 导板上设计有若干喷油孔,轧制变形区的润滑油来自导板。主液压缸在机架内的下部, 油缸产生的轧制力直接传递给下支承辊框架,完成轧钢的压下动作。油缸的行程决定了 辊系的开口度,这类轧机的开口度可达到2 5 0 r a m 以上l J 引。 内蒙古科技人学硕+ 学位论文 1 4 2 轧制线调整 轧辊直径改变后需要对轧制线进行调整。该调整装置设在机架的上部,悬挂于上 横梁。阶梯块的厚度一般设
24、计为5 r a m 或1 0 r a m ,根掘辊子直径的大小来调整阶梯块 具体位置。斜楔块主要是起微调作用,达到较高的轧制线调整精度。 1 4 3 板型控制机构 板型控制手段有3 种,即:机架整体倾斜、支承凸度调整和中问辊弯辊。每个上 支承辊由7 个轴承、3 个偏心套、3 组杠杆和1 根芯轴组成。第2 、4 、6 号轴承与偏 心套及杠杆固定连接,杠杆摆动即可调整支承辊的压下量,从而实现对被轧钢板1 4 浪和中浪的控制。传动侧和操作侧的上推缸可以实现不同的位移,以实现机架的整体 倾斜;在牌坊的窗口还有2 组油缸用于中间辊的弯辊中间辊的弯辊改变了工作辊边部 的受力分布,实现了边部板型的可控制【l
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