收稿日期:2004204202; 修订日期:2004206211基金项目:江苏省高校自然科学研究计划(03K JB430045)作者简介:张振忠(19642 ),陕西汉中人,博士后,副教授.研究方向:金属纳米与非晶材料.Em ail :njutzhangzz @・今日铸造 Today ’s Foundry ・超细晶超高碳钢研究现状及展望张振忠,赵芳霞(南京工业大学材料科学与工程学院,江苏,南京210009)摘要:超细晶超高碳钢是国外近年来发展起来的一类新型的、并具有重要发展前景的高性能钢铁材料。
在系统总结大量文献资料的基础上,综述国内外近年来超细晶超高碳钢的研究进展,包括制备工艺,微观组织及其影响因素,室温力学性能,超塑性,层状超高碳钢复合材料等,指出今后超细晶超高碳钢研究的发展方向。
关键词:超高碳钢;制备;力学性能;超塑性中图分类号:TG 269 文献标识码:A 文章编号:100028365(2004)1020799204Study Status and Prospect of U ltra 2f ine G rained U ltrahigh 2C arbon SteelsZHAN G Zhen 2zhong ,ZHAO Fang 2xia(College of Material Science &Engineering ,Nanjing University of Technology ,Nanjing 210009,China )Abstract :Ultrahigh 2carbon steels (U HCSs )with the microstructure of ultra 2fine spheroidized carbides distributed in the ultrafine ferrite grains was a new kind of material which was developed in recent years at abroad.These steels posess unique properties that are unavailable in other materials ,which makes them have important potential structural applications in the later.Recent development of the U HCSs ,which include the fabrication techniques ,the influence factors and characteristics of the microstructure ,the ambient mechanical properties ,the superplasticity and the laminated composite of this new material were systematically summarized.In the end ,the future research directions on U HCSs had also been pointed out.K ey w ords :Ultrahighcarbon steels ;Fabrication ;Mechanical properties ;Superplasticity 超高碳钢(U HCS )是指含C 为1.0%～2.1%的过共析钢[1],由于传统方法制备的U HCS 具有极高的脆性[2],该材料的工业化应用在过去一直被人们所忽视。
20世纪70年代中期以来,斯坦福大学O D Sher 2by [3]、美国Lawrence Livemore 国家实验室[3～7]和日本[8]等国学者相继开展了一些研究,当采用适当制备工艺获得超细铁素体基体上分布着超细粒状渗碳体组织后,该材料不仅具有高的超塑性和良好的综合力学性能,而且利用其高温下良好的固态连接特性,还可与自身及其它金属材料(黄铜、铝青铜等)连接制备成新型高性能层状复合材料,具有较好的市场前景。
而国内至今对其研究甚少。
为引起国内同行的重视,本文综述了目前国外超细晶U HCS 的研究现状,提出了今后的研究方向。
1 超细晶超高碳钢的制备工艺从国外近三十年来的研究结果看,U HCS 的超细晶制备工艺分为:形变热处理、普通热处理和粉末冶金3大类。
1.1 形变热处理通过塑性变形与相变相结合实现U HCS 组织细化的一类方法。
由该方法衍生出的各种制备工艺路线见图1～图4。
高温形变热处理工艺[3],由奥氏体(A )均匀化、A +渗碳体(Fe 3C )区的连续形变和铁素体(F )+Fe 3C 区的再等温形变3步组成,最终形成超细F +粒状Fe 3C 组织。
Walser 等[9]利用该工艺,将含1.6%C 钢的F 细化至0.5μm 。
等温形变热处理工艺可采用A 1以上[3]与A 1以下两种形变温度[10]。
古原忠等[14]采用图1(c )工艺在温度为923K ,变形量为90%条件下,使SUJ 2轴承钢的F 和粒状Fe 3C 尺寸分别细化至0.4μm 和0.18μm 。
温加工工艺[3],通过A 均匀化后快速冷却获得马氏体(M )+残余A 组织,然后在923K 高温回火时形变使Fe 3C 粒化,最终得到回火索氏体和F 基体上弥散分布着粒状Fe 3C 组织。
低温形变热处理工艺[11],采用冷轧,其超细化工艺简单,但对设备要求高,难用于含C 在1.5%以上的钢,Seto 等利用该工艺对1.2%C 的钢进行50%冷轧后退火,最终组织的0.5μmF +0.2μm Fe 3C 。
离异共析转变工艺有3种路线[4],即HWW (Hot and Warm Working )+DET (Divorced Eutectoid Transformation )(图2)、・997・Vol.25No.10Oct.2004铸造技术FOUNDR Y TECHNOLO GYHWW +DETWAD Ⅰ(With Associated Deformation )(图3)和HWW +DETWAD Ⅱ(图4)。
HWW +DET工艺中,HWW 的目的是碎断网状Fe 3C 和细化A 晶粒。
DET 则是使含碳不均匀的过冷A 分解转变为各自独立呈球状长大的F 和Fe 3C 。
HWW +DETW AD Ⅰ和HWW +DETWAD Ⅱ与HWW +DET 不同,都需在DET 中的不同温度区间施加连续变形,进一步细化组织。
研究表明,工艺Ⅱ比工艺Ⅰ的组织更为细化。
图1 各种典型的形变热处理工艺曲线Fig.1 Various typical thermomechanical processing routes for thefabrication of ultrafine 2grained U HCSs图2 典型的HWW +DET 工艺曲线Fig.2 Typicalprocessing route of HWW +DET technology图3 典型HWW +DETWAD Ⅰ工艺曲线Fig.3 Typical processing curveof HWW +DET WAD Ⅰtech 2nology1.2 普通热处理近年来国外发展的普通热处理工艺主要有循环淬火(图5)、球化退火+淬火+回火(图6)和淬火十回火(图6中的W.Q 2A.C 部分)3种。
相比而言,第1种工艺最简单,但周期长、温度控制要求高;第2种工艺易使Fe 3C 相球化,适用成分范围更宽;第3种工艺获得图4 典型的HWW +DETWAD Ⅱ工艺曲线Fig.4 Typical processing curve of HWW +DETWAD Ⅱtech 2nology图5 循环淬火工艺曲线Fig.5 Processing curve of thermal cycling quenchingtechnology图6 球化退火+淬火+回火工艺曲线Fig.6 Processing curve of spheroidizing annealing +quenching+tempering technology的组织中F 晶界多为大角度,有利于提高超塑性和室温性能,但材料碳含量不能过高,否则难以碎断网状・008・ FOUNDR Y TECHNOLO GY Vol.25No.10Oct.2004Fe3C。
与形变热处理工艺相比,该类工艺成本低,对材料的成分有一定限制。
1.3 粉末冶金该工艺是将制备出的超细晶U HCS粉末置于热等静压机中,升温至烧结温度后加压,使其致密化至理论密度而获得块体超细晶CHCS的方法。
与其它工艺相比该工艺特别适用于含碳高于2.1%铁基合金的制备,且超塑性高于铸锭法[12]。
但存在生产成本高,模具费用大,对制品的尺寸和形状有限制等问题。
2 超细晶超高碳钢的微观组织及其影响因素典型超细晶U HCS的室温组织[13]是在尺度为0.4～2.0μm等轴状F的晶内、晶界上分布一定体积分数、尺寸为0.2～1.0μm粒状Fe3C。
由于U HCS易在晶界上形成网状Fe3C,因此,晶界上的Fe3C尺度一般略大于晶内。
古原忠等[14]还发现,新相F与母相A 之间具有一定结晶学位向关系,称为K2S关系。
通过后期热处理,可使U HCS获得马氏体、回火马氏体、贝氏体、珠光体等[15]显微组织。
大量研究表明,合金成分、制备工艺[16]均对其微观组织具有较大影响。
含碳低,Fe3C易完全溶解,但F易长大;含碳高,网状Fe3C的碎断及溶解较困难, Fe3C较粗大。
添加Cr可抑制Fe3C粗化[13],添加Al、Si可抑制网状Fe3C形成,也有利于细化组织[9]。
当保温温度超过1273K时[13,15],会形成粗大Fe3C。
保温时间过短或过长均可能造成组织粗大,合适的保温时间应为片状Fe3C刚球化完毕。
形变温度低,有利于组织细化[13],但变形抗力大。
形变量越大,形核质点越多,越有利于组织细化。
3 超细晶超高碳钢的室温力学性能目前对U HCS室温性能研究较多的是拉伸强度和塑性,对疲劳强度、冲击韧度等则研究较少。
研究表明,相同组织条件下,U HCS比共析钢强度和塑性都高[1,13]。
U HCS也比低碳钢、高强钢和双相钢的室温力学性能更优良[16]。
另外,超细晶U HCS还具有很高的硬度,含1.3%C的U HCS经1043K淬火后硬度可达67～68[1]HRC。
这表明,超细晶U HCS不仅可取代目前已在工业中广泛使用的含C为0.5～1.0%的高碳钢,而且在其他高强结构钢的应用场合具有广泛应用前景,从而在耐磨件、工模具、建筑用钢筋、汽车和铁轨等领域发挥重要作用[1,13]。