1前言

钢铁材料的晶粒尺寸控制是设计强度、韧性等力学性能的重要技术。众所周知，晶粒细化能够提高强度和韧性。通过对合适的热处理和加工条件进行管理来控制晶粒尺寸，有助于提升材料性能。晶粒尺寸控制通常通过热处理来实现。这种方法能稳定地确保产品特性。然而，如果热处理成为额外的工序，就会导致成本上升，且因处理过程产生的CO2排放会给环境带来额外负担。另一方面，晶粒尺寸也可以通过热加工工序来予以改善。因此，在生产中，通常将加工与热处理相结合，以进行适当的组织控制。本文介绍日本山阳特殊钢公司（以下简称“山阳特钢”）利用热轧工艺来构建微观组织的控制技术。

2轧制与晶粒粒径的关系

一般来说，棒材轧制工艺是由粗轧机组、中轧机组、精轧机组构成的20-30机架的连续轧制。两辊轧机呈水平、垂直交替排列，在改变断面形状（如圆-椭圆-圆）的同时减小断面积进行轧制。棒材轧制通常多以方坯为起始，但由于山阳特钢使用将大方坯轧制而成的中间产品——圆坯作为原料，因此，棒材轧制采用的是连轧方式。

对于轧钢产品的形状精度而言，提高轧机刚度以抑制轧机自身的弹性变形至关重要。同时，压下率较小通常更有利，故而将产品加工成最终形状的定径轧制，其压下率通常较小。另一方面，有报告指出，在特定温度区间进行热加工并引入轻度应变时，会导致奥氏体晶粒粗化。关于棒材产品的奥氏体晶粒粒径（晶粒度），有时需要与客户沟通确定晶粒度的大小。因此，确立能够满足产品尺寸精度和晶粒粒径要求的轧制技术非常重要。

山阳特钢此前如图1所示，在粗轧-中轧-精轧的基础上，通过结合4机架的预精轧机（PFM）和3机架的三辊定径机组（PSB）进行定径轧制，从而确保棒材产品的尺寸精度。此后，该公司通过优化中小型轧钢厂轧制工艺参数，以及提升CAE解析技术，不断改进轧制工艺。然而，在该工艺中，也难以解决上述晶粒粗化的问题，因此，该公司引进了轧机刚度更高的RSB轧机（德国KOCKS公司制造减径定径机组），最终实现了高压下率的精轧。

以下将介绍RSB轧机的特点，以及利用其高压下率轧制棒材中晶粒的特征。

3山阳特钢引入RSB轧机

山阳特钢RSB轧机的外观如图2所示，引进前后山阳特钢棒材轧机的构成比较如表1所示。此前一直采用PFM（4机架）-PSB（3机架）进行精轧。由于重视形状精度而采用轻压下，存在一个问题，即对于表面硬化钢产品，有一小部分容易出现混晶现象。

目前的棒材轧机由原来的粗轧-中轧以及取代精轧和减定径轧制的RSB轧机组成。山阳特钢的RSB轧机是将3个轧辊呈120°排列的轧机多台（5机架）并列组成的模块轧机，通过将轧辊布置在紧凑的结构中，能够防止温度下降。而且，尽管结构紧凑，但轧机刚度高，实现了以往精轧机无法完成的高压下率轧制。因此，在钢材晶粒粒径控制中非常重要的最终轧制阶段，提高了应变控制的自由度。此外，RSB轧机还能够进行自由定径轧制（通过调整同一轧辊的辊缝来轧制不同尺寸产品的方法），这也是其特点之一。

RSB轧机的主要特征如下：1）高精度尺寸控制；2）灵活的尺寸变更；3）出色的轧制温度管理性；4）节能且节省空间。

4利用高应变实现晶粒细化

在普通的精轧工序中，定径轧制的压下率较低，通常仅为百分之几左右。据报道，该加工过程中的等效塑性应变最大约为0.15。有观点认为，在热加工温度区间施加0.06-0.15的等效塑性应变，存在晶粒粗化的风险。

在RSB轧制中，各轧制机架的3个轧辊按Y字形、倒Y字形顺序排列进行轧制。山阳特钢的RSB轧机最多可进行5道次轧制，压下率范围在30%-70%之间。图3为山阳特钢RSB轧机以70%压下率轧制后钢材断面应变分布的CAE解析结果。应变分布相对均匀，即使在应变较低的中心部位，等效塑性应变也达到0.70，处于较高水平。虽然总压下率会使等效塑性应变的值发生变化，但山阳特钢即使在压下率最低的情况下也能确保达到0.35，能够施加高应变，超过容易引发上述奥氏体晶粒粗化的等效塑性应变范围。轧制材料中晶粒粗化的难易程度因钢种而异，经验表明表面硬化钢更容易出现这种情况。如图4所示，采用RSB轧制的材料，在表面硬化钢中并未出现晶粒粗化现象，保持着细小的晶粒。这样，通过使用高刚度轧机进行加工并施加高应变，有望实现稳定的晶粒细化。

此外，山阳特钢将精轧工序之后的轧制整合到可进行自由定径轧制的RSB轧机上，通过缩短操作换模时间，带来了合理化效果。而且，由于采用紧凑的轧机结构，能够在有限空间内完成轧制，实现了轧制温度的均匀化。这有助于稳定控制轧制棒材的微观组织。

5结语

通过引入RSB轧机，在精轧工序中施加高应变，实现了晶粒细化控制技术。因此，通过该技术，可以生产出力学性能均匀一致的钢材，以及通过硬度控制开发出省略冷锻前退火的钢材。