超高碳钢组织超细化的工艺.pdf
第16卷第5期2004年10月 钢 铁 研 究 学 报J OURNAL OF I RON AND STEEL RESEARCVol.16 No.5 Oct.2004基金项目!河北省自然科学基金资助项目 500023 作者简介!王宝奇 1964-男 博士生 高级工程师 收稿日期!2003-01-16 修订日期!2003-03-31超高碳钢组织超细化的工艺王宝奇!宋晓艳!李红娟!谷南驹 河北工业大学材料学院 天津300132 摘 要!阐述了超高碳钢组织超细化工艺及其机理 这些工艺包括 二阶段热形变处理技术 热形变+离异共析转变处理技术 热形变+DET+形变处理技术 循环热处理技术及复合热处理技术 该超细化组织由极细的铁素体晶粒以及在其中均匀分布的渗碳体颗粒组成 此外 分析了硅 铝 铬等合金元素对相变温度的影响及其对网状碳化物和石墨化的抑制作用 讨论了合金化对超高碳钢的组织超细化的影响 关键词!超高碳钢 超细化 热处理 热形变中图分类号!TG142.4 文献标识码!B 文章编号!1001-0963 2004 05-0005-05M icrostructure Ultrafining Treat ment of Ultrahigh Carbon S teelWANG Bao-Ci SONG Xiao-yan LI ong-uan GU Nan-u ebei University of Technology T ian in 300132 China Abstract A variety of structure-ultrafining processes ofultrahigh carbon steels Were revieWed Which include hot and War m Working WW folloWed by isother malWar m Working I WW WWfolloWed by divorced eutectoid transfor mation DET WWfolloWed by DET W ith associ-ated defor mation ther mal cycling and heat treat ment W ithout defor mation.Other W ise their mecha-nis ms Were described as Well.The m icroduple structure obtained hereby consists of fine ferritegrains and unifor m ly-distributed spheroidized ce mentite Fe3C particles.The influences of addi-tional ele ments such as silicon alu m inu m and chrom iu m on the phase transfor mation te mperature the for mation of net ce ment and graphite have been analyzed.ence the evaluation of these m icro-structure ultrafine processes has been made.Key words ultrahigh carbon steel ultrafine process heat treat ment hot defor mation 超高碳钢是近年来开发的高碳含量 1.0 2.1 的新型铁基合金材料 典型的碳含量为1.6 左右 1 4 传统的观点认为 高碳钢可以获得高的硬度 适于用作对韧性要求不高的工具钢 同时因其脆性大而不能用于结构材料 目前 低碳钢已成功地实现了组织超细化 5 10 在超高碳钢方面 也有了长足的进展 通过O D Sherby等人的开创性工作 采用组织细化技术实现了微观复合组织的超细化 使得超高碳钢不仅具有高的室温强度和良好的塑性 参见文献 11 而且具有良好的中温超塑性 1 12 14 通过热处理 还可以使其获得极高的硬度 超高碳钢的这种良好的工艺性能和力学性能 使其在结构材料和工模具材料领域有望获得广泛的应用 近年来的研究表明 超高碳钢还具有良好的固态连接特性 可与自身或其它金属基材料 如黄铜等 连接 制备成新型高性能层状复合材料 15 笔者从热加工 热处理及合金化的角度 阐述了超高碳钢 碳含量1.5 组织的超细化工艺及其机理 5 1 常用的几种组织超细化工艺 超高碳钢属于过共析钢 其铸锭组织由珠光体团以及围绕珠光体团的网状 层状碳化物组成 这种组织的塑性很差 因而长期被工业应用所忽视 20世纪80年代的中期 O D Sherby等人在研究钢的超塑性过程中首先提出了超塑性超高碳钢的概念 16 其意图是引入比共析钢多的第二相粒子 使其弥散分布于细晶铁素体的基体上 在中温区域呈现超塑性行为时 能够抑制晶粒的长大 研究碳含量为1.9 的钢时发现了超塑性行为 通过对超高碳钢进行合理的成分设计 采取最佳的组织细化工艺 形成由超细的基体晶粒 0.5 2.0卜m 与弥散分布的超细碳化物 0.1 1.0卜m 组成的复相组织 可使超高碳钢获得一系列优异的性能 目前 超高碳钢的组织超细化工艺可分为有热形变的热处理和无热形变的热处理两大类 前者包括 WW+I WW 二 阶 段 热 形 变 处 理 技 术 WW+DET 热形变+离异共析转变处理技术 和 WW+DETWAD 热形变+DET+形变处理技术 后者有循环热处理和多复合热处理 1.1 二阶段热形变处理技术 最初 O D Sherby等人针对碳含量为1.57 1.92 的普通超高碳钢 仅含少量的锰 采用二阶段热形变工艺进行了超细化处理 16 如图1所示 该工艺可分为两个阶段 第一个阶段是铸锭在高温 1 150 单相奥氏体区内均匀化退火 保温足够的时间 约1.5 h 以溶解全部的碳 随后在冷却到600 的过程中进行连续多道次轧制 称为 WW 这一过程中的热形变有助于破碎自奥氏体析出的先共析渗碳体 避免形成网状碳化物 第二个阶段是在550 600 进行等温轧制 破碎通过相变形成的珠图1 HWW+I WW处理技术示意图Fig.1 S chematic of HWW+I WWProcess光体组织 称为I WW I WW轧制的总应变量为11.5 经上述处理后可得到完全的球化组织 渗碳体的粒径达到0.1 0.5卜m 基体晶粒粒径约为0.51.5卜m 图2为经不同工艺处理后超高碳钢 碳 铬含量均为1.5 组织的SEM照片 1.2 热形变+离异共析转变处理技术 WW+I WW工艺需要较大的形变量以及中温区的等温轧制 为此 O D Sherby等人开发了包含离异共析转变 DET 的热形变处理技术 17 此工艺同样首先进行 WW 使先共析渗碳体以细小颗粒的形式在奥氏体晶界和晶内高密度位错区域形成 然后在稍高于A1的温度进行较短时间的奥氏体化 随后空冷 这一过程被称为离异共析转变 在DET过程中并未发生珠光体转变 碳化物以球状析出于奥氏体晶界上未溶碳化物附近以及奥氏体晶粒内部 对碳 铬含量分别为1.5 的超高碳钢按此工艺进行了处理 得到了完全球化的微细组织 与 WW+I WW工艺相比 省去了等温轧制处理 降低了所必需的形变量 1.3 热形变+DET+形变处理技术 在 WW+DET处理技术的基础上 如果在DET后的空冷期间进行形变 就形成了 WW+DETWAD工艺 如图3所示 与 WW+DET工艺相比 它可以使超高碳钢形成更为细化的组织 尤其是铁素体的晶粒更为细小 图4 a 为用 WW工艺处理的超高碳钢微观组织的示意图 它由球状渗碳体和珠光体组成 图下部为对应位置碳浓度的分布 图4 b 为短时奥氏体化 不完全 后的组织示意图及其碳浓度的分布 对于共析钢和过共析钢 在稍高于A1的温度奥氏体化时 碳的来源只能是珠光体中的渗碳体板条 使其局部断开而球状化 这是采取DET和DETWAD的重要依据 从图4 b 可以看出 某些区域的碳浓度是不均匀的 例如a b区域 图4 c 是完成奥氏体化后的情况 此时原来的片状渗碳体变为断续的粒状 碳浓度分布也是不均匀的 虽然此时未达到平衡状态 但已实现了奥氏体的转变 随后空冷时 由于存在大量的先共析渗碳体作为形核位置 因而可以获得最佳的DET细化组织 如果长时间奥氏体化 就形成图4 d 所示的组织形态 与图4 c 比较可以看出 此时奥氏体中的碳浓度已均匀化 而且原始的球状先共析渗碳体因Ost Wald熟化而长大 粒子间的距离增大 这种情况下空冷不会 获得DET组 6 2004年 钢 铁 研 究 学 报 第16卷(a)WW+I WW工艺3(b)WW+DET工艺3(c)WW+DETWAD工艺图2 超高碳钢组织的SEM照片Fig.2 SEMPhotograPhs of a ultra-high carbon steel图3 HWW+DETWAD处理技术示意图Fig.3 S chematic of HWW+DETWAD Processs织9 而是形成正常的珠光体组织O总之9 进行DET处理时应考虑C WW应连续进行9 以避免形成块状或网状渗碳体3在A1点以上进行奥氏体化的时间不能过长9 避免形成图4(d)所示的粗化先共析渗碳体导致形核位置的减少9 从而在空冷时发生正常的珠光体转变3奥氏体化温度升高或时间延长具有同样的动力学作用9 因此奥氏体化的温度不能太高9 而是稍高于A1点3与DET相比9DETWAD处理可以获得更细的组织9 原因是形变使原始奥氏体晶粒细化9 所以相变后铁素体的晶粒也得到细化O(a)无奥氏体化处理3(b)短时奥氏体化3(c)完成奥氏体化3(d)长时间奥氏体化图4 经HWW处理后不同奥氏体化阶段的组织Fig.4 M icrostructures of samPles at different austenitizing stages after HWW-7-第5期 王宝奇等C 超高碳钢组织超细化的工艺 10月1.4 循环热处理技术 E S Kayali等人 18针对碳含量为1.6 的超高碳钢9采用循环热处理工艺9实现了组织的细化(参见文献 14)O该工艺适于尺寸较小的试样O当试样的尺寸较大时9需要考虑整个截面组织的均匀性O该工艺的固溶温度为1 150 9保温10 m in9油淬9随后在比A1稍高的温度进行多次循环水淬O试验表明:在进行14次循环水淬后可以获得微细的球化组织;在650 以0.01 m in-1的应变速率拉伸后获得328 的超塑性O继续增加循环水淬的次数并不能进一步改善组织和性能O这种方法的组织细化效果不如热形变工艺O1.5 复合热处理技术 近年来9K Tsuzaki等针对热形变细化工艺的复杂性以及Seto等人提出的冷轧退火工艺的形变困难性9开发了如图5所示的复合热处理工艺(参见文献 17)O该工艺包括4个阶段:形成完全珠光体组织9无粗化的先共析6板条和未溶解6粒子存在;在+6两相区正火9使6板条球状化;在两相区淬火获得马氏体;在A1点正火9使马氏体再结晶O 借助这种工艺9在用铝和铬合金化(铝含量为2.39 9铬含量为1.52 )的超高碳钢(碳含量为1.72 )中获得了超细化的双相组织:碳化物粒子的尺寸呈现双态分布特征9两相区加热后形成的球状碳化物粒径约1卜m9回火过程中析出的碳化物粒径约0.2卜m9基体:晶粒的平均粒径为0.7卜m9且晶粒间呈现大角晶界 19O而未进行铝合金化的超高碳钢9由于难以避免形成粗大的先共析69因而采用这种工艺进行组织细化受到限制O2 合金化对组织细化的影响 超高碳钢的合金化9对于组织细化是一个重要的影响因素O合金化的作用在于对超高碳钢多元体图5 复合热处理工艺的示意图Fig.5 S chematic of duPlex heat treat ment Process系的相变热力学 动力学产生影响O热力学及相图计算等基础研究对于超高碳钢的成分和处理工艺的设计很有价值9尚待进行O一些合金元素的添加对超高碳钢的相变温度 碳化物的稳定性以及碳的活度产生的影响9目前还只限于定性研究O在超高碳钢中常添加的合金元素有:铬 硅 铝和少量的锰9较少添加钼 镍O 超高碳钢中添加硅9对铁-碳系热力学及碳化物形成和溶解的动力学产生影响 20921O硅作为铁素体稳定化元素9将提高超高碳钢的A1点 21O如不含硅时9A1点为998 K;硅 含 量 为1.5 时9A1点为1 033 K;硅含量为3.0 时9A1点为1 093 K;硅含量为6.0 时9A1点为1 203 KO提高A1点可以提高超塑性成形的温度9从而实现高应变速率 低应力下的超塑性成形O另外9硅的加入致使共析成分的碳含量降低9从而增加先共析碳化物的数量9使得在+6两相区用于钉扎晶界的碳化物的体积分数增加O这样在A1点超塑性成形时9不仅铁素体晶粒的长大得到抑制9而且即使在奥氏体区呈现超塑性行为时9奥氏体晶粒的长大同样受到抑制O硅不溶于碳化物O当碳化物析出时9硅分布在碳化物周围9局部形成硅的高浓度区O硅又是提高碳活度的元素O在硅的高浓度区中9碳的活度也相应提高9这就使碳向碳化物的扩散流量减少9因而可以抑制碳化物的粗化O 利用铝合金化可以提高超高碳钢的A1点9扩大超塑性的温度范围 39119而且使先共析渗碳体细化且分布 均 匀9 有 利 于 超 塑 性 成 形 时 保 持 超 细 组织 22O铝可比硅更有效地提高超塑性成形速率 21O 铝与硅都能抑制网状碳化物的形成9但铝比硅的抑制作用更强 4O不含铝 硅的超高碳钢(碳含量为1.72 9铬含量为1.5 )奥氏体化(1 423 K X5h)+等温处理(923 K X15 m in)后存在许多晶界碳化物及魏氏组织碳化物;添加硅后晶界碳化物得到抑制9但有少量的魏氏组织碳化物;而添加铝后9晶界碳化物及魏氏组织碳化物均消失9得到细化的完全珠光体组织O 铬是超高碳钢中除硅 铝之外常用的合金元素9属于稳定碳化物的元素O添加铬使碳化物的溶解速率降低O因此9在采用热形变组织细化工艺时9即使提高加热温度或延长加热时间9仍能避免发生共析转变9获得DET细化组织O铬还能抑制含硅 铝超高碳钢石墨化O对于铝含量为1.6 的超高碳钢来说9铬含量应大于0.5 9但小于2 9以利于加工_8_2004年 钢 铁 研 究 学 报 第16卷成形 20 3 对各种组织超细化工艺的比较 根据上述超高碳钢各种组织细化工艺的介绍 可以看出热形变组织细化工艺适用的范围较广 对合金化无特殊要求 可使粒状碳化物的粒径达到0.1 1.0卜m 基体晶粒的粒径达到0.5 2.0卜m 该工艺DET阶段的温度和时间是获得细化组织的重要参数 在钢的轧制生产过程中可充分利用此工艺获得 WW组织 这样在轧材制作成零件后 仅进行DET处理即可 从而 大 大 节 约 能 源 DET-WAD工艺较DET工艺复杂 但获得的组织更为细小 应该指出 WW要求连续轧制 并延续到低温区域 这可能会降低生产效率 而未包含热形变的组织细化工艺 操作简单 容易控制 但能耗大并有尺寸限制 特别是在碳含量高时 这种工艺需要配合钢的合金化 以抑制网状先共析渗碳体的析出 4 展 望 超高碳钢在实现组织超细化后 不仅具有高的室温强度和良好的塑性 而且有良好的中温超塑性 因其碳含量高 还可以获得极高的硬度 不仅如此 超高碳钢还具有良好的固态连接特性 从而可与自身或其它金属基材料 如黄铜 铝青铜等 连接制备成新型高性能层状复合材料 采用超高碳钢制作零件已有报道 21 随着研究的深入和技术的进步 超高碳钢将成为结构材料 工模具材料领域的一种新型材料 参考文献!1 Syn C K Lesuer D R Sherby O D.Influence of M icrostruc-ture on Tensile Properties of Spheroidized Ultrahigh-Carbon 1.8 pct C Steel J.M etall Trans 1994 25 A 7 1481-1493.2 W adsWorth J Sherby O D.Influence of Chrom iu m on Super-plasticity in Ultra-igh Carbon Steels J.J M ater Sci 1978 13 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