超纯21%Cr铁素体不锈钢热轧粘辊机理及组织织构控制

【摘要】：超纯21%Cr铁素体不锈钢以优异的耐蚀性、可焊接性、高热传导效率及成本优势自开发以来受到广泛青睐。其可以用来替代价格昂贵的304奥氏体不锈钢,甚至是316奥氏体不锈钢。目前,超纯21%Cr铁素体不锈钢在生产和使用中主要面临三个问题：1、热轧过程中发生粘辊现象；2、冷成形过程中形成严重的表面起皱；3、薄板成形性能有待进一步提高。针对以上问题,本论文对超纯21%Cr铁素体不锈钢的微合金化机理、热变形行为、热轧粘辊机理,以及轧制和退火过程中的组织和织构演变进行了系统研究。论文主要工作及创新性成果如下： (1)明确了微合金元素对超纯21%Cr铁素体不锈钢凝固组织的影响,阐明了Ti、Ti+Nb稳定化及析出物对组织和织构演变影响的微合金化机理。 通过真空冶炼浇注实验并结合Thermo-Calc热力学计算,分析了间隙原子和微合金元素对超纯21%Cr铁素体不锈钢凝固组织的影响。实验表明,添加微合金元素可以提高凝固组织的等轴晶率,复合添加Ti、Nb微合金元素比单一添加Ti元素更加有效。与Ti单一稳定化实验钢相比,Ti、Nb复合稳定化实验钢冷轧退火后,Y纤维织构增加、中心层晶粒簇减弱,成形性能和抗表面起皱性能更好。这是因为对于Ti、Nb复合稳定化实验钢,凝固组织中高的等轴晶比率和在无固溶C原子条件下热轧,促进了带钢中有利织构的形成。在热轧退火过程中,析出物会阻碍再结晶晶粒的生长,对柱状晶组织起到 -定的破碎作用。此外,析出物对∑13b重位点阵晶界的阻碍作用相对较小,优化了晶界结构,有利于通过∑13b晶界迁移形成γ纤维织构。(2)分析了超纯21%Cr铁素体不锈钢的热变形行为,明确了热变形和静态再结晶过程中的显微组织特征、静态再结晶形核机制和织构变化特点。通过热模拟实验,得到了超纯21%Cr铁素体不锈钢热变形过程中的应力一应变曲线,建立了高温变形过程中的本构方程。实验显示,超纯21%Cr铁素体不锈钢在热变形过程中易于发生动态回复,不能发生动态再结晶,可在中低温进行热轧,变形晶粒内部组织随变形温度的下降和变形量的增加而细化。静态再结晶形核机制为晶界弓出形核,静态再结晶对变形组织的织构具有弱化作用。(3)分析了超纯铁素体不锈钢的高温氧化行为特点,阐明了铁素体不锈钢热轧粘辊的形成机理,揭示了工艺参数对超纯21%Cr铁素体不锈钢热轧粘辊的影响规律。 对超纯17%Cr和21%Cr铁素体不锈钢进行了高温氧化实验,并采用开发的模拟热轧粘辊实验装置对超纯21%Cr铁素体不锈钢的热轧粘辊机理和影响因素进行了研究。分析发现,随着超纯化和高铬量,铁素体不锈钢的高温抗氧化能力提高。明确了轧辊表面循环疲劳微裂纹是热轧粘辊的形核源,铁素体不锈钢由于高温流变应力小容易发生局部塑性失稳,造成部分带钢由表面撕裂并粘附在带有裂纹的轧辊表面,形成热轧粘辊。超纯21%Cr铁素体不锈钢容易发生粘辊的温度区间为900-1100℃,与普通铁素体不锈钢相比,其粘辊温度区间向着高温方向扩大。减弱超纯21%Cr铁素体不锈钢热轧粘辊的手段有：促进带钢表面氧化、降低热轧温度、降低轧辊表面粗糙度、增加变形速率和采用高温耐磨性能优异的高速钢辊代替高铬轧辊,其中前两种方法最为有效。 (4)揭示了精轧温度与压下量对超纯21%Cr铁素体不锈钢组织和织构演变的影响规律,阐明了晶内剪切带的形成特点及其对铁素体不锈钢组织和织构演变的重要作用。 通过将粗轧与精轧分开的两阶段轧制实验,分析了热轧精轧温度和压下量对织构演变的影响。实验钢在800℃以下且55%以上压下量精轧时生成晶内剪切带变形组织,晶内剪切带主要在γ纤维取向变形晶粒和{112}110取向的变形晶粒内形成。剪切带的形成使变形晶粒内部的取向差增加,亚晶粒破碎程度加剧。晶内剪切带在退火过程中,通过亚晶合并形核方式,与晶界形核一起提供了再结晶形核核心,促进了带钢组织细化。在晶内剪切带处形成的再结晶晶粒还具有取向形核特点,再结晶晶粒多具有{111}112取向,促进了热轧退火板中丫纤维织构的生成,并经冷轧和冷轧退火会遗传至成品板,促进成品板中{111)再结晶织构的生成。 (5)基于上述实验研究成果,针对超纯21%Cr铁素体不锈钢存在的主要问题,提出了一种综合改善成形性能和表面质量的新热轧工艺,在实验室条件下成功进行了中试实验。新工艺采用“高温粗轧+中间坯快速冷却+低温精轧”工艺思想。结果表明,新的工艺对减弱热轧粘辊、提高成形性能和抗表面起皱性能均具有明显的促进作用。