CN1184343C - 高强度超高碳钢及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
一种高强度超高碳钢及其生产工艺，其合金成分为(重量百分比)：C 1.0～2.0、Cr 0.5～2.0、Mn 0.2～0.8、Al 0.5～2.0、余Fe；生产工艺包括选取合适的添加元素，用喷射成形工艺获得坯料；然后进行大变形量(压下量达50%～70%)热轧，空冷后所得材料无须调质处理，即可达到1000MPa左右的屈服强度与1300MPa左右的抗张强度，并有8～11%延伸率的塑性。喷射成形坯料由于形成均匀细小的组织而具有优异的高温变形能力。由此可施行大变形量的热轧，使组织充分致密并且更为均匀细化，从而获得高强度超高碳钢材料。本方法简单高效，降低能源消耗与生产成本，便于实现规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度超高碳钢及其生产工艺。
背景技术
钢铁材料作为最重要的结构材料，提高强度一直是市场应用对其提出的迫切要求。一般碳素钢的强度水平(抗张强度)最高可达600MPa左右，低合金钢可达800MPa左右；采用添加Nb，V等特殊元素以及采用控制轧制等特殊工艺手段，可把强度提高到1000MPa左右。要获得更高强度的钢铁材料，除了加大合金化程度(这无疑会增大成本)之外，主要依靠调质处理。但调质处理存在能耗和生产成本较高、产品质量较难控制等众所周知的局限性。因此，在不经调质处理的条件下进一步提高低合金钢的强度就具有十分重要的意义。
碳是钢铁材料最重要而又廉价的强化元素。但是，碳含量的增加会影响塑性，按传统的观念，碳含量增加到1％以上会使塑性降低到结构材料无法使用的程度；同时，严重的脆性也使强度无法提高。现在市场上非调质钢的碳含量都在0.5％以下。超高碳钢(含碳量在1％到2.1％)被长期排除在实用工程材料之外。但是，以Sherby为代表的一些美国冶金学家却发现，如果使组织充分细化及均匀化，超高碳钢可以获得高强度和一定塑性相配合的优良力学性能。
然而，在传统工艺下，实现超高碳钢的组织细化与均匀化是非常困难的。由于碳含量很高，在常规铸造工艺的凝固过程中很难避免碳的偏析以及粗大碳化物的形成，这会造成材料的致命脆性。为了克服这个困难，Sherby提出了一系列相当复杂的工艺路线，并获得一批专利。这些专利所描述的方法，总体来说，都包括两个工艺过程。第一，用多道次热加工消除粗大碳化物并且避免晶界碳化物网络的出现；第二，用各种方法的热处理或温加工或两者的结合使碳化物以细小颗粒形式均匀弥散分布于基体。这样复杂的工艺过程难以利用现有的生产手段来实现。
1999年，Sherby又提出热挤压工艺路线(公开发表于《MetallurgicalAnd Materials Transaction》，Vol.30A，1999，p1559.)，具体如下：
真空铸锭；
进行两步高温-中温锻造：第一步：起锻1100℃，终锻900℃；
第二步：起锻900℃，终锻700℃；
在900℃或1025℃或1150℃下进行热挤压(挤压前需把坯料装入尺寸相配的软钢罐里)。
该工艺仍然比较复杂，高中温锻造就需两步，而且还需大吨位的热挤压机，能耗高，生产规模难以扩大。
本申请人曾提出一种新的超高碳钢生产工艺，其工艺路线是：用喷射成形获得坯料，然后对坯料施行等温锻造，空冷后无须调质处理即可得到屈服强度达～900MPa，抗张强度达～1200MPa，延伸率达～10％的超高碳钢材料。(对此喷射成形工艺，本申请人已申请专利，专利申请号：01126952.9)
该工艺路线比以前明显简化，但需要使用等温锻造设备，且生产率低，因而在应用范围和生产规模上仍然受到限制。虽然在直接制备形状特异的近终形制品方面有它不可替代的优点，但从便于进行规模生产的角度看，应寻找一条可利用普通生产手段的工艺路线。
发明内容
本发明的目的是要提供一种简单高效地生产超高碳钢的方法，便于实现规模生产，而且要使所获材料具有更高的强度而又保持必要的塑性。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是，
一种高强度超高碳钢，其合金成分(重量百分比)：
C 1.0～2.0；
Cr 0.5～2.0；
Mn 0.2～0.8；
Al 0.5～2.0；
余Fe；
所述的合金成分(重量百分比)优选为：
C 1.5～1.8
Cr 1.4～1.7；
Mn 0.4～0.7；
Al 1.0～1.8；
余Fe。
对Fe中的杂质含量限制，只要求达到普通碳素钢的标准；Mn的添加是为了抑制S、P等微量元素的有害影响；Cr的添加是为了避免石墨化，同时抑制工艺过程中碳化物颗粒的长大。
Al的添加可提高超高碳钢高温变形能力，上述成分范围内Al的存在不降低C在奥氏体里的固溶度，而且提高共析转变点的碳浓度，因此在高C含量下可避免一次碳化物的出现，此外，即使出现二次碳化物网络，也容易用简单热处理消除。实验还证明，Al可明显提高超高碳钢的高温变形能力，增加变形量，降低变形应力。
本发明的高强度超高碳钢的生产工艺，包含如下步骤，
1)合金成分(重量百分比)：
C 1.0～2.0；
Cr 0.5～2.0；
Mn： 0.2～0.8；
Al 0.5～2.0；
余Fe；
2)用喷射成形工艺获得坯料，将步骤1)中的合金成分作为原料，采用喷射成形工艺，将母合金料放入感应炉内加热，使之熔化，在高于熔点150～250℃温度下保持一段时间；使熔体的温度和成分达到均匀。用高压氮气向由导液管流出的熔体喷射，使之雾化成细小液滴，飞行并沉积在收集基板上，完成凝固并形成块体坯料；
3)对喷射成形坯料进行热轧，热轧加热温度：760℃～1100℃；轧制变形速率：1/s～10/s；轧制压下量：50％～70％。
为获得热轧后材料良好机械性能，应按下列温度范围加热：
Fe-Al-Cr系：900℃～1000℃，压下量达70％，可获得热轧后材料良好机械性能。
进一步，所述的步骤3)热轧加热温度优选为900℃～1000℃，热轧压下量达70％。
其中步骤3)中所述的热轧为一道次轧制完成上述压下量。
步骤3)中所述的热轧轧制前将坯料放入已达预定温度的加热炉内，在所定温度下保温，保温时间根据坯料厚度确定，即每毫米2分钟。
实验表明，由此获得的喷射成形基材具有一般合金材料所没有的优异的高温变形能力。
其特殊性在于两个方面：一是无须经过特殊的超塑化处理(热处理或机械处理或两者的结合)就可直接获得100％以上的拉伸延伸率；二是在相当高的变形速率下(10-2/s或更高)仍可有100％以上的拉伸延伸率(而一般超塑性合金材料通常在10-4/s左右的低变形速率下具有高延伸率)。实验结果见表1。该结果还表明，含Al超高碳钢，尽管碳含量较高，但仍有良好塑性变形能力，其变形应力低于碳含量较低的含Si超高碳钢。
表1.喷射成形超高碳钢基材在850℃及高变形速率下的拉伸延伸率
| 变形速率 | 1.22C-2.98Si-1.47Cr-0.66Mn-余Fe | 1.71C-1.46Al-1.44Cr-0.44Mn-余Fe |
| 5×10-3/s | 延伸率：232％(变形应力：100MPa) | 延伸率：183％(变形应力：76MPa) |
| 1×10-2/s | 延伸率：175％(变形应力：119MPa) | 延伸率：107％(变形应力：103MPa) |
| 1×10-1/s | 延伸率：120％(变形应力：142MPa) |
由上述结果可知，喷射成形超高碳钢坯料具有优异的高温变形能力，因此可施行大变形量热加工。
此外，实验还表明，上述喷射成形超高碳钢可施行大变形量热加工的温度范围宽达790℃～1000℃；其中，含碳量较低的Fe-Si-Cr系的温度下限还可扩展到760℃。
对喷射成形坯料进行热轧
(1)轧制前将坯料放入已达预定温度的加热炉内，在所定温度下进行保温，保温时间根据坯料厚度确定，即每毫米2分钟。
加热温度：820℃～1100℃，可实现一道次热轧高达70％压下量而不发生裂纹。
为获得热轧后材料良好机械性能，应按下列温度范围加热：
Fe-Al-Cr系：900℃～1000℃
(2)对上述坯料进行热轧：
从加热炉取出到开始轧制，应使坯料温度下降幅度在≤100℃的范围之内；在加热温度较低时(Fe-Si-Cr系)，应使轧制温度不低于760℃。
轧制变形速率：1/s～10/s
轧制压下量：50％～70％
对Fe-Al-Cr系：压下量需达70％，可获得热轧后材料良好机械性能；
上述压下量一道次轧制完成；
轧制后空冷到室温。
本发明的有益效果
本发明的工艺路线上采用喷射成形+热轧的方法，轧制后所获材料
(1)一道次50％～70％压下量热轧后未发现裂纹；
(2)轧制后密度明显提高，表明轧制使材料致密程度提高；大变形量轧制消除了喷射成形坯料中可能存在的细小空隙等缺陷。密度测试结果见表2；
(3)热轧后材料的组织非常均匀细密；
(4)热轧后所获材料，不经任何热处理或机械处理，即可达到以下室温力学性能：
屈服强度：1000MPa以上；
抗张强度：1200MPa以上；在一定工艺条件下，可达1300MPa～1400MPa；
延伸率：8～11％。
表2超高碳钢(1.78C-1.46Al-1.61Cr-0.52Mn-余Fe)的密度测试结果
| 喷射成形坯料 | 7.6463g/cm3 |
| 970℃加热而未热轧的坯料 | 7.6526g/cm3 |
| 970℃加热并热轧70％后坯 | 7.7851g/cm3 |
附图说明
图1为超高碳钢(1.24C-2.55Si-1.55Cr-0.62Mn-余Fe)850℃加热然后轧制70％后材料组织的金相照片。
图2为超高碳钢(1.24C-2.55Si-1.55Cr-0.62Mn-余Fe)850℃加热然后轧制70％后材料组织的扫描电镜照片。
图3为超高碳钢(1.78C-1.46Al-1.61Cr-0.52Mn-余Fe)970℃加热然后轧制70％后材料组织的金相照片。
图4为超高碳钢(1.78C-1.46Al-1.61Cr-0.52Mn-余Fe)970℃加热然后轧制70％后材料组织的扫描电镜照片。
具体实施方式
实施例1
1.合金成分(化学分析结果)：1.24C-2.55Si-1.55Cr-0.62Mn-余Fe(wt％)
2.喷射成形
具体参数为：将母合金料放入坩埚内熔化，熔液的过热度为150℃左右；导液管的内径为4mm；雾化气体(氮气)的压力为2.2MPa，雾化器至基板间距离为360mm，基板旋转速度为10rpm；气体/熔液流量比(G/M)约为0.30M3/kg。
从喷射成形坯料制取厚16毫米的条形试样，前端作成楔形，以便轧制时咬入。
3.热轧
将上述试样分别放入预先加热到820℃，850℃的炉内保温35分钟。
取出试样后立即送入一个最大轧制力为3000KN的热轧机进行轧制。从试样取出到开始轧制，试样温度下降40℃～50℃(由红外温度测试仪测定)。
轧机的轧锟直径为：370毫米；转速为：24转/分钟。
820℃，850℃加热试样各一块，分别由16毫米一道次轧到8毫米，压下量50％，轧制速率为～6/s。
又，820℃，850℃加热试样各一块，分别由16毫米一道次轧到4.8毫米，压下量70％，轧制速率为～7/s。
以上各试样轧制后空冷到室温。
4.所获材料室温拉伸性能(表3)：
表3喷射成形超高碳钢(1.24C-2.55Si-1.55Cr-0.62Mn-余Fe)热轧
后的室温拉伸性能
| 加热温度 | 轧制变形量 | 屈服强度 | 抗张强度 | 延伸率 |
| 820℃ | 50％ | 1016MPa | 1230MPa | 10.8％ |
| 70％ | 1108MPa | 1289MPa | 10％ | |
| 850℃ | 50％ | 1081MPa | 1295MPa | 10.3％ |
| 70％ | 1114MPa | 1298MPa | 10.5％ |
实施例2
1.合金成分(化学分析结果)：1.78C-1.46Al-1.61Cr-0.52Mn-余Fe(wt％)
2.喷射成形，具体参数同实施例1。
从喷射成形坯料制取厚16毫米的条形试样，前端作成楔形，以便轧制时咬入。
3.热轧
将上述试样分别放入预先加热到910℃，970℃的炉内保温35分钟。
取出试样后立即送入一个最大轧制力为3000KN的热轧机进行轧制。从试样取出到开始轧制，试样温度下降70℃～90℃(由红外温度测试仪测定)。
轧机条件同实施例1。
910℃，970℃加热试样各一块，分别由16毫米一道次轧到4.8毫米，压下量70％，轧制速率为～7/s。
以上各试样轧制后空冷到室温。
4.所获材料室温拉伸性能(见表4)：
表4喷射成形超高碳钢(1.78C-1.46Al-1.61Cr-0.52Mn-余Fe)热轧
后的室温拉伸性能
| 加热温度 | 轧制变形量 | 屈服强度 | 抗张强度 | 延伸率 |
| 910℃ | 70％ | 1075MPa | 1324MPa | 8.3％ |
| 970℃ | 70％ | 1068MPa | 1419MPa | 8.8％ |
其它实施例试验结果
1.合金成分(见表5所示)
2.喷射成形工艺具体参数同实施例1
3.加工工艺(见表5所示)
表5其它实施例试验结果
| 实施例 | 合金成分(％) | 加热温度 | 轧制变形量 | 屈服强度 | 抗张强度 | 延伸率 |
| 3 | 1.17C-2.99Si-1.57Cr-0.57Mn-余Fe | 820℃ | 70(％) | 1074MPa | 1294MPa | 9(％) |
| 4 | 1.10C-2.85Si-1.42Cr-0.55Mn-余Fe | 850℃ | 70(％) | 1119MPa | 1290MPa | 8.7(％) |
| 5 | 1.61C-1.59Al-1.47Cr-0.57Mn-余Fe | 910℃ | 70(％) | 1109MPa | 1311MPa | 7.8(％) |
Claims (6)
1.一种高强度超高碳钢，其合金成分(重量百分比)：
C 1.0～2.0；
Cr 0.5～2.0；
Mn 0.2～0.8；
Al 0.5～2.0；
余Fe。
2.如权利要求1所述的高强度超高碳钢，其特征是，所述的合金成分(重量百分比)优选为：
C 1.5～1.8
Cr 1.4～1.7；
Mn 0.4～0.7；
Al 1.0～1.8；
余Fe。
3.一种高强度超高碳钢的生产工艺，包含如下步骤，
1)选用下述合金成分的母合金：
C 1.0～2.0；
Cr 0.5～2.0；
Mn 0.2～0.8；
Al 0.5～2.0；
余Fe；
2)用喷射成形工艺获得坯料，将(1)中的合金成分作为原料，采用喷射成形工艺，将母合金料放入感应炉内加热，使之熔化，在高于熔点150～250℃温度下保持一段时间；使熔体的温度和成分达到均匀；用高压氮气向由导液管流出的熔体喷射，使之雾化成细小液滴，飞行并沉积在收集基板上，完成凝固并形成块体坯料；
3)对喷射成形坯料进行热轧，加热温度：760℃～1100℃，轧制变形速率：1/s～10/s，轧制压下量：50％～70％。
4.如权利要求3所述的高强度超高碳钢的生产工艺，其特征是，所述的步骤3热轧加热温度900℃～1000℃，压下量70％。
5.如权利要求3所述的高强度超高碳钢的生产工艺，其特征是，其中步骤3中所述的热轧为一道次轧制完成上述压下量。
6.如权利要求3所述的高强度高碳钢的生产工艺，其特征是，其中步骤3中所述的热轧轧制前将坯料放入已达预定温度的加热炉内，在所定温度下进行保温，保温时间根据坯料厚度确定，即每毫米2分钟。
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