CN101012494A - 一种制备超细化复相结构高碳钢的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于过冷奥氏体变形的制备超细化复相结构高碳钢的方法。本发明将高碳钢加热到奥氏体相区充分奥氏体化后，以适当冷速将奥氏体过冷至A1到Arcm温度范围内的某一温度，对于共析钢过冷至A1以下50～300℃范围内的某一温度进行变形，应变速率在0.001s－1到30s－1之间，应变量在1.6至2.0范围内。通过上述变形过程即可得到超细复相结构高碳钢，当所用应变量不足以得到上述超细复相结构高碳钢时，可以将得到的变形组织进行等温处理。等温处理的温度在500℃到A1温度范围内，等温时间在10～60分钟。由此获得的超细化复相组织中等轴状铁素体的晶粒尺寸小于1微米，均匀分布的球状渗碳体颗粒尺寸小于0.5微米。

Description

一种制备超细化复相结构高碳钢的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制备超细化复相结构高碳钢的方法，特别涉及一种基于过冷奥氏体变形的制备超细化复相结构高碳钢的方法。
背景技术
普通共析钢的典型组织为片层状的珠光体组织。由于珠光体由较软的铁素体片层和硬而脆的渗碳体片层组成，普通共析钢的强度较高而塑性较差，需要经过球化退火处理后再用于机械加工。一般，球化退火处理需要专用的球化退火设备，并且需要在较高温度(例如700℃)退火十几小时甚至几十小时，生产周期长，能耗大。球化退火得到的组织较为粗大，渗碳体颗粒尺寸在微米尺度，铁素体晶粒尺寸一般为几十微米。而普通过共析钢的典型组织为网状渗碳体(先共析渗碳体)加珠光体组织。网状渗碳体的存在进一步恶化钢的塑性。
为了缩短球化退火处理时间，提高生产效率，降低能耗，快速球化处理工艺的研究和应用在钢铁材料领域一直很活跃。Sherby等人在这方面作了大量研究，并获得了多项专利，如：
-美国专利：3951697，(1976)；
-美国专利：4448613，(1984)；
-美国专利：4533390，(1985)；
-美国专利：4769214，(1988)；
-美国专利：5445685，(1995)。
在这些专利中，Sherby等人指出通过各种机械处理，热处理及热机械处理，可以获得具有小于1微米的球状渗碳体颗粒均匀分布在小于5微米的等轴晶粒的铁素体基体上的组织的高碳钢。其主要思路在于利用变形破碎网状渗碳体后，再利用变形促进珠光体的球化，从而到达加速球化处理的目的。上述变形可以在奥氏体加渗碳体两相区进行，或在铁素体加渗碳体两相区进行。但是上述工艺较为复杂且需要大的累积应变量(典型的累积应变量为3.0)，需要耗费大量的能源。因此开发一种控制简单，并且易于在工业生产中实现的技术非常重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、不需要大的累积应变量的制备超细化复相结构高碳钢的方法。该方法利用过冷和变形的双重作用促进奥氏体向珠光体转变而抑制网状渗碳体的形成，再利用变形促进珠光体的球化，可以在较小的应变量下获得超细化复相结构高碳钢。
实现本发明目的的具体方法是：如图1所示，将含碳量＞0.8％(质量分数)的高碳钢加热到高于Acm以上50～300℃的温度T1，对于共析钢为高于A1以上50～300℃的温度，并保温5～120分钟的时间t1以使渗碳体充分溶解在奥氏体内，然后将奥氏体以5～100℃/s的冷速C1过冷至A1到Arcm温度范围内的某一温度T2，对于共析钢过冷至A1到Ar1温度范围内某一温度内变形，应变速率
Figure A20071006357600041
在0.001s-1到30s-1之间，应变量ε在1.6至2.0范围内，然后再以0.2℃/s～200℃/s的冷速C2冷却至室温。其中，时间t1取决于高碳钢的含碳量、工件尺寸和保温温度，含碳量越大和/或工件尺寸越大所需要的时间t1越长，而保温温度越高所需要的时间t1越短。冷速C1由热膨胀法测定，选择标准是在该冷速下奥氏体的Arcm温度小于A1温度，优选的是在该冷速下奥氏体的Arcm温度在A1温度以下50～300℃范围内。
采用上述变形工艺进行变形时，在所用应变量不足以将过冷奥氏体转变得到的珠光体完全转变为超细化复相组织的情况下，可以将得到的变形组织进行等温处理。等温处理的温度T3可以在500℃到A1温度范围内，等温时间t2在10～60分钟范围内。
通过上述变形工艺，利用过冷和变形的双重作用促进奥氏体向珠光体转变而抑制网状渗碳体的形成，再利用变形促进珠光体的球化，可以在较小的应变量下(例如1.6)获得超细化复相结构高碳钢。所获得的超细化复相组织中等轴状铁素体的晶粒尺寸小于1微米，均匀分布的球状渗碳体颗粒尺寸小于0.5微米。当所使用的应变量不足以获得超细化复相结构高碳钢时，可以在一定温度对高碳钢进行等温处理以获得超细化复相结构。
与现有技术相比，本发明以冷速C1将奥氏体过冷至在到A1到Arcm温度范围内的某一温度T2时，奥氏体处于过冷状态，此时组织中不含有渗碳体。在过冷和变形的双重作用下，奥氏体直接向珠光体转变(动态珠光体相变)，而不是先形成网状渗碳体再形成珠光体。因此，根据本发明的变形工艺中，不需要如sherby等人在其专利中所强调地首先利用变形破碎网状渗碳体，从而简化了变形工艺，减小了所需要的应变量。
根据本发明制备的超细化复相结构高碳钢具有较好的热稳定性，在较高温度(低于A1)下保温一定时间，组织基本不发生明显改变。
附图说明
图1是本发明的热变形工艺示意图。
图2是实施例1制备的超细化复相结构高碳钢的显微组织。
图3是实施例1变形工艺变形初期过冷奥氏体转变产物的显微组织。
图4是实施例2制备的超细化复相结构高碳钢的显微组织。
图5是实施例2变形工艺变形初期过冷奥氏体转变产物的显微组织。
图6是实施例2对图4所示的超细化复相组织结构在650℃保温30分钟后的显微组织。
图7是实施例3变形至一定应变量下仅能使珠光体部分球化时的变形组织。
图8是实施例3对图7所示变形组织进行后续等温处理制备的超细化复相结构高碳钢。
具体实施方式
实施例1
图2所示的根据本发明的热变形工艺制备的超细化复相结构高碳钢的含碳量为0.97％，其它合金元素含量在普通碳素钢的通常范围内。利用热膨胀法测得其Acm为816℃，A1为730℃，当冷速C1为30℃/s时，Arcm为600℃。将该高碳钢加热到1050℃保温10分钟后以30℃/s的冷速冷却至650℃，以0.1s-1的应变速率变形至应变量为1.6时水冷，冷速为200℃/s至室温，得到图2所示的超细化复相组织，其中铁素体平均晶粒尺寸约为0.60微米，渗碳体颗粒平均尺寸约为0.35微米。该高碳钢的平衡态(充分奥氏体化后缓冷)组织中存在明显的网状渗碳体，但在按照根据本发明的热变形工艺变形时，过冷奥氏体转变时只形成珠光体，即只发生动态珠光体相变而不形成先共析渗碳体，如图3所示。
实施例2
图4所示的根据本发明的热变形工艺制备的超细化复相结构高碳钢的含碳量为0.80％，其它合金元素含量在普通碳素钢的通常范围内。利用热膨胀法测得其，A1为727℃，当冷速C1为20℃/s时，Ar1为598℃。将该高碳钢加热到1000℃保温10分钟后以20℃/s的冷速冷却至600℃，以0.01s-1的应变速率变形至应变量为1.6时水冷，冷速为200℃/s至室温，得到图4所示的超细化复相组织，其中铁素体平均晶粒尺寸约为0.72微米，渗碳体颗粒平均尺寸约为0.10微米。该高碳钢的平衡态(充分奥氏体化后缓冷)组织为片层状珠光体，但在按照根据本发明的热变形工艺变形时，过冷奥氏体转变时先形成铁素体，即首先发生动态铁素体相变，然后促进动态珠光体相变的发生，如图5所示。
将图4所示的超细化复相组织在650℃保温30分钟得到的组织如图6所示。对比图4和图6可以看出，等温处理后，铁素体平均晶粒尺寸约为0.78微米，渗碳体颗粒平均尺寸约为0.13微米，仍保持了等轴状铁素体的晶粒尺寸小于1微米，均匀分布的球状渗碳体颗粒尺寸小于0.5微米的超细化复相组织。显然，由本发明的热变形工艺得到的超细化复相组织具有较高的热稳定性。
实施例3
将实施例2中的应变速率提高到1s-1，当应变量达到1.6时仅能使珠光体部分球化，水冷组织如图7所示。将该变形组织进行后续等温处理，即在650℃保温30分钟后，可以得到超细化复相组织，如图8所示。其中铁素体平均晶粒尺寸约为0.65微米，渗碳体颗粒平均尺寸约为0.16微米。

Claims (3)

1、一种制备超细化复相结构高碳钢的方法，其特征在于，制备的步骤为：将按质量分数计，含碳量＞0.8％的高碳钢加热到高于Acm以上50～300℃的温度T1，对于共析钢为高于A1以上50～300℃的温度，并保温5～120分钟的时间t1以使渗碳体充分溶解在奥氏体内，然后将奥氏体以5～100℃/s的冷速C1过冷至A1到Arcm温度范围内的某一温度T2，对于共析钢过冷至A1到Ar1温度范围内某一温度内变形，应变速率
Figure A2007100635760002C1
在0.001s-1到30s-1之间，应变量ε在1.6至2.0范围内，然后再以0.2℃/s～200℃/s的冷速C2冷却至室温。
2、如权利要求1所述的制备超细化复相结构高碳钢的方法，其特征在于，按照权利要求1的制备步骤进行变形时，在所用应变量不足以将过冷奥氏体转变得到的珠光体完全转变为超细化复相组织的情况下，将得到的变形组织进行等温处理，等温处理的温度T3可以在500℃到A1温度范围内，等温时间t2在10～60分钟范围内。
3、如权利要求1所述的制备超细化复相结构高碳钢的方法，其特征在于，冷速C1由热膨胀法测定，在该冷速下奥氏体的Arcm温度在A1温度以下50～300℃范围内。
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