CN116065014A - 一种1～4mm高强钢板辊压式气淬方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢板热处理技术领域，公开了一种1～4mm高强钢板辊压式气淬方法，包括补温控制方法、气量分配方法、辊缝控制方法和辊速控制方法；所述补温控制方法和气量分配方法通过提高开冷温度和调控冷却路径实现组织性能精确控制，提高钢板强韧性能；所述辊缝控制方法通过不同辊道辊缝差异化设定实现约束淬火；所述辊速控制方法通过不同辊道辊速差异化设定实现高均匀性、高平直度淬火。本发明解决了1～4mm高强钢板淬火板形差、残余应力大、强韧性不达标、表面质量差等问题，提高了淬火质量。

Description

一种1～4mm高强钢板辊压式气淬方法
技术领域
本发明涉及钢板热处理技术领域，具体涉及一种1～4mm高强钢板辊压式气淬方法。
背景技术
极薄高强钢板是装备制造、交通运输、石油化工、军工等领域关键原材料，对装备的大型化、轻量化发展至关重要。此类钢板热处理过程需要通过不同冷却制度和约束变形方法对强韧性能和板形进行控制，得到更优异的性能。由于辊式淬火机具有冷却强度大、淬火均匀、控制精度高、可连续生产等优点，成为目前极薄高强钢板主要淬火技术。
然而，随着钢板厚度减薄至1～4mm、宽度增加至2m以上、强度级别提高至960MPa以上，其淬火过程的高冷却均匀性和高平直度板形控制成为传统辊式淬火机不可逾越的技术瓶颈，主要表现在：钢板淬火敏感性高，淬火后易瓢曲，矫正难度大；用户对此类钢板综合使役性能要求苛刻，对钢板淬火组织性能一致性要求高；钢板淬火后强度显著提高，残余应力不均匀分布易产生冷加工变形回弹，影响大型装备整体结构加工质量和安全性。因此，1～4mm极薄高强钢板高均匀性、高平直度淬火成为行业公认的技术难题。
使用小流量弱水冷、水雾冷等传统冷却方式进行淬火时，温降过程经历膜态沸腾、核态沸腾及过渡沸腾、射流冲击等冷速差异显著的换热模式，带来局部冷却不均匀、冷速波动大等问题，无法解决该类钢板残余应力大、热处理畸变大、表面质量差等难题。气体冷却介质换热模式单一，冷却均匀性高、冷速调控性好，已成功运用于冷轧带钢连续淬火过程，为解决薄板淬火过程中板形问题提供了新思路。
本发明针对1～4mm极薄高强钢板，以压缩空气为冷却介质，对冷却路径和变形过程进行精确调控，最终实现高冷却均匀性和高平直度板形控制。
现有专利中，专利CN103233112A，公开了一种4～6mm高强度薄板的调质热处理设备及方法，利用淬火压床实现加压喷水淬火，以减小钢板淬火变形。该专利主要使用压力式水淬方式进行淬火，与本发明的辊压式气淬方法区别较大。
专利CN106460081A公开了一种用于制造带钢的方法和设备，使用含有氢气的气体混合物作为淬火介质对带钢进行淬火，在带钢宽度上实现均匀冷却。该专利在设备形式、淬火介质、冷却制度方面与本发明相差较大。
专利CN109207884A公开了一种低残余应力的铝合金板材及其制备方法，其第三级淬火工艺利用强风冷却减小了板材中的残余内应力。该工艺在冷却速率、冷却温度区间、冷却制度方面与本发明相差较大。
专利CN110760654A公开了一种马氏体不锈钢淬火工艺方法，其采用真空气淬热处理设备进行真空淬火，实现了淬火工艺并减小了应力集中。该工艺在冷却制度、设备形式等方面与本发明相差较大。
专利CN110129543A公开了一种极薄板带钢辊压式淬火工艺方法，该发明通过各种控制工艺的组合实施，实现了极薄板带钢高平直度、高均匀性淬火，。该发明的冷却介质、冷却方式与本发明相差较大。
专利CN102534136A公开了一种高抗磨双金属复合热处理工艺，该发明通过出炉后强风冷却实现淬火工艺，该发明的冷却制度方面与本发明相差较大。
发明内容
本发明的目的是针对现有1～4mm高强钢板辊压式淬火过程组织性能调控难度大、淬火敏感性高、板形差、残余应力大的技术瓶颈问题，提供一种1～4mm高强钢板辊压式气淬方法，能实现此类钢板高均匀性、高平直度、低残余应力淬火热处理生产，并满足钢板强韧性指标等热处理要求。
本发明的技术方案如下：一种1～4mm高强钢板辊压式气淬方法，主要由补温控制方法、气量分配方法、辊缝控制方法和辊速控制方法组成；补温控制方法、气量分配方法于钢板1出热处理炉2前设定；辊缝控制方法于钢板1出热处理炉2后设定；辊速控制方法于钢板1出热处理炉2后和气淬过程间动态调控。
所述补温控制方法为钢板1出热处理炉2前，补温罩3升温至700～980℃，准备对出热处理炉2后的钢板1进行补温；当钢板1厚度大、辊速高时，补温罩3温度降低；当钢板1厚度小、辊速低时，补温罩3温度升高；补温罩3温度减小或增加的幅度为0～280℃。
所述气量分配方法为钢板1出热处理炉2前，设定每组气淬喷嘴喷气量由第一组气淬喷嘴5至第四组气淬喷嘴8递减，且每组气淬喷嘴的单个气淬喷嘴喷气量相同，各组气淬喷嘴喷气量分别占总气量的30％～70％、20％～40％、10％～30％、10％～30％；单个气淬喷嘴喷气量范围为1000～1500m3/h、喷气压力范围为0.1～0.4MPa。
所述辊缝控制方法为钢板1进入淬火机4前，设定淬火机4除最后一组辊道16外的所有辊缝值＝[d-2mm，d+2mm]，d为钢板厚度；设定淬火机最后一组辊道16辊缝值＝[d-1.5mm，d+1.5mm]，实现辊压式约束淬火。
所述辊缝控制方法中，当钢板1淬火后出现中部浪形时，增大所有组辊道辊缝；当钢板1淬火后出现边部浪形时，减小所有组辊道辊缝，辊缝减小或增加的幅度为0.1～1mm。
所述辊速控制方法是指钢板1以1.2～2.0倍于稳定气淬速度的运行速度出热处理炉2，在钢板1头部到达第一组辊道12时以-0.01～-0.15m2/s加速度减速至稳定气淬速度；钢板1出热处理炉2速度增加幅度随钢板厚度减小而增加，具体按下式计算，其中，V1为钢板出热处理炉速度，单位m/s，V2为钢板稳定气淬速度，单位m/s，d为钢板厚度，单位mm；
V1＝(3-1.31667d+0.35d2-0.03333d3)V2d∈[1，4]。
所述稳定气淬速度为最后一组辊道咬合钢板后的第一组辊道辊速。
所述辊速控制方法中，当钢板1头部进入淬火机4第n组辊道后，n≥1，沿钢板1长度方向第n+1组辊道至淬火机4最后一组辊道的辊速＝第n组辊道辊速+0.0001～0.001m/s，实现相邻辊道间微张力拉伸淬火，钢板1淬火时辊速范围0.08～1m/s。
所述辊速控制方法中，当钢板1经淬火机4后终冷温度高于150℃时，全部辊道速度减小；当钢板1经淬火机4后温度低于50℃时，全部辊道速度增加；辊道速度减小或增加的幅度为0.001～0.1m/s。
本发明的有益效果：本发明对1～4mm高强钢板辊压式气淬过程中的冷却路径和变形过程进行了精准控制，有效的提高了1～4mm高强钢板淬火后性能指标及性能均匀性，改善了极薄高强钢板淬火板形、淬火后残余应力，提高了淬火质量。通过补温控制方法和气量分配方法，提高了开冷温度，调控了冷却路径，减少了先共析铁素体、珠光体、贝氏体等非马氏体组织的产生，改善了极薄高强钢板淬火板形、淬火后残余应力和强韧性能；通过辊缝控制方法实现辊压式约束淬火，有效提高了钢板淬火均匀性和平直度；通过辊速控制方法，提高了冷却效率，减小了头部预冷引发的组织性能均匀性差异，同时实现微张力拉伸淬火，有效消除边浪、中浪等钢板淬火板形问题。
附图说明
图1是本发明中的1～4mm高强钢板辊压式气淬方法实施方案图；
图中：1-钢板；2-热处理炉；3-补温罩；4-淬火机；5-第一组气淬喷嘴；6-第二组气淬喷嘴；7-第三组气淬喷嘴；8-第四组气淬喷嘴；9-辊道；10-炉内辊道；11-补温罩内耐高温辊道；12-第一组辊道；13-第二组辊道；14-第三组辊道；15-第四组辊道；16-最后一组辊道。
具体实施方式
选用2mm厚、2000mm宽工程机械用高强度耐磨钢板NM400为例，结合图1，说明1～4mm极薄高强钢板辊压式气淬工艺具体实施方式。
钢板1出热处理炉2前，补温控制方法设定补温罩3加热至700～980℃。当补温罩3温度大于980℃时，补温后钢板1于高温下空冷迅速，实际补温效率降低，造成能源浪费；当补温罩温度3小于700℃时，钢板将于淬火前发生非马氏体相变、碳化物析出等不利组织转变，钢板1降低300～800MPa。例如，当补温罩3加热温度为850℃时，示例NM400钢板强度为1400MPa；当补温罩3加热温度为650℃时，示例NM400钢板强度为1000MPa。
本实施例设计四组气淬喷嘴，分别为第一组气淬喷嘴5、第二组气淬喷嘴6、第三组气淬喷嘴7和第四组气淬喷嘴8；气量分配方法设定第一组气淬喷嘴5至第四组气淬喷嘴8的单喷嘴流量分别为1500m3/h、1200m3/h、1100m3/h、1000m3/h，喷气压力均为0.4MPa，每组上下喷嘴气量及喷气压力相同。此时，总气量为9600m3/h，第一组气淬喷嘴5至第四组气淬喷嘴8气量递减，分别占总气量的31％、25％、23％、21％。该气量分配方法提高了钢板1高温区冷速，减少了非马氏体相变产生，对冷却路径进行了精确控制，在相同总气量的条件下可获得最佳组织性能。当采用其他分配方法时，钢板强度将降低200～600MPa。例如，当使用上述逐组递减气量分配方法时，示例NM400钢板强度为1400MPa；当在相同总气量下，四组气淬喷嘴流量占比均为25％，喷气压力均为0.4MPa，即未使用上述逐组递减气量分配方法时，示例NM400钢板强度为1100MPa。
辊速控制方法设定炉内辊道10、补温罩内耐高温辊道11及第一组辊道12辊速为0.3m/s，其他组辊道辊速为0.2m/s。该辊速控制方法可使得钢板1头部加速进入淬火机4，减少钢板头部预冷产生的非马氏体相变，提高头部强度100～500Mpa，增强钢板1性能均匀性。例如，当使用上述辊速控制方法时，钢板头部强度为1400MPa；当所有组辊道辊速均为0.2m/s，即未使用上述辊速控制方法时，钢板头部强度为1000MPa。
辊缝控制方法设定最后一组辊道16辊缝为2.8mm，其他组辊道辊缝为3mm。该方法实现了整板辊压式约束淬火工艺，最后一组辊道16增强约束，进一步提高了板形质量。
钢板1经热处理炉2加热至900℃且保温10min后以0.3m/s速度出炉，当钢板头部接触至第一组辊道后，以-0.08m2/s加速度降低炉内辊道10、补温罩内耐高温辊道11及第一组辊道12的速度至0.2m/s，第二组辊道13、第三组辊道14、第四组辊道15以及最后一组辊道16速度调整为0.2001m/s；当钢板1头部到达第二组辊道13时，第三组辊道14、第四组辊道15至最后一组辊道16速度调整为0.2002m/s；以此类推，当钢板1头部到达最后一组辊道16时，所有辊道9辊速不再变化。自此，实现辊道9间微张力拉伸淬火，有效提高了板形质量。当使用上述辊速控制方法时，示例钢板平直度＜4mm/m；当第二组辊道13至最后一组辊道16均为0.2m/s，即不使用上述辊速控制方法时，示例钢板平直度＞10mm/m。
当钢板1出淬火机4温度高于150℃时，钢板未完成相变，得到非马氏体组织，钢板强度降低200～400MPa，下一块钢板1的全部辊道9速度减小至0.18m/s；当此块钢板1出淬火机4温度低于50℃时，钢板完成相变，但冷却时间过长，造成能源浪费，降低了生产效率，下一块钢板1的全部辊道9速度增加至0.22m/s。最终调整钢板终冷温度为50～150℃，实现钢板1性能和生产效率共同提升。
当此块钢板1淬火后出现中部浪形时，下一块钢板1的最后一组辊道16辊缝增大为3.0mm，其余组辊缝增大为3.2mm，逐步提高各组辊缝直至中部浪形消失。当此块钢板1淬火后出现边部浪形时，下一块钢板1的最后一组辊道16辊缝减小为2.6mm，其余组辊缝减小为2.8mm，逐步减小各组辊缝直至边部浪形消失。最终淬火后的2mm NM400钢板平直度＜4mm/m。

Claims (9)

1.一种1～4mm高强钢板辊压式气淬方法，其特征在于，所述辊压式气淬方法主要由补温控制方法、气量分配方法、辊缝控制方法和辊速控制方法组成；补温控制方法、气量分配方法于钢板(1)出热处理炉(2)前设定；辊缝控制方法于钢板(1)出热处理炉(2)后设定；辊速控制方法于钢板(1)出热处理炉(2)后和气淬过程间动态调控。
2.根据权利要求1所述的1～4mm高强钢板辊压式气淬方法，其特征在于，所述补温控制方法为钢板(1)出热处理炉(2)前，补温罩(3)升温至700～980℃，准备对出热处理炉(2)后的钢板(1)进行补温；当钢板(1)厚度大、辊速高时，补温罩(3)温度降低；当钢板(1)厚度小、辊速低时，补温罩(3)温度升高；补温罩(3)温度减小或增加的幅度为0～280℃。
3.根据权利要求1所述的1～4mm高强钢板辊压式气淬方法，其特征在于，所述气量分配方法为钢板(1)出热处理炉(2)前，设定每组气淬喷嘴喷气量由第一组气淬喷嘴(5)至第四组气淬喷嘴(8)递减，且每组气淬喷嘴的单个气淬喷嘴喷气量相同，各组气淬喷嘴喷气量分别占总气量的30％～70％、20％～40％、10％～30％、10％～30％；单个气淬喷嘴喷气量范围为1000～1500m3/h、喷气压力范围为0.1～0.4MPa。
4.根据权利要求1所述的1～4mm高强钢板辊压式气淬方法，其特征在于，所述辊缝控制方法为钢板(1)进入淬火机(4)前，设定淬火机(4)除最后一组辊道(16)外的所有辊缝值＝[d-2mm，d+2mm]，d为钢板厚度；设定淬火机最后一组辊道(16)辊缝值＝[d-1.5mm，d+1.5mm]，实现辊压式约束淬火。
5.根据权利要求1或4所述的1～4mm高强钢板辊压式气淬方法，其特征在于，所述辊缝控制方法中，当钢板(1)淬火后出现中部浪形时，增大所有组辊道辊缝；当钢板(1)淬火后出现边部浪形时，减小所有组辊道辊缝，辊缝减小或增加的幅度为0.1～1mm。
6.根据权利要求1所述的1～4mm高强钢板辊压式气淬方法，其特征在于，所述辊速控制方法是指钢板(1)以1.2～2.0倍于稳定气淬速度的运行速度出热处理炉(2)，在钢板(1)头部到达第一组辊道(12)时以-0.01～-0.15m2/s加速度减速至稳定气淬速度；钢板(1)出热处理炉(2)速度按下式计算，其中，V1为钢板出热处理炉速度，单位m/s，V2为钢板稳定气淬速度，单位m/s，d为钢板厚度，单位mm；
V1＝(3-1.31667d+0.35d2-0.03333d3)V2d∈[1，4]。
7.根据权利要求6所述的1～4mm高强钢板辊压式气淬方法，其特征在于，所述稳定气淬速度为最后一组辊道咬合钢板后的第一组辊道辊速。
8.根据权利要求1或6所述的1～4mm高强钢板辊压式气淬方法，其特征在于，所述辊速控制方法中，当钢板(1)头部进入淬火机(4)第n组辊道后，n≥1，沿钢板(1)长度方向第n+1组辊道至淬火机(4)最后一组辊道的辊速＝第n组辊道辊速+0.0001～0.001m/s，实现相邻辊道间微张力拉伸淬火，钢板(1)淬火时辊速范围0.08～1m/s。
9.根据权利要求8所述的1～4mm高强钢板辊压式气淬方法，其特征在于，所述辊速控制方法中，当钢板(1)经淬火机(4)后终冷温度高于150℃时，全部辊道速度减小；当钢板(1)经淬火机(4)后温度低于50℃时，全部辊道速度增加；辊道速度减小或增加的幅度为0.001～0.1m/s。
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