1、1 / 8冷軋板快速熱處理技術的研究開發1 概述 熱處理工序決定冷軋產品品種、性能與表面質量，且與熱處理前工序及用戶使用密 切相關，所以熱處理在冷軋產品制造過程中居核心地位。目前工業化生產中有罩式退火 和連續式退火兩大類。罩式退火爐一般具有占地面積大、生產周期長、能量消耗多等特 點，而且退火卷心部與外部溫度不均，性能差別較大，退火溫度較高時極易造成表面粘 連等缺陷。而連續退火生產線雖然在一定程度上縮短了生產周期、提高了性能均勻性， 但也存在能耗高、設備龐大復雜、生產線較長、加熱速率與冷卻速度低、板形較差等缺 點。受熱處理工藝裝備水平的限制，我國鋼鐵業冷軋板帶產品結構不合理，長期不能較 好地滿足

2、汽車、電機、家電、高端制造業等下游行業的需求。因此，如何開發新一代連 續熱處理技術和裝備，顯著提高冷軋和涂鍍產品的性能和質量，大幅度降低生產成本， 實現節能、減排的綜合效果，顯得特別迫切且意義重大。新一代超快速退火(ultra rapid annealing, URA)利用先進的加熱技術(電流感應、 等離子放電和電阻加熱)和快速冷卻技術(包括高速噴氣、氣霧混合、全氫冷卻和冷水 淬等)，可使加熱速率和冷卻速率達幾百到幾千度每秒，能夠使帶鋼在短至幾秒內甚至 幾百毫秒內完成退火過程，大大縮短加熱和冷卻段時間及長度，提高機組速度和生產效 率，實現了對溫度的精確控制，為冷軋 -退火產品提供了更具靈活性和

3、柔性化的組織 -性 能控制手段。感應加熱作為超快速退火的核心技術， 20 世紀 40 年代該技術就開始應用于帶鋼。 直到20 世紀 80 年代末，電流感應加熱技術終于在鋁帶和鋁合金帶材的生產中成功實現 商業應用。目前主要有兩種感應加熱帶鋼的方式，即縱向電流和橫向電流法。在縱向電 流方法中，感應線圈主要產生平行于帶鋼表面的磁通量，而橫向電流法中感應線圈的安 裝使其主要產生垂直于帶鋼表面的磁通量。 工業上縱向電流感應器在寬規格磁性材料的 加熱已得到很好的應用，但在非磁性材料的加熱中，由于在厚度方向產生渦流，除非增 大頻率否則電效率急劇降低；橫向電流則環繞帶鋼表面產生渦流，這意味著加熱同樣厚 度帶鋼

4、需要的電功率和頻率大幅降低，因此橫向電流感應加熱(Tran sverse Flux In duction Heati ng, TFIH )是高效加熱的最好選擇。近年來，由Celes、 Arcelor 研發中心和 EDF 聯合研制的新型感應器采用了一套先進的監控系統。該 系統能根據帶鋼性質、 尺寸以及其他工藝參數自動調整和控制感應器的所有參數以及包 括磁屏、磁棒及磁墊等各種磁場調節器的位置，成功解決了 “帶鋼邊緣過熱或欠熱 ”的難題，達到在帶鋼寬度方向良好的溫度均勻性。該中試生產線有如下特點：擁有比傳統技 術功率強 10 倍的技術，可達 1000r/s 高加熱速率；帶鋼用感應器的電效率 75%-

5、85%; 溫度均勻2 / 8性小于 3%；適用寬規格帶鋼的加熱，如帶鋼寬度1500mm 及以上，厚度0.1-1.5m m。比利時冶金中心也開發了一臺半工業化超短流程退火線，設備的加熱方式 為電感應加熱，0.9mm 帶鋼的加熱速率可達 200-1000C/s,最大冷卻速率為 900C/s。隨著感應加熱寬規格板帶材關鍵技術的重大突破， 快速熱處理技術的發展進入了前 所未有的 “黃金時期 ”，顯示出廣闊的應用前景。 從超快速退火鋁帶的成功經驗可以看出， 工藝裝備的進步帶來的不僅是工藝流程縮短、節能降耗、提高產品質量和生產效率等利 益，更重要的是為開發具有優異組織性能的新材料提供了途徑。因此，在電流感

6、應加熱 技術大規模商業化應用的前夕， 建立超快速退火工藝與材料物理冶金學及其綜合力學性 能的關系變得非常必要和迫切。東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室（ RAL ）多年來一直致力于以低成 本減量化為特征的鋼鐵工藝、裝備與產品的研發。在國際上率先開始 “快速熱處理 ”這一 冷軋熱處理領域極具潛力的前瞻性技術的研究。針對高強 IF 鋼、低硅 TRIP 鋼和低鐵損高磁感電工鋼進行了大量的實驗室和中試研究工作， 探索了超快速退火條件下鋼鐵材料 再結晶、相變和析出的物理冶金機理，揭示了全過程組織、織構和性能之間影響機理和 交互作用，提出了成分 -工藝 -組織-織構 -性能多變量優化和柔性化控制理

7、論與技術，為 超快速退火的工業化應用奠定了基礎。2 超快速退火的組織、織構的柔性化控制技術2.1 微觀組織控制 對傳統的冷軋汽車用鋼而言，隨著汽車減重、節約燃油和保障安全的迫切要求，采 用減量化成分和緊湊型流程，在保證成形性能的基礎上進一步提高材料強度，已經成為 21 世紀的研究熱點。高強度深沖用鋼（包括 IF 鋼和 Al 鎮靜鋼等）大多通過添加 Mn、P 和 Si 等元素達到固溶強化的目的。 這些元素在固溶強化母相的同時引起晶界強度的下 降，惡化了固有的晶界脆性問題（IF 鋼），導致更顯著的二次加工脆性；此外，固溶強 化元素 Si等的添加會損害深沖性能和涂層的表面質量，不適用于復雜成形的外板

8、零件。晶粒細化是能夠同時提高材料強度和韌性的最有效方法之一。通過細化晶粒，提高 晶界數量和密度，進而提高（超）低碳鋼的晶界強度，同時大幅度改善二次加工脆性。 日本某鋼鐵公司通過大幅提高 C 和 Nb 的含量，利用細晶強化、 NbC 析出強化和 PFZ 無間隙析出區間技術， 開發了一種 440MPa 級別的細晶高強 IF 鋼，顯著提高了實驗鋼的抗二次加工脆性。事實上，除了微合金化手段以外，通過工藝控制同樣可以實現晶粒細 化。近十年來這一技術在熱軋領域進行了深入的研究和應用。總的來說，主要有兩組獲 得超細晶3 / 8鋼的技術路線。一組是劇烈塑性變形方法，如等通道角擠壓、疊軋合技術、多 向變形和高壓

9、扭轉等；另一組則包括各種先進的形變熱處理技術，如形變誘導鐵素體相 變、動態再結晶、兩相區軋制以及鐵素體區溫軋等。目前商業用熱軋高強鋼的最小晶粒 尺寸在 3-5ym,而冷軋退火鋼通常在 20ym左右。眾所周知，熱軋組織參數、冷軋規程 和退火工藝的控制可強烈地影響冷軋產品的組織和性能，但目前主流的商業化退火方 法，無論是傳統的罩式退火還是較先進的連續退火，工藝參數單一，可變化范圍窄，難 以實現對組織性能的柔性化控制。這正是多年來制約冷軋-退火材料組織細化的主要瓶頸，也是冷軋細晶化技術鮮有研究的重要原因。為了克服上述問題， RAL 研究人員發現， 超快速退火技術因其獨特的加熱及冷卻方 式，可實現多階

10、段復雜路徑和靈活多樣的工藝參數控制，有望為冷軋 -退火產品提供更 具全新的組織 -織構 -性能解決方案。然而國外有限的研究結果似乎并沒有針對超快速退火過程中冷軋材料所表現出獨 特的回復、 “超快速 ”軟化現象及退火參數對再結晶晶粒尺寸、織構影響等方面形成一致 的結論。例如， Muljono 等研究發現在超快速退火過程中，隨加熱速率升高，再結晶溫 度提高，細化最終的再結晶晶粒； Reis 等認為隨加熱速率增加，再結晶溫度升高且晶粒 細化，當加熱速率1000C/s 時晶粒尺寸細化趨于平緩；然而 Atkinson 等卻認為，超快 速退火可降低純鐵的再結晶溫度 （低至 300C）， 發生所謂的 超快速

11、軟化”現象， 同時 得到粗化的晶粒。Stockemer等采用冷離子放電加熱方法也觀察到了再結晶溫度隨加熱 速率增加而提高的現象，但其再結晶晶粒尺寸隨加熱速率增加并無明顯變化。針對超快速退火過程中所涉及的令人困惑的物理冶金學問題及疑問， RAL 研究人員 并沒有選擇逃避，而是堅定信念，利用實驗室自主開發的國內最先進的帶鋼連續退火模 擬實驗分析平臺，針對具體鋼種進行了反復大量的實驗工作，多次優化實驗方案，最大 限度減少可能引入的各種誤差，注重實驗結果的重現性，以精益求精的科學態度對大量 實驗數據進行科學合理的統計分析。系統研究了超快速退火過程中，不同加熱速率、保 溫時間和冷卻等工藝條件下退火組織特

12、征，如晶粒平均尺寸、尺寸分布、析出物類型、 形態和分布，揭示了退火工藝參數對再結晶組織的影響規律。研究發現，超快速退火超 低碳 IF 鋼，加熱速率為 300C/s,與 20C/s 相比較，晶粒尺寸由傳統工藝下的（13.0 .5）ym細化到（10.0 .5）ym，晶粒細化可達 30%，而且晶粒尺寸分布平方差大大降低， 也就是說晶粒尺寸均勻性大大提高。這一現象從物理冶金學的角度可以給出這樣解釋， 由于加熱速率大幅度提高，再結晶之前的回復過程時間大為縮短，能夠保留較多的應變 儲能和較高的位錯密度。超快速退火條件下，4 / 8再結晶溫度的提高和保留下來的應變儲能 增加一方面為再結晶過程提供了更多的形核

13、位置，另一方面也提高了晶粒長大速率，從 而大大促進了再結晶動力學。 最終再結晶晶粒是否細化主要取決于這兩種作用的相互競 爭效果。通常在短時間內形核密度的增加效果更顯著時， 最終組織中晶粒就會明顯細化。 這一實驗結果對冷軋高強 IF 鋼的開發極為重要，它改變了傳統IF 鋼通過添加價格昂貴 的微合金元素來提高強度的思路，使得冷軋退火（超）低碳鋼的超細晶成為可能，其效 果堪比熱軋過程的“TMCP,為開發經濟型、減量化的優質冷軋鋼板提供新的手段，具 有重要的理論和實際應用價值。此外， RAL 還將這一新技術首次應用于冷軋退火 TRIP 鋼的開發，研究發現超快速 加熱通過抑制鐵素體的回復和再結晶過程，

14、可以使再結晶和相變在更高溫度和更大的變 形儲能下進行。這使得低硅含磷 TRIP 鋼中鐵素體、 貝氏體以及殘余奧氏體的體積分數、 形貌特征、晶粒尺寸發生了明顯的改變，鐵素體平均晶粒1-3ym,貝氏體板條寬度10-30nm,薄膜狀或顆粒狀殘奧分數增大并大幅度細化， 第二相析出粒子尺寸大部分在 10nm 以下且分布彌散均勻、具有較強的熱穩定性。這一顯著的微觀組織特征大大提高 和改善了低硅系 TRIP 鋼的力學性能。對晶粒尺寸要求主要取決于研究對象，結構鋼一般要求晶粒細化，但對于 Fe-Si 合 金這樣的功能材料就比較復雜，如硅鋼要求晶粒均勻粗大（降低磁滯損耗）。電加熱方 式使退火路徑靈活可控，這也為

15、晶粒尺寸的控制提供了新的手段。通過快速加熱或冷卻 （縮短高溫段等溫時間），快速升溫后迅速降到低溫段保溫，強化抑制劑析出等方法可 以細化晶粒；反之，通過延長高溫段保溫時間，低溫形核和高溫長大的階梯式退火，以 及周期式退火循環等方式可以促進晶粒長大。圖 1 示出了 URA 路徑控制示意圖。路徑 控制的本質是非等溫熱激勵對再結晶形核和長大的調控， 促進形核抑制長大可以細化晶 粒，反之可能使晶粒粗大。在第二相析出行為兩方面，首先是超快速加熱抑制了低溫析 出的發生，從而使抑制劑在高溫高儲能條件下大量快速析出；其次是破壞了原子的 “平 衡狀態 ”，增大了原子自由能和界面遷移率，從而進一步促進了細小粒子的快

16、速析出過 程。研究結果表明，與傳統等溫退火相比，周期式循環退火使低碳鋼平均晶粒尺寸增大 16%以上，硅鋼抑制劑析出體積分數增長 44%。圖 1 超快速退火路徑控制示意圖5 / 8因此可以認為，超快速熱處理的意義在于高加熱和冷卻速率以及柔性化路徑控制， 這絕不是傳統意義上的工藝優化，而是從本質上影響回復、再結晶和晶粒長大的物理機 制。與傳統的等溫退火不同，URA 再結晶往往在非等溫條件下發生，特殊的熱路徑不 僅影響晶界原子躍遷速率和激活能，而且改變再結晶的外部環境(溫度、變形儲能和析 出)和動力學，這里可以稱之為 非等溫熱激勵效應”。2.2 擇優取向控制眾所周知，再結晶織構組分和密度對退火板的性

17、能有著重要的影響。對沖壓成形性 能有要求的高強 IF 鋼來說，沖壓成形性能是板材性能優良與否的主要衡量指標之一。 再結晶織構中，丫纖維織構被認為是有利于成形的織構，IF 鋼之所以具有高的深沖性能 與其高取向密度的再結晶丫纖維織構(111/ND )密切相關。一般而言，(超)深沖用高強 IF 鋼在傳統退火方式下想要獲得強烈、均勻的織構，需要在某一退火溫度保溫 較長時間，經歷包括回復、再結晶和晶粒長大三個階段。根據經典的定向形核”和定向長大”理論，IF 鋼最終能夠獲得單一、強烈的 丫織構。根據定向形核機理，再結晶形 核優先發生在高儲能的取向晶粒處。各取向晶粒儲能順序如下： 110111112100。

18、對 IF鋼板而言，冷軋鋼板中110取向的晶粒數量極少，故占有一定比例的111/ND 取向晶粒優先形核、發展，從而成為再結晶織構的主要發 源地。由 定向長大”機制可知，再結晶形核晶粒容易向四周夾角25-30 110關系的基體生長，即刀 19a(26.5110)或刀 13b (27.8 110)重位點陣關系，這與其具有較高 的晶界移動性有關。因此，對傳統退火方式而言，完善的再結晶織構的形成和發展必需 要滿足一定的條件，其中，退火溫度和時間尤其重要。然而，由于超快速退火的加熱、保溫和冷卻工藝的特殊性，要保證獲得超細晶組織 退火保溫時間就必須嚴格控制，而這樣就帶來一個新的問題：短時間內帶鋼能否獲得足

19、夠強烈的再結晶織構？織構類型能否有利于深沖性能？織構是否均勻？能否通過調控 工藝參數獲得所需織構？帶著這些疑問，RAL 科研小組從物理冶金學和織構演變基本原理出發， 通過大量的、 一系列的實驗，研究和探討了超快速退火條件下 IF 鋼的再結晶織構形成、轉變機制以 及最優化控制理論與方法。通過合理控制加熱段、保溫段和冷卻段的工藝參數，獲得了 與傳統退火方式下幾乎完全相同的織構類型，即以丫織構為主的再結晶織構，有些織構密度甚至強于傳統退火下的織構。即使在以300C/s 加熱速率下快速升溫至較高退火溫6 / 8度并立即淬火的條件下也能夠獲得發展充分的再結晶織構。這一現象的發現充分說明， 超快速退火在高

20、溫短時保溫條件下完全可以獲得發達的丫纖維織構。這對于傳統的丫織構形成與演變機理是一個新的挑戰， 同時對實際生產而言其意義在于采用先進的超快速 熱處理可以在短時緊湊的流程下得到新一代超細晶高強 IF 鋼。這一新鋼種兼具高強度、 優異的成形性能及二次加工性能。這一現象從物理冶金學上可以解釋為，對于初始晶粒 較細小的超低碳鋼，在超快速退火過程中，由于升溫速率快，回復階段彈性畸變能消耗 少，丫取向（主要在晶界成核）晶粒迅速生成并長大，短時間可以獲得與普通退火工藝 下相類似甚至更強的位向準確、均勻分布的丫纖維織構。同樣，對織構的柔性化控制還體現在高品質電工鋼的產品開發過程。 以無取向 Fe-Si 合金為

21、例，當初始晶粒較大時（通常電工鋼熱軋常化后）加熱速率從 5C/s 增加到 300C/s， 對磁性能不利的 丫纖維織構被明顯抑制，而高斯（GosS）和/或立方（Cube）織構比例 和強度增加。這被解釋為，粗大晶粒的大變形冷軋造成丫晶內剪切帶增多，快速加熱使剪切帶內的變形儲能保留下來，再結晶開始后 Goss 和 Cube 晶核優先在剪切帶生成并迅 速長大，消耗所在丫晶粒的同時也抑制了周圍 丫纖維的發展，因此起到了削弱 丫織構和 促進 Goss和 Cube 織構的作用。相反，如果采用較低的加熱速率，剪切帶內變形儲能被 耗散，高斯和立方織構的成核不占優勢，從而在與丫織構競爭中處于劣勢，導致對磁性能不利

22、的丫晶粒大量生成。盡管深刻系統的理論研究還有待進行，但可以肯定超快速退 火織構控制效果也與非等溫熱激勵效應密切相關。對電工鋼來說，高斯織構或立方織構對優異磁性能的獲得至關重要。綜上所述，退 火時升溫速率對 Cube 和 Goss 晶粒形核具有非常明顯的影響，但這種影響并不是隨著速 率加快而線性變化，而是與變形量和原始組織有直接的關聯。在大量的帶鋼連續退火實 驗及其數據分析的基礎上，我們建立了 “成分初始組織 工藝織構”的對應關系模 型。這對于冷軋退火材料的織構柔性化控制，進一步挖掘工藝和性能潛力，降低產品開 發成本具有積極的意義。2.3 綜合性能控制RAL 通過超快速退火試樣進行力學性能檢測后

23、發現，超快速退火下獲得的高強 IF 鋼屈服和抗拉強度均有所提高，能夠獲得優于傳統工藝條件下的性能。所得性能范圍如 下：屈服強度為 145-155MPa,抗拉強度為 345-360MPa,延伸率為 38.5%-42%, r 值為 1.75-2.0， n 值為0.28-0.30。這與普通退火條件下采用微合金化所得深沖用板的性能相類 似，甚至有些性能會有所提高。如 n 值，普通退火條件下，此高強深沖用鋼的 n 值在 0.23 以下, r 值也有所提高。7 / 8超快速退火下的硅鋼能夠減少貴重合金元素添加，簡化工藝環節，促進理想組織和 織構的形成，進一步降低鐵損和提高磁感。例如，實驗室條件下可使中低牌

24、號無取向硅 鋼磁感值提高約 0.02-0.04T，也就是采用常規成分設計和冶煉的要求達到了高效電機用 鋼的磁性能要求，具有較高的經濟和社會效益。此外，采用超快速退火工藝開發的新型高強度 TRIP 鋼綜合力學性能也有顯著提高。 加熱速率為 80-300E/s 時，低碳含磷系 TRIP 鋼臨界溫度為 880C時，強度和塑性同步 增加，強塑積穩定在 23000MPa%以上，最高可達 27240MPa %，遠優于普通退火速率 下強塑積20000MPa%左右水平。值得一提的是，以 80E/s 加熱 460C過時效溫度下， 新開發鋼種抗拉強度達到 1450MPa，斷后伸長率為 18.5%，強塑積 26825MPa%，達到 甚至超過了高碳高合金化的淬火再配分鋼（Q&P）,其合金成本、成形及焊接性能具有 明顯的優勢。 該鋼種優異的力學性能與超快速加熱導致組織和析出粒子的超細化有密切 關系。為了更好地理解超快速退火對鋼鐵材料組織和性能的影響機理和控制技術，RAL針對低碳鋼（IF 鋼、BH 鋼）、DP 鋼、TRIP 鋼和硅鋼還開展了以下幾個方面的研究工 作：1） URA 過程回復、再結晶和相變