CN1200131C - 一种非调质超高碳钢的生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种非调质超高碳钢的生产工艺，所涉及的非调质超高碳钢的合金成分的重量百分比为C：1.0～1.8，Si：0.5～3.5，Cr：0.5～2.0，Mn：0.2～0.7，余Fe；用喷射成形工艺获得坯料，之后对喷射成形坯料进行等温锻造，等温锻造温度：790℃～910℃；等温锻造速率：1×10-4/s～1×10-2/s；锻造变形量：50%～80%。本发明所获得的非调质超高碳钢在强度上超过市场上的高档非调质钢，并且仍具有相当好的延性和韧性。本发明的工艺不仅简单，而且大大减低能源消耗和制造成本。

Description

一种非调质超高碳钢的生产工艺
技术领域
本发明涉及一种非调质超高碳钢的生产工艺。
背景技术
钢铁作为最重要的结构材料，一直在向更高强度水平的方向发展。调质处理是大家熟知的提高钢铁强度的有效工艺手段。但是调质处理也有其严重的局限性：设备和能源的消耗增加了生产成本和环境污染；淬火过程中容易发生的变形或开裂增加了废品率；对材料淬透性的依赖容易造成产品里外性能不一致等问题，使工件尺寸受到限制。因此，开发非调质钢成为钢铁行业一个十分重要的发展方向。目前，市场上应用广泛的铁素体—珠光体型非调质钢，其强度水平(抗张强度)上限在1000MPa。进一步提高强度而又保持结构材料所必需的韧塑性是发展非调质钢所面临的严峻课题。
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韧塑性，按传统的观念，碳含量增加到1％以上会使韧塑性明显降低。现有市场上非调质钢的碳含量都在0.5％以下。超高碳钢(含碳量1～2.1wt％)被长期排除在实用工程材料之外。但是，以Sherby为代表的一批美国冶金学家却发现，如果使组织充分细化及均匀化，超高碳钢不仅可以具有高强度，也能具有一定韧塑性相配合，并且还可具有超塑性，从而有希望开发出新型的优质非调质钢。
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；同时由于碳含量远超过共析成分，在常规热加工成形工艺中很难避免奥氏体晶界析出粗大碳化物网络。这些都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，其中最重要和最有代表性的专利有：
美国专利US3951697(1976)；US4448613(1984)；US4533390(1985)；US4769214(1988)；US5445685(1995)。
总体来说，这些专利所描述的方法都包括两个工艺过程：第一，通过多道次高温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，通过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。
从20世纪90年代后期开始，Sherby一直在寻求适合实际生产非调质的超高碳钢制备方法，其最近的工作提出采用热挤压工艺路线(公开发表于《MetallurgicalAndMaterialsTransaction》，V01.30A，1999，p1559)，
具体如下：
一真空铸锭；
一进行两步高温-中温锻造：第一步：起锻1100℃，终锻900℃；
                         第二步：起锻900℃，终锻700℃：
一在900℃或1025℃或1150℃下进行热挤压。
该工艺不仅周期长，而且复杂，高中温锻造就需两步，同时还需大吨位的热挤压，可谓是高能耗，高成本的工艺。
发明内容
鉴于现有状况，为改变高能耗，高成本的现象，本发明的目的在于提供一种非调质超高碳钢的生产工艺，该工艺获得的非调质超高碳钢具有高强度、高韧性；同时还具有工艺简单、能源消耗低和制造成本低的特点。
本发明所提供的一种非调质超高碳钢的生产工艺为：
(1)合金成分(重量百分比)为：
        C     1.0～1.8
        Si    0.5～3.5
        Cr    0.5～2.0
        Mn    0.2～0.7
         余Fe；
(2)采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，采用喷射成形工艺获得坯料；
(3)对喷射成形坯料进行等温锻造，等温锻造温度：790℃～910℃；优选的锻造温度：820℃～850℃；等温锻造速率：1×10-4/s～1×10-2/s；锻造变形量：50％～80％。
其中优选的合金成分为：
        C     1.2～1.5；
        Si    2～3；
        Cr    1～2；
        Mn    0.2～0.7；
         余Fe；
        以上为重量百分比。
其中步骤(3)中所述的等温锻造，所用的坯料在设定温度的预热炉内保温一定时间，根据坯料尺寸以每毫米厚2分钟来确定保温时间。
其中步骤(2)中所述的喷射成形工艺，喷射成形工艺过程：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。然后用高压氮气向熔体喷射，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。
喷射成形所获得的基材无须任何处理即具有高温超塑性，其延伸率(％)的具体数据如表1
                            表1
                        变形速率
低变形速率2.5×10-4/s               高变形速率
   5×10-3/s   1×10-2/s
温度   910℃     180％
  880℃     250％
  850℃     330％    232％   175％
  820℃     370％    300％   175％
  790℃     300％    189％   163％
  760℃     250％
由表1所示特性表明：喷射成形坯料可以实现一道次大变形量等温锻造，锻造温度范围可为：790℃～910℃，优选的温度范围为820℃～850℃。
锻造前坯料在设定温度的预热炉内保温一定时间，根据坯料尺寸以每毫米厚2分钟来确定保温时间；然后进行锻造，锻造过程中保持所定温度不变。如需制取形状特异的制品，则应放入预先制备的模具内锻造。
等温锻造速率：1×10-4/s～1×10-2/s。速率高则要求施加高的压力，需要吨位较大的设备；速率低则会延长锻造时间。应在30分钟内完成锻造。
锻造变形量：50％～80％。如为了制取形状特异的制品，变形量可高达95％。以上变形量优选为一道次实现。
锻造后空冷到室温。
本发明的非调质超高碳钢与现有钢铁材料的相比：
使用本发明所提供的生产工艺路线所得的非调质超高碳钢，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：850MPa以上；
抗张强度：1150MPa以上；
延伸率：～10％；
冲击韧性(无缺口试样)：是正火态GCr15轴承钢(同为珠光体组织)的2.5倍以上。
而现有钢铁结构材料情况：
碳素钢：抗张强度最高达～600MPa；
低合金钢：抗张强度最高达～800MPa；
本发明所获得的非调质超高碳钢在强度上超过市场上的高档非调质钢且仍具有相当好的延性和韧性。
本发明的工艺方法有以下特点：
(1)成分上起强化作用的主要是依靠增加碳含量，即增加强化相-碳化物的体积比，这是一种廉价的强化方法，而现有市场上非调质钢的碳含量都在0.5％以下。
(2)工艺路线上采用喷射成形+等温锻造的独特方法。喷射成形获得均匀细化、无明显碳化物网络、等轴状的组织。这种组织不仅避免了超高碳钢在常规铸造工艺下难以避免的碳的严重偏析以及粗大碳化物的形成，而且被发现具有高温超塑性。利用这种超塑性，实现一道次大变形量等温锻造。这种大变形量等温锻造不仅使组织进一步细化，而且使之高度致密化，从而在获得高强度的同时，具有好的韧塑性。
附图说明
图1为喷射成形超高碳钢坯件组织金相照片；
图2为喷射成形超高碳钢坯件组织扫描电镜照片；
图3为本发明的等温锻造后材料组织金相照片；
图4为本发明的等温锻造后材料组织扫描电镜照片。
具体实施方式
如图1和图2所示，喷射成形坯件的显微组织：无碳化物网络，呈均匀细密的珠光体组织。
如图3所示，本发明的等温锻造后材料的金相显微组织：组织非常均匀细密，其细密程度明显优于喷射态坯件。
如图4所示，扫描电镜照片中显示的珠光体团是等温锻造过程中形成的奥氏体在空冷时转变而成的(因为锻压是在略高于A1区的温度范围内即奥氏体+渗碳体两相区进行的)，珠光体团的尺寸仅1～2微米，反映了原奥氏体晶粒的尺寸十分细小。0.5微米左右的碳化物颗粒勾画出原奥氏体晶界的轮廓，反映了碳化物颗粒钉扎晶界，阻碍晶粒长大的情况。
实施例1
(1)合金成分(化学分析结果)：
见表2所示；
(2)喷射成形工艺
喷射成形工艺的具体参数：将母合金料放入坩埚内熔化，熔液的过热度为150℃左右；导液管的内径为中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。
(3)等温锻造
坯料在加热到850℃的炉内保温30分钟后取出；然后放入已达850℃热平衡的等温锻造压机中的平板模具里；在重新达到热平衡后(约2分钟)进行等温锻压，施加压力80吨，在整个等温锻压过程中保持不变；起始压力为每平方厘米185MPa(根据坯件受力面积计算)，起始压下的应变速率为6～8×10-3/S。随着变形量增大，受力面积增加，压强减少，速率变慢。在15分钟内由23mm压到7mm，总变形量为70％；停止锻压，坯件取出空冷。
实施例2
(1)合金成分(化学分析结果)
见表2所示；
(2)喷射成形工艺
喷射成形工艺的具体参数：同实施例1
(3)等温锻造
坯料在加热到870℃的炉内保温30分钟后取出；然后放入已达870℃热平衡的等温锻造压机中的平板模具里；在重新达到热平衡后(约2分钟)进行等温锻压，施加压力80吨，在整个等温锻压过程中保持不变；起始压力为每平方厘米200MPa(根据坯件受力面积计算)，起始压下的应变速率为6～8×10-3/S。随着变形量增大，受力面积增加，压强减少，速率变慢。在15分钟内由24mm压到7mm，总变形量为71％，停止锻压，坯件取出空冷。
实施例3
(1)合金成分(化学分析结果)
见表2所示；
(2)喷射成形
具体工艺同实施例1；
(3)等温锻造
坯料在加热到830℃的炉内保温30分钟后取出，然后放入已达830℃热平衡的等温锻造压机中的平板模具里，在重新达到热平衡后(约2分钟)进行等温锻压，施加压力96吨在整个等温锻压过程中保持不变，起始压力为每平方厘米210MPa(根据坯料受力面积计算)，起始压下的应变速率为6～8×10-3/S。随着变形量增大，受力面积增加，压强减少，速率变慢。在15分钟内由23mm压到7mm，总变形量为69％；停止锻压，坯件取出空冷。
上述实施例生产的非调质超高碳钢的性能指标与现有的高档非调质钢及Sherby钢相比，如表2所示。
                                        表2
    成分(重量百比)   屈服强度MPa   抗张强度MPa   延伸率％ 备注
 1.22C-2.98Si-1.47Cr-0.66Mn-余铁   870     1218     10.4 实施例1
 1.44C-2.08Si-1.59Cr-0.52Mn-余铁   858     1203     9.5 实施例2
 1.50C-2.01Si-1.44Cr-0.51Mn-余铁   904     1172     11 实施例3
0.45C-0.6Si-1.5Mn-余铁 ≥600 950-1100 ≥10 已有报道的高档非调质钢
1.23C-1.2Si-0.5Mn-余铁 704 1270 8.5 采用1025℃热挤压(sherby)
1.3C-0.5Si-0.5Mn-余铁 650 1196 8.6 采用1025℃热挤压(sherby)

Claims (5)

1.一种非调质超高碳钢的生产工艺，其特征在于，包含如下步骤：
1)合金成分为：
      C               1.0～1.8
      Si              0.5～3.5
      Cr              0.5～20
      Mn              0.2～0.7
      余Fe
      以上为重量百分比；
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，
采用喷射成形工艺获得坯料；
3)对喷射成形的坯料进行等温锻造，等温锻造温度：790℃～910℃；等温锻造速率：1×10-4/s～1×10-2/s；等温锻造变形量：50％～80％。
2.如权利要求1所述的非调质超高碳钢的生产工艺，其特征在于，其中步骤(1)中的合金成分的范围为：
      C     1.2～1.5；
      Si    2～3；
      Cr    1～2；
      Mn    0.2～0.7；
      余Fe；
      以上为重量百分比。
3.如权利要求1所述的非调质超高碳钢的生产工艺，其特征在于，其中步骤(3)中所述的等温锻造的锻造温度为820℃～850℃。
4.如权利要求1所述的非调质超高碳钢的生产工艺，其特征在于，其中步骤(3)中所述的等温锻造所用的坯料在设定温度的预热炉内保温一定时间，根据坯料尺寸以每毫米厚2分钟来确定保温时间。
5.如权利要求1所述的非调质超高碳钢的生产工艺，其特征在于，其中步骤(3)中的变形量一道次完成。
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