专利名称：棒材处理方法
技术领域：
本发明涉及轧制棒材的线内处理方法，特别是在轧机组出口处对不锈钢、镍合金或其它需要轧制后快速冷却的合金棒材的淬火处理方法。
背景技术：
奥氏体钢的结构实际上仅由环境温度下稳定的奥氏体构成；当钢加热到450-850℃或缓慢冷却到这个温度范围内时，碳化铬(可以过饱和态存在于奥氏体固体溶液中)会在奥氏体晶界处形成沉淀。碳化铬的大量形成会引起合金在晶界分布的不均匀，但是在晶粒的中心Cr的含量实际没有发生改变。未形成碳化物的游离Cr的含量低于不锈钢下限(12％)时，钢材易受到粒间攻击。尽管质量损失忽略不计，粒间腐蚀仍然能够引起粒间断裂，使机械耐性和抗冲击性显著下降。
由于在文献中已知，关于钢材以及粒间腐蚀攻击相关问题的进一步细节这里就不给出了。
为了防止粒间腐蚀带来的问题，人们对钢材或者进行线外热处理，或者改变其化学成分，以使碳化铬或者其它第二相不发生沉淀。所使用的方法包括-减少碳的含量；-将诸如Ti，Nb，V和Ta的稳定成分与线外稳定化处理一起使用。
固溶淬火，也称为“超淬火”或“不完全淬火”，被认为是快速冷却处理以用来防止其它第二相的碳化铬的沉淀生成。这种方法与传统淬火方法唯一相同的地方就是奥氏体化温度的冷却速度，而不是通常对于可硬化钢发生的结构和硬化影响。
众所周知，在线外固溶淬火过程中，热处理时在晶界处形成的、当钢材处于碳化铬沉淀的临界温度范围或在这个温度范围内缓慢冷却时形成的碳化铬沉淀通过高温再加热会被溶解。固溶加热处理通过使材料没有铬缺乏区域，可以增加了抗晶间腐蚀的能力，从而对晶间腐蚀免疫。
一般来说，固溶加热处理的温度范围是950-1200℃，更常见温度范围是1000-1100℃，每毫米厚度的保持时间在1分钟左右。
因此，在足以溶解碳化物并消除由各种过程循环引起的压力的最低温度处进行处理，在这个温度下持久性与被处理的产品的厚度是密切相关的，而且必须保持到最小所需时间。
事实上，根据所采用的参数，较高的温度和较长的保持时间会引起钢材显著软化，并使有特定应用的晶粒非预期增大。
为了避免碳化铬沉淀，奥氏体不锈钢必须从固溶处理温度快速冷却。
轧棒装置的线外热处理过程包括淬火，也就是将轧制的棒放入装有水或其它适当液体的特定槽中。这些槽通常体积较小，只能处理长度有限的轧棒，大大降低了装置的产量和综合生产能力。在这种情形下，轧棒冷却到300℃以下。
如果处理在线外进行，缺点是需要中间的储存步骤以及从环境温度再加热到大约1100-1200℃，这要耗费大量的能量和材料，并增加相关的维护。此外，即使仅是为了运输和储存，轧棒从槽中淬火后还必须拉直。所有这些都要考虑装置总体尺寸、高维持费和由此导致的低产率。
轧制后用于线内热处理淬火的装有水或适当液体的淬火槽可以设在轧机的下游。
这种情形下，即使仅是为了运输和储存，轧棒也必须在槽中淬火后拉直。所有这些都要考虑装置的总体尺寸、高额维持费和由此导致的低生产力。而且，并不总能保证处理的初始温度是获得无碳化物材料和形成大小均匀的奥氏体粒微结构的最佳温度。
发明内容
此发明使得可以将具有圆形、正方形、六边形、矩形断面的棒材在轧机的出口处直接进行固溶淬火处理，以获得高质量、无需拉直的产品，而且没有刻痕和表面缺陷。整个过程是在一个紧凑的装置中进行的，无需特别维护，避免了材料中间储存过程和相应的正常线外热处理中必需的炉内再加热。这种高度灵活的装置使得从生产一种形状的产品到另一种形状的产品时无需浪费时间来改变装置。
本发明的优点有1)轧制过程中进行线内的固溶淬火处理；2)提高了装置效率，减少了装置的使用和维护；3)提高了装置的整体生产力；4)处理后的产品无需拉直；5)表面缺陷明显减少；6)消除了中间储存和再加热的相关费用。
关于以上几点，我们强调1)此发明的首要目标是提供一种处理不锈棒材的方法，尤其是指直接在轧机下游固溶淬火处理，利用该方法能够得到不受粒间腐蚀和具有适于使用的微观结构特征的材料。实际上，奥氏体不锈钢的使用是基于它们的结构，即使是很小的微观结构变化也可能会对最终产品在不同环境中的腐蚀行为产生相当大的影响。而且，这些结构变化不仅在最终的应用中重要，在产品必需的表面处理中也非常重要事实上腐蚀现象在这些表面处理过程中也会发生。
2)在冷却设备或装有水或其它适当液体的简单淬火槽中实现高热交换率，从而减小必需设备的数量和尺寸，获得一个特别紧凑的装置，这个装置完全能够提供直径可达130mm和相当截面的熔融材料。扩展对于更大直径材料的处理的可能性取决于采用的速度。使用设备的减少和简化意味着需要更少的维护。
3)本发明进一步目的是使用这种处理方法来提高整个轧制装置的生产力。可以加工任何长度的棒材，而这仅依赖于最后冷却设备的大小。
4)装有水或其它适当液体的淬火槽的设计以及所采用的操作参数可以实现不仅仅的是高热交换率，而且还实现最佳均匀冷却，这可以保证必要的直度以避免处理后棒材的拉直过程。相反地，即使仅为运输和储存，用传统方式处理的棒材在槽中淬火后也必须拉直。
5)用于处理的设备使得表面缺陷明显减少，提高了最终产品的总体品质。
6)轧机出口处的线内热处理方法可以避免中间的储存过程，节省了从环境温度再加热到约1100-1200℃所需的能量。这种处理方法适用于奥氏体、铁素体、奥氏体-铁素体不锈棒材、Al-Cu合金材、镍超合金材和任何其它需要快速冷却的合金材。
因此，本发明的目的就是通过提供线内热处理方法处理轧机产出的棒材来达到前面所述的目标，根据权利要求1，在固溶淬火处理线上紧随至少一个第一轧制阶段后有固溶淬火处理，其冷却速度使得代表了棒材核心温度与时间的关系的第一曲线与对于棒材是典型的第二相的第二条沉淀曲线不相交并处于其下。
从属权利要求描述了发明的具体实施方案。
从棒材处理方法的具体描述中可以看到发明的进一步特征和优点，其中一些结果可以在附图的帮助下从非限制性实施例中得出，如下图1显示在轧制和本发明的处理过程中贯穿第一种棒材断面的温度趋势。
图2显示在轧制和本发明的处理过程中贯穿第二种棒材断面的温度趋势。
图3显示在轧制和本发明的处理过程中贯穿第三种棒材断面的温度趋势。
图4、5、6、7、8显示适于进行本发明线内热处理的轧制装置的一些配置。
具体实施例方式为了保证本发明的处理方法能够使轧制后的材料避免晶间腐蚀，并使材料有适于使用的微观结构特征，确认以下参数是至关重要的
-经调整能够确保实施正确处理的设备的位置；-能够获得完全无碳化物和均匀微观结构的初始处理温度区间；-处理末期温度，即指超过碳化物沉淀的临界范围即被认为已经终止的温度，从而避免由于余热引起扭变。
本发明处理的持续时间是一个依赖于棒材尺寸和轧制速度的参数。
执行轧机下游线内固溶淬火处理的其它重要参数包括-轧制参数，例如速度、变形率和温度，适于保证初始奥氏体结构，由此得到用于随后使用的最佳晶粒尺寸；-为保证轧制棒材在最短时间内得到所需热梯度而通往冷却设备的速度；-为保证获得所需最小热梯度的热交换系数，必要的冷却设备内冷却液体(通常是水)的流速和压力。
图1到3显示了基于发明处理的温度参数趋势的实验结果。
图1表明了当被进给整套轧制装置时第一种AISI304奥氏体钢棒沿着其横截面的温度趋势。其中，曲线1代表棒材中心(也称核心)延着横截面(与所述棒材纵轴正交)的温度趋势；曲线2代表中间表层的温度趋势；曲线3代表棒材外表层的温度趋势。水平坐标轴X表明了用于测试的生产装置上的不同轧台的位置。从图中得知，在轧机组最后的轧台4的出口，通过将其进给过一个适当的冷却设备，棒材的固溶淬火处理的冷却速度可以允许棒材中心的温度趋势与碳化物的沉淀曲线5或敏化曲线相交并位于其下。曲线5是组成棒材的化合物成分的函数并依赖于晶粒的尺寸以及棒材被处理的区域。在专业文献中可以很容易找到沉淀曲线。与图1对应的第一种棒材进给轧机的尺寸为41mm，以4.9m/s的轧制速度变形到27mm的尺寸。初始轧制温度在1100℃到1150℃之间。固溶淬火处理开始时，棒材温度范围是1050-1100℃，处理结束时，温度范围是350-500℃。为了防止碳化物沉淀，并获得需要的直度，处理时间应在4-6秒之间，冷却液体的压力在4-8巴左右。
与此相似，图2表明在发明的处理下，初始轧制温度为1130-1180℃，轧制进给速度为0.7m/s下得到的直径为86mm的AISI304钢棒贯穿其横截面的温度趋势。发明的初始处理温度范围是950-1000℃，而处理结束时，温度范围是500-600℃。本例中适于防止碳化物沉淀生成的处理时间是大约35-40秒，而冷却液体压力是大约4-6巴。
图3涉及到直径为60mm的AISI304不锈钢棒的温度趋势，该棒是在初始温度范围在1130-1180℃，进给速度为1.2m/s条件下轧制得到的。本例中初始处理温度是在980-1020℃之间，而处理后的温度在450-600℃之间。本例中适于防止碳化物沉淀生成的处理时间是大约18-24秒，而冷却液体压力是大约4-8巴。
因而，从图1到3中的三个例子可以看出，直接在轧制线上应用本发明的固溶淬火处理方法可以得到对晶间腐蚀具有高耐性的材料。这是由于在可以防止产生不想要的如碳化铬的相沉淀的特定的时间段内采用处理参数。本发明的固溶淬火处理区也适用于铁素体或者奥氏体-铁素体不锈钢棒、镍超合金材和任何其它需要快速冷却的合金材。
本发明的棒材处理方法适用于直径从10mm到大约130mm范围内的棒材产品，也适用于大小相当的形状为正方形、六边形或长方形截面的产品，处理方法的参数特征为初始温度范围约在950-1200℃；最终温度范围在350-650℃。
冷却速度在10-150℃/sec。
能够实现该发明线内固溶淬火方法的冷却设备包括系列冷却箱、装有加压水或适当液体的框架管以及水或适当液体的喷淋系统，该喷淋系统能够保证棒材横截面的冷却均匀，避免快速冷却引起奥氏体钢发生典型棒材的扭变。
多个冷却箱对于保证发明处理所需的热梯度是必需的。冷却箱在棒材上产生的热梯度作为棒材的直径、钢的级别和所需的处理末期温度的函数而变化。还提供一个系统来支持棒材，其适于确保没有表面摩擦，并确保棒材中心冷却均匀。
本发明的直接应用于轧制过程中的处理方法，可以避免中间的储存过程，节省了从环境温度再加热到1100-1200℃的能量，冷却后无需再将棒材拉直。该发明的方法直接应用于轧制过程后，生产力正常。整个生产装置变得更紧凑，而且减少了所需的维护。
图4、5、6、7、8显示了一些装置配置的解决方法，从而实现线内轧制以及全部或部分用装有水或其它适当冷却液体的冷却箱来进行的固溶淬火处理。
图4给出了装置初始基本配置的示意图，包括-用于半成品(如钢坯)的再加热炉6；-分别限定了轧制棒材的第一、第二和第三阶段的粗轧机组7、中间轧机组8和精轧机组9；-包括一系列装有水或其它适当液体的冷却箱的第一固溶淬火线10；-棒材的出料装置11。
在第一固溶淬火线10淬火处理之前，棒材可以经过粗轧机组7第一阶段的轧制，或者经过粗轧机组7和中间轧机组8两个阶段的轧制。
同时，图5中的配置表明棒材在被置于轧制第一阶段粗轧机组7的紧下游第二固溶淬火线10′中是如何被冷却的。图中同时还表明棒材被放入到一个中间出料装置11′。装置的其余部分如图4所示，从中间轧机组8轧制第二阶段并包括第一固溶淬火线10。这个配置具有特别的优势，因为它能更好地控制，只需要第一轧制阶段的棒材的初始处理温度事实上，它避免了棒材在其它轧制阶段长时间暴露在空气中的问题，在进入固溶淬火线之前，这种情况是不应该发生的。进一步说，这个配置有助于操纵中间棒材出料装置11′的下游生产线部分，有可能使生产、维修或者改变所述钢材断面同步进行，使装置更具有灵活性。当建立新的装置时，这种配置也适于使用。
图6中的配置不像图5那样，没有中间的出料装置11′，整个装置更为紧凑，这样就可能将其缩小大约30m的长度。
图7中的配置和图5中的一样，有可能将经过轧制第一阶段的棒材独自出料。这样就有两道平行生产线，包括相应的第一固溶淬火线10和第二固溶淬火线10″，置于轧制第一阶段下游的传送设备13将棒材传递到这两道线上。第二固溶淬火线10″的下游是第二出料设备11″。这个装置适于装配到如图4所示的已有固溶淬火线的装置中去。
最后，图8中的配置提供了固溶淬火处理方法，分两个阶段实施第一阶段在置于精轧机组9下游的第一固溶淬火线10上实施，第二阶段在整合到棒材出料设备11中的水槽12上实施。这种装置的优势依赖于固溶淬火线10的长度，例如，第一阶段在固溶淬火线10上进行，如果其长度比图4中相应配置的长度短，就会进一步增加装置的紧凑性。
本发明的内容不局限于上述具体实施方法，凡是权利要求限定的所有实施方案都在本发明保护范围内。
权利要求
1.出自轧机的棒材的线内热处理方法，其中，在固溶淬火处理线(10，10′，10″)上紧随至少一个第一轧制阶段后有固溶淬火处理，其冷却速度使得代表了棒材核心温度与时间的关系的第一曲线(1)与的对于棒材是典型的第二相的第二沉淀曲线(5)不相交并处于其下。
2.根据权利要求1所述的方法，其中棒材的固溶淬火初始温度为900-1200℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其中棒材的固溶淬火最终温度为350-650℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述冷却速度为10-150℃/sec。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述棒材的截面是圆形、正方形、六边形和矩形。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二相是碳化物。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述棒材是不锈钢。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述棒材是镍合金。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一固溶淬火线(10)上进行固溶淬火处理前设有两个轧制阶段，所述阶段包括将棒材分别传送到粗轧机组(7)和中间轧机组(8)。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一固溶淬火线(10)上固溶淬火处理前有三个轧制阶段，所述阶段包括将棒材分别传送到粗轧机组(7)、中间轧机组(8)和精轧机组(9)。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个轧制阶段包括将棒材传送到粗轧机组(7)的下游，所述棒材在第二固溶淬火线(10′，10″)进行所述的固溶淬火处理。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述固溶淬火处理包括两个阶段，即第一固溶淬火线(10)上的第一阶段和被整合到第一棒材出料设备(11)中的冷却介质(12)上的第二阶段。
13.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述固溶淬火处理后，棒材被传送到第一出料设备(11)中，所述第一出料设备(11)被设于所述的第一固溶淬火线(10)的紧下游。
14.根据权利要求1或11所述的方法，其中所述第一轧制阶段后有一个将棒材传送到第二固溶淬火线(10″)的阶段。
15.用于棒材轧制和线内热处理的装置包括-半成品加热装置(6)；-用于所述半成品轧制的装置包括一个粗轧机组(7)、一个中间轧机组(8)和一个精轧机组(9)；-一个第一固溶淬火线(10)包括一系列装有水或其它冷却液体的冷却槽；-一个第一棒材出料设备(11)。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述出料设备(11)设有冷却槽(12)。
17.根据权利要求15所述的装置，其中在所述粗轧机组(7)和所述中间轧机组(8)之间设有一个第二固溶淬火线(10′)。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述第二固溶淬火线(10’)的紧下游设有一个第二棒材出料设备(11′)。
19.根据权利要求15所述的装置，其中所述粗轧机组(7)的下游设有一个棒材传送设备(13)，将棒材传送到一个跟随有一个第二出料设备(11″)的第二固溶淬火线(10″)。
全文摘要
本发明提供一种不锈钢棒材的处理方法，特别是直接用于轧机下游线内固溶淬火处理的方法，以获得能够避免晶间腐蚀，并拥有适合使用的微观结构特征的钢材。所述方法使整套轧制装置的生产力得到明显提高。该处理方法适用于奥氏体、铁素体或奥氏体－铁素体不锈棒材、Al－Cu合金棒材、镍合金棒材和所有其它需要快速冷却以避免不需要的相沉淀生成的合金。本发明的处理方法防止了晶间腐蚀的发生，同时解决了诸如相关费用、棒材表面处理和最终使用中可能发生的问题。
文档编号B21B45/02GK101065504SQ200580035722
公开日2007年10月31日 申请日期2005年10月21日 优先权日2004年10月21日
发明者佛朗西斯科·托齐, 罗兰多·帕洛尼 申请人:达涅利机械工业有限公司