冷轧工艺特点及冷轧工艺参数

冷轧工艺特点及冷轧工艺参数一、冷轧工艺特点金属一般都是由无数单个晶粒构成的多晶体，要了解金属的塑性变形性质，必须先了解单个晶粒或单晶体的塑性变形机构。

塑性变形时加在金属上的力，使金属中大量原子群定向地、多次地从一个稳定平衡位置转移到另一个稳定平衡位置，在宏观上便产生不能恢复的塑性变形。

根据原子成群移动发生的条件和方式不同，可观察到各种不同的塑性变形机构，如滑移、孪生及其他机构等。

(1)滑移。

滑移是指晶体在外力的作用下，其中一部分沿着一定晶面和这个晶面上的一定晶向，对其另一部分产生的相对移动，此晶面称为滑移面，此晶向称为滑移方向。

滑移时原子移动的距离是原子间距的整数倍，滑移后晶体各部分的位向仍然一致。

滑移结果，使大量原子逐步地从一个稳定位置移到另一个稳定位置，晶体产生宏观的塑性变形。

如图3-1所示为晶体以滑移方式进行的塑性变形。

用金相显微镜所观察到的每一条纹是由许多滑移面与试样抛光平面的交线所组成的，称为滑移带。

滑移带是由一群滑移层所形成的滑移线组成的(见图3-2)。

一般，在各种金属(晶体点阵)中，滑移不是沿任意晶面和晶向进行的，而总是沿着原子密度最大的晶面和晶向发生的。

这是因为原子密度最大的晶面，原子间距小，原子间的结合力强，同时其晶面间的距离较大，即晶面与晶面间的结合力较弱。

同理也可以解释滑移为什么沿着原子密度最大的晶向发生。

滑移面与滑移方向数值的相乘积称为滑移系。

图3—1 晶体滑移示意图图3-2单晶体的滑移带、滑移线和滑移层示意图金属的3种常见晶格的主要滑移面、滑移方向和滑移系如表3-1所示。

(2)孪生(孪晶、双晶)。

金属的塑性变形除以滑移方式进行外，孪生也是其重要方式之一。

孪生是晶体在切应力的作用下，其一部分沿某一定晶面和晶向，按一定的关系发生相对的位向移动，其结果使晶体的一部分与原晶体的位向处于相互相称的位置，如图3-3所示。

表3-1金属的主要滑移面、滑移方向和滑移系图3-3 晶体的孪生示意图在孪生变形时，所有平行于孪生面的原子平面都朝着一个方向移动。

每一晶面移动距离的大小与它们距孪生面的距离成正比。

每一晶面与相邻晶面的相对移动值等于点阵常数的几分之一。

孪生变形后，晶体的变形部分与未变形部分以孪生面为对称面形成对称。

孪生变形是否出现，与晶体的对称性有密切关系。

面心立方晶体组织的金属(如镍、铝等)，由于对称性高，容易滑移，孪生变形不常见，只在少数情况下(如低温变形)才能见到。

体心立方晶体组织的金属(如α铁、铬、钼等)，在高速变形(如冲击)或在低温拉伸时，常常出现孪生。

例如铁在低温受冲击载荷时，可发生孪生。

密排六方晶体组织的金属，其对称性较差，滑移系少，当晶体取向不利于滑移时，孪生便成为塑性变形的主要形式。

孪生的进行过程往往是突变式的，并可听到特有的干裂声，在某些情况下会使晶体产生空隙，降低其密度。

除了滑移和孪生外，在塑性变形中由于各个晶块(镶嵌块)相互转动的结果，晶体产生变形，并破坏晶块间的联系和在晶块间界上形成显微破坏。

由于变形条件的不同，这些破坏可能愈合，也可能发展为宏观破坏。

总之，滑移是金属塑性变形的主要方式，金属在冷塑性变形时通过滑移变形，使晶粒伸长、镶嵌块碎化、晶格歪扭增多，导致金属变形抗力增加。

带钢在冷轧后，晶粒被压扁、拉长(见图3—4)、晶格歪扭畸变、晶粒破碎，使金属的塑性降低、强度和硬度增高，这种现象叫做加工硬化。

图3—4冷轧前后晶粒形状变化a-变形前的退火状态组织；b-变形后的冷轧变形组织冷轧带钢加工硬化后提高了钢的变形抗力，给带钢继续冷轧带来困难。

为了消除加工硬化，大多数带钢必须在加工过程中进行再结晶退火(软化退火或中间退火)。

再结晶退火(软化退火或中间退火)时，将带钢加热到再结晶温度(碳钢一般为450～500?)以上150～200?，保温一定时间，然后在空气或炉中冷却。

再结晶退火时钢的内部组织变化过程，分为回复、再结晶和晶粒长大几个阶段。

金属加工硬化后，处于组织不稳定状态，即处于高能状态，因而它本身就有自发恢复变形前组织的倾向。

在回复阶段中，冷轧变形后形成无数的位错大部分密集在晶界上，随着加热过程的进行，金属内部原子活动能力增大，使位错移动、合并或者重新排列，使晶格畸变减小，金属的应力可以消除，但是金属的力学性能较回复前略有下降。

当继续加热时，由于位错聚集在晶粒间界上，这些位错移动合并，并形成新的晶核，随着温度的继续升高，晶核逐渐长大形成新的晶粒。

这时晶粒的畸变大大减小，原子排列规则，破碎的晶粒变成整齐的晶粒，长晶粒变成等轴晶粒，从而导致带钢力学性能恢复到加工前的状态，这就完成了再结晶过程。

而以完全实现回复再结晶的温度称为再结晶温度。

图3-5是冷加工后在加热时组织性能的变化示意图。

冷轧带钢的再结晶退火，一般分慢速加热退火和快速加热退火两种。

慢速加热退火一般用燃煤(气)退火炉或罩式退火炉进行；快速加热退火一般采用连续退火炉。

图3-5冷加工后金属在加热时组织性能的变化δ-伸长率；ζb-抗拉强度钢在常温下进行冷轧，将完全发生加工硬化现象。

钢在冷轧中组织发生如下变化：(1)晶粒被拉长。

冷轧中，随着带钢厚度的改变，其内部的晶粒形状也发生相应的变化，即都沿轧制方向(最大主变形方向)被拉长、拉细或压扁，如图3-4所示。

晶粒被拉长的程度取决于变形程度，变形程度越大，晶粒形状变化也越大。

在晶粒被拉长的同时，金属中的夹杂物也在延伸方向拉长或拉碎，呈链状排列，这种组织称为纤维组织。

变形程度越大，纤维组织越明显。

由于纤维组织的存在，变形金属的横向(垂直于延伸方向)力学性能降低。

(2)亚结构。

亚结构是金属冷轧后，其各个晶粒被分割成许多单个的小区域。

每个小区域称为晶块。

这些区域的内部位错密度很低，晶格的畸变很小。

而在这些小区域的边界上存在有大量位错组成的位错缠结。

(3)变形织构。

如图3-6a所示，金属的多晶体是由许多不规则排列的晶粒所组成的。

但在冷轧过程中，当达到一定的变形程度后，由于在各晶粒内晶格取向发生了转动，其特定的晶面和晶向趋于排成一定方向(图3-66)，从而使原来位向紊乱的晶粒出现有序化，并有严格的位向关系。

金属所形成的这种组织结构叫做变形织构。

板结构是某一特定晶面平行于板面，某一特定晶向平行于轧制方向。

图3—6多晶体晶粒的排列情况a-晶粒的紊乱排列；b-晶粒的整齐排列钢的性能是与钢的组织密切相关的。

冷轧时，钢的组织要发生变化，因此钢的性能也要改变。

(1)力学性能的改变。

由于在冷变形中产生晶格畸变、晶粒拉长和细化、出现亚结构以及产生不均匀变形等，金属的变形抗力指标(屈服极限、强度极限、硬度等)，随变形程度的增加而升高。

又由于在变形中产生晶内和晶间的破坏、不均匀变形等，金属的塑性指标(伸长率、断面收缩率等)随变形程度的增加而降低。

图3-7为碳的质量分数为O.27％的碳钢在冷拔时力学性能的变化图。

图3-7碳的质量分数为O.27％的碳钢冷拔时力学性能的变化ζb-强度极限；ζs-屈服极限；ζp-比例极限；ζyn-弹性极限；ψ-断面收缩率；δ10-伸长率；HB-布氏硬度(2)理化性质的改变。

变形金属的密度降低。

由于在冷变形过程中，晶内和晶间物质的破碎，33，而经冷变形后则降低到7.78g／cm。

金属的导电性降低。

随着变形程度的增加，晶向和晶内的破坏，使单位电阻增加。

变形金属内产生大量的微小裂纹和空隙，使金属密度降低。

例如，退火状态钢的密度为金属的导热性降低。

7.865g／cm 冷变形可改变金属的磁性。

磁饱和基本上不变，矫顽力和磁滞增大，而金属的最大磁导率则降低。

冷变形使金属耐蚀性降低。

金属产生各向异性，即材料的不同方向上具有不同的性能。

这是由于冷变形后出现了纤维组织和织构。

由于晶粒及晶间物质(杂质等)沿着变形方向被拉长，带钢在横向(垂直于纤维方向)的力学性能低于其纵向(平行于纤维方向)。

因织构的出现而形成的各向异性，有其不利的一面，但在一定条件下也可带来有益的效果。

例如，若对具有织构的薄板进行冲压时，则常使加工后的产品的边缘带有波形，突出的波形部分称为“制耳”，从而使产品的废品率和切边损失增加。

相反，铁的磁化性能与晶向有关，若将硅钢片制成某一特定晶向的织构，用它作变压器的铁芯，与无织构硅钢片比较，它具有很大的优越性。

因此，目前工业上大量生产单取向硅钢片。

冷轧带钢的轧制工艺特点有以下3点：(1)带钢在轧制过程中产生不同程度的加工硬化。

加工硬化超过一定程度后，带钢因过分硬脆而不适于继续轧制。

因此带钢经冷轧一定的道次(即完成一定的冷轧总压下量)之后，往往要经软化热处理(再结晶退火等)，使轧件恢复塑性，降低变形抗力，以便继续轧薄。

在冷轧生产过程中，每次软化退火之前完成的冷轧工作称为一个“轧程”。

在一定轧制条件下，钢质愈硬、成品愈薄，所需的轧程愈多。

(2)冷轧过程必须采用工艺冷却和润滑。

实验表明，冷轧带钢的变形功约有84％～88％转变为热能，使带钢与轧辊的温度升高，故须采用冷却措施。

辊面温度过高会引起工作辊淬火层硬度下降，影响带钢的表面质量和轧辊寿命。

辊温的升高和辊温分布不均匀会破坏正常的辊形，直接影响带钢的板形和尺寸精度。

同时，辊温过高也会使冷轧工艺润滑剂失效(油膜破裂)，使冷轧不能顺利进行。

综上所述，为了保证冷轧的正常生产，对轧辊和带钢应采取有效的冷却与调节辊温的措施。

水是比较理想的冷却剂，油的冷却能力则比水差得多。

因此大多数生产轧机都用以水为主要成分的冷却剂。

冷轧采用工艺润滑的主要作用是减小金属的变形抗力，这样在已有的轧机能力条件下实现更大的压下，还可使轧机生产出更薄的产品。

图3-8为采用不同润滑剂的轧制效果比较。

由图可知，当冷轧机工作辊直径为88mm，带钢原始厚度为0.5mm，用水做润滑剂时，轧至厚度为0.18mm左右就难以再轧薄了；而用棕榈油做工艺润滑剂时，则可用4道次轧至O.05mm的厚度。

此外，工艺润滑对降低轧辊的温升也起到良好的作用；采用工艺润滑还可起到防止金属粘辊的作用。

常用的工艺润滑剂有乳化液、各种黏度的矿物油(机油等)和动、植物油(牛油、菜油、棕榈油等)。

(3)冷轧中采用张力轧制。

张力轧制就是带钢在轧辊中轧制变形是在一定前张力和后张力作用下进行的。

图3-8不同润滑剂的轧制效果比较l-水；2-矿物油；3-棕榈油；4-合成棕榈油；5-干辊轧制张力的作用主要是：防止带钢在轧制过程中跑偏(即保证正确对中轧制)；使所轧带钢保持平直(包括在轧制过程中保持板形平、直和轧后板形良好)；降低金属的变形抗力，有利于轧制更薄的产品，起适当调整冷轧机主电机负荷的作用。

由于张力的变化会引起前滑与轧辊速度的改变，故其对冷轧过程有一定的自动调节作用。

通过改变卷取机或开卷机的转速、各架轧机主电机的转速以及各架的压下，可以使轧制压力、张力在较大范围内变化。