合金化和球化工艺对超高碳钢组织和性能的影响

珠光体,球化,退火

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第 2 O卷第 4期20 0 8年 4月

钢铁研究学报J u n 1 fIo n te Re e rh o r a r n a d S e1 s ac o

Vo _ O No 4 l2。 .Apr12 i 008

合金化和球化工艺对超高碳钢组织和性能的影响孙中华，曹晓明，马晓莉，彭会芬 (北工业大学材料学院，津 303)河天 0 1 0

摘

要：究了合金化和球化工艺对超高碳钢组织和性能的影响。用扫描电子显微镜、射电子显微镜和能谱仪研透

观察了钢的组织形貌和元素分布。结果表明：在碳和铬含量相同的超高碳钢中加入同量的合金元素铝和硅时，铝可明显抑制锻造组织中网状或粗大的颗粒状碳化物的析出、化珠光体组织和控制石墨形成。UH S2 1S和细 C -.3 iuHc . 1钢经 80℃×3h球化退火处理后，能得到较好的球化组织，力学性能分别为： HC -. 3 i, 2 6 Al 5 都其 U S2 1S钢R= 10 3M P,:7 4MPa A一 1 . ; 3 a R 3 , 4 9 UHC 2 6 A1, . 1钢 R一9 3M P,一 6 7MPaA一 1 . 。 7 a R 7 , 82

关键词：高碳钢；金元素；化工艺；光体；墨超合球珠石中图分类号： TG1 2 1 4 .文献标识码： A文章编号： 0 10 6 ( 0 8 0— 0 80 1 0— 9 3 2 0 ) 40 3 - 5

I l e e o l y n n p r i i a i n Pr c s n nfu nc fAlo i g a d S he 0 d z t0 o e s o

M ir sr c u ea d M e h nia o r iso c o t u t r n c a c lPr pe te fUHCSS N h n— u, CAO a— n M A a—i PE U Z o g h a Xio mi g, Xi o l, NG u— e H i n f( l g fM aeil S in ea dTeh oo y,He e U nv riyo c n lg Col eo tras ce c n c n lg e b i iest fTeh oo y,Tini 0 1 0 h n ) a j 3 0 3,C ia n

Ab t a t The i l n eofal i g an phe odia i oc s ir t

u t r nd m e ha c lpr e te fU H— sr c: nfue c l oy n d s r i z ton pr e son m c os r c u ea c nia op ri so

C si v s i a e .Th c o tu t r so s r e y s a n n lc r n mi o c p S S i n e t t d g e mir s r c u ei b e v d b c n i g ee to c s o e( EM)a d ta s s in ee to r n rn miso lcr n mi o c p TE )a d a lyn lme t ds r u in i o t i e y e e g p c r m n l ss ( S ) Th e u t c s o e( M r n l ig ee n i ti t s b an d b n r y s e t u a a y i E A . o b o e r s lss w h tf ge nd s ho t a or d a phe o dz d s r c ur s a e ha c lp o ri sofU H CS lusr t or stv fe t r i ie t u t e nd m c nia r pe te i t a e a m e po ii e e f c l

o n i i n h r c p t t n o e wo k o o re p ril a b d s h n i g p a l e c l n n o t o l g t e n i h b t g t e p e i iai f n t r rc a s a t e c r i e,t i n n e ri o o y a d c n r l n h i o c t if m a i r p t he h a e C nd Cr c or ton ofg a hie w n t e s m a ont n, a 1a al y n ee e t a e a de O U H CS n e t nd A nd Si lo i g lm n s r d d t i w hih A1h s be t ra ton t n Si Bo h U H CS 2. A1a H CS- .1 Sis e l a bti o p e od z d s r t c a te c i ha . t - 61 nd U 2 3 tes c n o an g od s h r iie tu— t e y t a ra m e ta 5℃ f r3 h Theo to eofm e h nc lp o e te h urs b hehe tte t n t8 0 o

. u c m c a ia r p riss ows t a 一 1 03 Pa,R一 h tR 3M

7 4 M Pa A一 1 . 3, 49

f rU HC - . 3 i n o S 2 1 S d R一 9 3 M Pa 6 7 M P A一 1 . a 7,R一 7 a, 82

f rUH C - . 1 . o S 2 6 A1

Ke y wor s: ta hi a b t e; lo ng e e e; phe oiia i r c s; e rie; a ie d ulr- gh c r on s e l a lyi l m nt s r dz ton p o e s p a lt gr ph t

超高碳钢因碳含量较高[ ( C)一 1 2~ .

温状态下具有很高的强度和塑性

。

21] .在常规轧制或锻造过程中容易使碳化物以网状形式析出，大降低了其韧性和塑性，使其在工大致业上基本无法使用【。采用热机械加工法口]粉末 1] 、

最初，高碳钢中加入合金元素镍和钒 _]要超 1主。是为了细化奥氏体晶粒，望材料能展现良好的高希温超塑性能。但这 2种合金元素会降低碳化物的稳

冶金法、]喷射成型法]同时向钢中添加一定量，的合金元素，阻止粗大碳化物网在奥氏体晶界处可析出。锻造组织经球化退火]淬火加回火 o和、]循环热处理_ 1方法可得到铁素体基体上分布着 等均匀细小的球状碳化物颗粒组织，超高碳钢在室使

定性，进石墨形成。为了提高碳化物的稳定性，促又在超高碳钢中加入合金元素铬n并使用至今。此 ,后，和硅等元素也相继被添加到超高碳钢中[,]铝 11。 56

结果发现铝和硅不仅可以细化晶粒，定铁素体基稳体，提高相变温度，能够提高超高碳钢的超塑还

基金项目：家自然科学基金和上海宝钢集团公司钢铁研究联合基金资助项目( . 0 7 0 9;北省自然科学基金资助项目( . 0 0 3国 No 5 4 4 8 )河 No 5 0 2 )

作者简介：中华 ( 9 2)男，士生；孙 18,硕

Emalwe ze 2 8 yh o cr.n— i: nh 8 2@ ao . or c; 1

修订日期：0 7i—8 20 02

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孙中华等：金

化和球化工艺对超高碳钢组织和性能的影响合

性I】

。但是，由于它们都是石墨化元素，量的过

表 1超高碳钢的化学成分和锻造性能Ta e 1 Che i a o po iin nd f I e r p r iso bl m c lc m sto a 01 d p o e te f g UHCS u e n t s e s d i hi xpe i e rm nt

加人会促进石墨形成 I 2由于铝在这方面的作用 。比硅弱，及 UHC Al所具有的细化组织，制以 钢抑

碳化物析出的能力和高温超塑性都是 UHC - i SS钢

所无法比拟的，因此，究者们更关注合金元素铝。研 关于铝和硅对超高碳钢组织和性能影响已有许多报道 I】 。,且多数报道主要集中在细化。而S 4 1 X一—0型箱式电阻炉中对实验用钢进行 8 0℃× 5

组织，抑制碳化物析出，高室温力学性能和高温超提塑性方面，很少有人关注钢中石墨对其组织和性能的影响。为此，本实验以铝、硅合金化的超高碳钢作为研究对象，用热轧方法、化处理工艺对比了有利球和无石墨相析出的超高碳钢组织及性能的异同之处，以便确定合金化超高碳钢中析出的石墨相对材

3h球化处理，后加工成 8mi的拉伸试棒。用 然 l lS _5 5型材料实验机测试材料的力学性能， Hr 4 0 r加载速度为 10 0N/。 0 s

料组织和性能的影响。

2实验结果和讨论 2 1硅对锻造组织的影响 . UHC . 3 i的锻造组织示于图 1 a。可 2 1 S钢 ()

1实验材料和方法 用 Z一 5型中频真空感应电弧炉熔炼超高碳钢 G2并浇注成 8~ l0mix2 0mm铸锭。在 110℃ 0 l n 5 0

见，织中没有析出粗大的网状碳化物，而代之的组取是一些球状 (、条状 ( ) A)长 B和块状 ( ) C的二次碳化

将铸锭锻成 2 5mm试棒。分析和测试试棒的组织和力学性能。超高碳钢的化学成分 (量分数 )质见表 1。机械研磨抛光后的试样在 5的硝酸酒精溶液

物颗粒沿奥氏体晶界分布。这说明合金元素硅不能有效地

阻止碳化物的析出。K. u a i妇的研究结 Ts zkI】

果也证实了硅对抑制碳化物析出的作用较弱。同时， UHC -. 3 i锻造组织中除有大量的碳化物 S2 1S钢

中腐蚀后， P ip L 3 O TMP型扫描电子显微用 hl s一O/ i X

在奥氏体晶界析出外，还有部分暗黑色区域 (也 D)沿奥氏体晶界析出。奥氏体晶界内部基本是细小的片状珠光体，间距约 0 2 m。片 .5

镜 ( E观察其显微组织，用 E S M)并 DAX型能谱仪分析 UHC -. 3 i中合金元素分布情况。用线切 S2 1 S钢割机将试样切成 1×0 2 mm的薄片，械减薄至 5 .机 3 m时， 0再用 Gaa d l 9 tnMo e 6 1型离子双喷减薄到 所需厚度后截割成一定尺寸的试样， P ip在 hl s i

用能谱仪分析了图 1 a中暗黑色区域的元素 ()分布，果示于[ 1 b]结图 ( )。扫描沿图中黑线进行，可见暗黑色区域部位的碳含量明显高于基体，铁含量则低于基体，是铝和铬含量没有明显的变化。这说明但暗黑色区域为石墨。在金相显微镜下观察未经腐蚀的试样可见，墨形态以细长片状为主[ 1 c]与石图 (),灰铸铁中的片状石墨形态十分相似。上述结果说

T C E NAI 2 0型透射电子显微镜 ( E下观察其 F T M)组织，速电压 2 0k 加 0 V。

观察石墨形态的试样经机械研磨抛光后不腐

蚀，接用 OL直 MYP -型金相显微镜观察。在 USBH

一

FeC s i

—

—

图 1 U S 2 1 S钢的锻造组织 ( )石墨形态 ( ) ( ) HC - . 3 i a和 b、cF g 1 F r e co tu tr a n r p iemo p oo y( ) c fUHCS2 1 S i. o gd mir sr cu e( )a d g a h t r h lg b,( )o -.3 i

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明，当超高碳钢中加入大量硅时，易促使碳以石墨形

从整体锻造过程来看，于没有连续网状或粗由大的颗粒状碳化物及石墨析出， UHC一. 1钢呈 S2 6 Al

态析出。硅促进石墨形成是通过提高钢中碳的活度来完成的

,即在某一温度下，活度超过 1 0后，碳 .碳就很容易以石墨的形式析出l _ 2。同样，鲫(一在 c)1 2, S) ., C ) . 9的喷射成形 . 8 w( i一3 0 w( r一1 4超高碳钢中也出现了此现象，通过计算钢中的碳并活度证明了石墨存在的可行性 l _ 2。由于片状石墨对基体有很强的割裂作用，外在力作用下，些片状石墨被视为潜在的裂纹源，容这很易引起材料开裂。如 UHc . 3 i一经锻造即 2 1 S钢开裂，这充分说明了片状石墨存在的危害性。 2 2铝对锻造组织的影响 .图 2 a示出了 UHc一. 1钢的锻造组织。 () S2 6 Al 可以看出， UHc一 . 1钢的锻造组织与 UHc S2 6 Al 2 1 S钢有明显差异。UHc一. 1钢的锻造组 .3i S2 6 Al织几乎全由片状珠光体组成，仅在部分奥氏体晶界

现出极佳的锻造性能，且锻后钢棒的表面质量较而好，有开裂。没

因此，在碳和铬含量相同的超高碳钢中加入含量相近的铝、时，可显著抑制锻造组织中网状或硅铝

粗大的颗粒状碳化物的析出，细化珠光体组织和控制石墨的形成。硅在这几方面的作用效果明显不如铝。2 3球化退火组织 .

图 3为 2种超高碳钢经 8 0。 5 C×3h球化退火 后的组织。可见，然 UHC一. 3 i中的片状珠虽 S2 1 S钢

光体几乎已完全球化，成球化效果较好的碳化物形颗粒 (.~2 0 m)但是仍可见一些尺寸较大， 0 5 .,甚至未完全断开的碳化物颗粒[ 3 a]图 ( )。同时，观还

察到有疑似石墨的暗黑色区域[ 3 a中箭头处]图 ()。金相观察未经腐蚀的试样可知： UHC -. 3 i中原 S2 1 S钢粗大的厚片状石墨经球化退火处理后，成了许多尺形

上析出一层很薄的碳化物 (,且没有石墨析出 G)而的痕迹，但是片状珠光体形态已有所变化，别是珠特

寸较小 ( 1 m)< 0的和一些均匀分散析出的尺寸更小(几微米以下 )的石墨颗粒[ 3 c]图 ()。这是因为在球化退火过程中，增大了碳原子的扩散系数，使碳原子在钢中充分扩散。碳原子的扩散一方面促使原珠光

光体片间距很不均匀，某些区域 (珠光体片间在 N)距很小，在某些区域 (珠光体片间距又很粗大。 M) 实际上这些粗大的片状珠光体是由很细小的片状珠

光体组成的l _ 1引。用 T M进一步观察[ 2 b] E图 ( )得体中的片状碳化物和晶界处粗大的颗粒状碳化物溶知，光体平均片间距约 0 0 2 m,渗碳体片厚断，珠 . 7而形成球化效果较好的碳化物颗粒；一方面，另也度约为 0 0 6 . 1 m。此外，同珠光体团之间似乎没不

促使粗大的片状石墨形成许多小尺寸的石墨颗粒。 从 uHC Al的球化组织[ 3 b]钢图 ( )可见，片状碳化物已完全球化，细小的碳化物颗粒均匀地分布

有清晰的界面[ 2 a] T M观察可知，图 (), E邻近的珠光体团之间保持了平整的界面，面两侧的珠光体界团也保持了很好的位向关系。这种位向关系的形成

在铁素体基体上。由于碳化物数量很多，出现了重叠现象，难辨别它们的微观分布状态。T M观察很 E[ 3 d]图 ( )发现，这些球化碳化物 ( 1 m)匀分散< 均在铁素体基体上。在一些看似较大尺寸的碳化物之

原因以及其对材料性能的影响还有待进一步研究。由于锻造过程中受到很大的外力作用，别先共析个

碳化物片出现了断裂和变形痕迹。

图 2 U C _ l的锻造组织 ( )珠光体形态 ( ) H sA钢 a和 bF g 2 Fog dmir sr cu e( )a d p al emop oo y( )o i. re cotu tr a n e ri r h lg b fUHC - I t S A

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·4 1·

()UHC -i; ( )UHC—钢； ()UHC—i中的石墨； ( )UHC -钢的 TE照片 a SS钢 b SA1 c SS钢 d SA1 M

图 3超高碳钢经 8 0℃ X 3h球化退火后的组织 5 F g 3 S h r i ie t u t r so l a h g a b n se l r a e t8 0℃ f r3 h i. p e o d z d sr c u e f ut - i h c r o te e td a 5 r t o

间存在尺

寸更小 ( O 3“的球状碳化物颗粒。这< . m)主要是因为 UHC一. 1钢的锻造组织中没有粗 S 2 6 A1大的碳化物网或颗粒在晶界处析出，化温度及时球

间可以保证碳原子的充分扩散，珠光体中细小的使片状碳化物能够完全溶断并充分球化的结果。矗

2 4球化退火组织的力学性能 .

图 4出了超高碳钢经 8 0℃×3h化退火组示 5球织的应力一变曲线。经测定，应 UHC -.3 i的力 S2 1S钢学性能为 R一10 3MP,一7 4MP, 3 aR。 3 aA一1.; 49 UHC . 1钢的力学性能为 R一9 3 MP, 2 6 A1 7 aR一 6 7MP￣ 7 aA:1 .。可以看出， 82经球化退火后， 2种钢在具有高强度的同时均呈现出较好的室温塑性。 这主要是因为钢中的非碳化物形成元素铝和硅溶入了基体，到了显著的固溶强化作用，够增加基体起能

倒

图 4超高碳钢经 8 0℃×3h球化退火后 5 组织的应力一变曲线应Fi.4 S r s— t an c r E ta h g a b te fe g t ess r i u V Sofulr - i h c r on se la t r

的强度；一方面，另趋于完全球化的碳化物颗粒分布

s h r i i i g a n a t 5℃ f r3 h p e o d zn n e la 0 8 o

在基体上，提高钢的塑性也起到了积极的作用。对根据 Hal ec l P th公式 L — 2:R 3 0 L) 1+ 4 0 1一 1 ( -/ 2 6 D_

实际情况并不是这样。O. S eb D. h r y等的研究显

示，通过细化可使抗拉强度超过 12 0MP,塑性 0 a但会下降到 1以下 r 0 1引。即单纯依靠细化组织并不能同时得到高强度和高塑性。从图 3和图 4可知，UHC一. 1钢中的碳化物尺寸比 UHC . 3 i S2 6 Al 2 1 S

式中， 屈服强度；为晶粒直径；为碳化物颗 R为 D L粒间距。

由上式可看出，晶粒越细小，化物颗粒间距越碳

小，屈服强度就越高，伸强度也随之提高。但是，拉

钢细小。但是，者在获得较高塑性的同时强度却前

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得不到提高；者在强度略高的同时，后塑性却低于前者。特别是， UHC -. 3 i球化组织中细小的石 S21 S钢

¨] J .Ma e c E g A, 0 4 3 3 4 . trS i n 2 0, 8: 5

[]林一坚，光敏，史海生，等 .一种具有优化组织和优异性能 6罗

墨颗粒不但没有降低其强度和塑性，且在保证较而高强度的同时还具有很好的塑性，是很难得的。这 依据传统观点，中石墨属于脆性相，钢石墨既能够降低钢的强度，可降低其塑性。但是，际研究结果也实却有悖于此观点。笔者认为，果将超高碳钢中析如出的石墨破碎成细小的颗粒状，会对钢的强度和不塑性产生不良影响。如果将石墨颗粒视作“滑润剂”那么分布于基体上的这些细小的石墨颗粒在拉，伸过程中将减小位错和晶界运动阻力，助于提高有材料的延伸变形。但有关石墨颗粒减小对钢的强度

的超高碳钢 E3 J .钢铁。0 5 4 (1:7 2 0,0 1 ) 5 .[]王宝奇，彭会芬，宋晓艳， .锻造超高碳钢的球化工艺与力 7等学性能[] J.材料热处理学报，0 4 2 () 2 . 2 0,5 1:71 3 W a gB Q,S n P n .D s n o p e0dz t n - 8 n o g X Y, e g H F e i f S h r ii i g a a0

P o esn o t hg ab nSel C nann [] rcsigfr r ihC ro te o tiigAI J.Ma Ula s—t rD e i n, 0 7, 8: 6 . e sg 2 0 2 5 2

[]朱杰武，许 9

雁，葛利玲，等.1 4 C超高碳钢显微组织与疲 .

劳性能的研究[] J .材料热处理学报，04 2 () 3 . 2 0, 53:0

[ 0张占领，永宁，杰武， .超细晶 1 7 C超高碳钢的组织 1]柳朱等 .3和性能 l] J.材料研究学报，0 6 2 ( ) 4 7 2 0,0 4:0 . [ 1 Tszk S t F r t,e a.F r t no n (+ 1] ua i K, aoE, ui oS t 1 omai f mo o a口口 Mi r d p e r c u e W iho tTh r m e

h n e l o ) c o u l x St u t r t u e mo e a i a Pr—

和塑性的影响还有待于进一步研究。

esigi S p rl t ta ihCab nSel J.S r t es n u epa iUl hg ro te n sc r s[] ei a pM a e, 9 9, 0( ) 6 . t r 1 9 4 6: 75

3结论 ( )在碳和铬含量相同的超高碳钢中加入含量 1

[2 Pn 1] e gH F,S n o gx Y,G oA G,e a.Mi o tutr n a t1 c sr cuead rM e h n c l o e te ft e A I c a ia Pr p ri s o h — d d U lr h g r o Ad e t a i h Ca b n

S e l J .Mae e t 2 0, 9 3 3 . te L] t rL t, 0 5 5: 3 0

相近的合金元素铝和硅时，能显著抑制锻造组织铝中网状或粗大颗粒状碳化物的析出，化珠光体组细织和控制石墨形成。( ) 8 0 C×3 h球化退火后， 2经 5 UHC _. 3 i S2 1 S和 UHC一. 1钢中都能获得细小的球化碳化物 S2 6 A1

[ 3 W a s o t, hr yO D nle c f ih l n ndu 1] d w rhJ S eb .If neo ee a dVa aim u N o u epat i ta ihC ro tes[] e nS prlsit i Ul hg— ab nS el J .JMeh ey n rW o k Te h, 9 8, 5 . r e 1 7 2: 3

[ 4 W a s r , hryO D.If e c f ho u o u e- 1] dwot J S eb h nl neo rmim nS pr u C pat i tahg ab nSe l J .JMae c,9 8 l i t i Ul—ihC ro tes[] tr i1 7, s cyn r S1 2 4 . 3: 6 5

颗粒分布在铁素体基体上的组织。 () 3 2种超高碳钢的力学性能为： UHC . 3 i 2 1 S钢， R= 1 0 3= 3 MPa R=,一 7 4 M P,一 1 . ; 3 aA 49

[ 5 L se S nC K, ie b re D, t 1 1] eu r R, y Wht n egr e .Mirsrc D t J a co tu-t r - o e

t l to s i— t u e t a i h Ca b n u e Pr p r y Rea i n n As Ex r d d Ulr h g r o

S e l j .M eal t r a s 1 9, o 1 5 . tes[] tl Mae n, 9 9 3 A: 5 9 Tr

UHC一. 1钢， 7 aR一6 7MP, S2 6 Al R一93M, 7 aA一1 .2。 8

[ 6 S eb D, m D W, a e 1 ta ihC r o 1] h ryO Ku Oy maT, t .Ul hg ab n a r S elC nann u n m[] tes o tiigAlmiu P .UntdSae ae t i ttsP tn: e4 9 4, 9 8 76 21 1 8 .

() 4 UHC一. 1钢具有良好的锻造性能； S2 6 A1 UHC一. 3 i中由于有石墨和粗大的碳化物颗 S21S钢

[ 7 Ora 1] h nN,Kut .T eEfc f mal r B h f t lAmo nso n i e oS u t f adS AIo h p r ls iiy Be a i r o n t e Su e p a tct h vo fa Hy 0 u e t i g r p e t c 0 d Hi h Ca -

粒析出，因而致使其锻造性能下降。参考文献：[] Ho 1 weH M.Th tl ryo te[] n d eMeal g f el M .2 de.Ne u S wYo k:TheSce tf b i h n m p n, 89 . r i n i c Pu l i g Co i s a y 1 1

b nS el J .JMae rcT en,0 3 1 6 1 4 o te[] trP o eh o 2 0,3:7 .[ 8 Ku D W.Thr meh ncl rcsiga dMeh nc l 1] m emo c aia P oesn n ca ia P o et so p rueti Sel adC s I n A] D R rpri f e Hy ee tc0d tes n at r s[ . oLe u r s e,C Sy K n,O S e b D h r y,e s Th n r l,M e as d. e Mi e as t l

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S el E] tes P .UntdSae ae t 4 8 1,9 4 i ttsP tn:4 4 6 3 1 8 . e E] O a S eb D, a s r, t 1 3 y maT, h ryO W dwot J e .Ap laino e h a pi t fh c o tDi o c d Eu e t i a s o ma i n t h v l m e to n— v r e t e od Tr n f r t o t e De eop n fFi e o Gr i d,Sp e odie t u t r s i lr hi h Ca b n S e l ane h r i z d S r c u e n U t a g r o t es

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