專利名稱：一種非調(diào)質(zhì)超高碳鋼及其生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超高碳鋼，尤其涉及一種非調(diào)質(zhì)超高碳鋼及其生產(chǎn)工藝。
背景技術(shù)：
鋼鐵作為最重要的結(jié)構(gòu)材料，一直在向更高強度水平的方向發(fā)展。調(diào)質(zhì)處理是大家熟知的提高鋼鐵強度的有效工藝手段。但是調(diào)質(zhì)處理也有其嚴重的局限性設(shè)備和能源的消耗增加了生產(chǎn)成本和環(huán)境污染；淬火過程中容易發(fā)生的變形或開裂增加了廢品率；對材料淬透性的依賴容易造成產(chǎn)品里外性能不一致等問題，使工件尺寸受到限制。因此，開發(fā)非調(diào)質(zhì)鋼成為鋼鐵行業(yè)一個十分重要的發(fā)展方向。目前，市場上應(yīng)用廣泛的鐵素體-珠光體型非調(diào)質(zhì)鋼，其強度水平(抗張強度)上限在1000MPa。進一步提高強度而又保持結(jié)構(gòu)材料所必需的韌塑性是發(fā)展非調(diào)質(zhì)鋼所面臨的嚴峻課題。
碳是鋼鐵材料最重要而又廉價的強化元素。但是，碳含量的增加會影響韌塑性，按傳統(tǒng)的觀念，碳含量增加到1％以上會使韌塑性降低到結(jié)構(gòu)材料無法使用的程度。現(xiàn)有市場上非調(diào)質(zhì)鋼的碳含量都在0.5％以下。超高碳鋼(含碳量1～2.1wt％)被長期排除在實用工程材料之外。但是，以Sherby為代表的一批美國冶金學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)，如果使組織充分細化及均勻化，超高碳鋼不僅可以具有高強度，也能具有一定韌塑性相配合，并且還可具有超塑性，從而有希望開發(fā)出新型的優(yōu)質(zhì)非調(diào)質(zhì)鋼。
然而，在傳統(tǒng)工藝下，實現(xiàn)超高碳鋼的組織細化與均勻化是非常困難的。由于碳含量很高，在常規(guī)鑄造工藝的凝固過程中很難避免碳的偏析以及粗大碳化物的形成；同時由于碳含量遠超過共析成分，在常規(guī)熱加工成形工藝中很難避免奧氏體晶界析出粗大碳化物網(wǎng)絡(luò)。這些都會造成材料的致命脆性。為了克服這個困難，Sherby提出了一系列相當復(fù)雜的工藝路線，并獲得一批專利，其中最重要和最有代表性的專利有
—美國專利3951697，(1976)；—美國專利4448613，(1984)；—美國專利4533390，(1985)；—美國專利4769214，(1988)；—美國專利5445685，(1995)。
總體來說，這些專利所描述的方法，都包括兩個工藝過程。第一，通過多道次高溫?zé)峒庸は执筇蓟锊⑶冶苊饩Ы缣蓟锞W(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)；第二，通過各種方法的熱處理或溫加工或兩者的結(jié)合使碳化物以細小顆粒形式均勻彌散分布于基體。這樣復(fù)雜的工藝過程難以利用現(xiàn)有的生產(chǎn)手段來實現(xiàn)。
從20世紀90年代后期開始，Sherby一直在尋求適合實際生產(chǎn)非調(diào)質(zhì)的超高碳鋼制備方法，其最近的工作提出采用熱擠壓工藝路線(公開發(fā)表于《Metallurgical And Materials Transaction》，Vol.30A，1999，p1559.)，具體如下—真空鑄錠；—進行兩步高溫-中溫鍛造第一步起鍛1100℃，終鍛900℃；第二步起鍛900℃，終鍛700℃；—在900℃或1025℃或1150℃下進行熱擠壓。
該工藝不僅線路長而且復(fù)雜，高中溫鍛造就需兩步，同時還需大噸位的熱擠壓，可謂是高能耗，高成本的工藝。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有狀況，為改變高能耗，高成本的現(xiàn)象，本發(fā)明的目的在于提供一種具有高強度、高韌性非調(diào)質(zhì)超高碳鋼。
及其提供一種具有工藝簡單，而且能源消耗低和制備成本低的生產(chǎn)工藝。
一種非調(diào)質(zhì)超高碳鋼的特點為(1)合金成分為C 1.0～1.8；Si 0.5～3.5；
Cr 0.5～2.0；Mn 0.2～0.7；余Fe；以上為重量百分比；(2)用噴射成形工藝獲得坯料將步驟(1)中的合金成分作為原料，采用噴射成形工藝獲得坯料；(3)對噴射成形坯料進行等溫鍛造。
其中優(yōu)選合金成分為C 1.2～1.5；Si 2～3；Cr 1～2；Mn 0.2～0.7；余Fe；以上為重量百分比；其中等溫鍛造溫度790℃～910℃；優(yōu)選等溫鍛造溫度820℃～850℃等溫鍛造速率1×10-4/s～1×10-2/s；鍛造變形量50％～80％。
一種非調(diào)質(zhì)超高碳鋼的生產(chǎn)工藝的特點為(1)合金成分為C: 1.0～1.8；Si 0.5～3.5；Cr 0.5～2.0；Mn 0.2～0.7；余Fe；以上為重量百分比；(2)用噴射成形工藝獲得坯料將步驟(1)中的合金成分作為原料，采用噴射成形工藝獲得坯料；
(3)對噴射成形坯料進行等溫鍛造。
其中優(yōu)選的合金成分為C 1.2～1.5；Si 2～3；Cr 1～2；Mn 0.2～0.7；余Fe；以上為重量百分比；其中等溫鍛造溫度790℃～910℃；優(yōu)選的等溫鍛造溫度820℃～850℃等溫鍛造速率1×10-4/s～1×10-2/s；鍛造變形量50％～80％。
其中步驟(3)中所述的等溫鍛造是在鍛造前坯料在預(yù)熱爐內(nèi)在所定溫度下保溫一定時間，根據(jù)坯料尺寸以每毫米厚2分鐘來確定保溫時間。
其中噴射成形工藝，本申請人已申請專利，專利申請?zhí)?1126952.9.噴射成形工藝的過程將母合金料放入感應(yīng)爐內(nèi)加熱，使之熔化，在高于熔點150～250℃溫度下保持一段時間；使熔體的溫度和成分達到均勻。然后用高壓氮氣向熔體噴射，使之霧化成細小液滴，飛行并沉積在收集基板上，完成凝固并形成塊體。
噴射成形所獲的基材無須任何處理即具有高溫超塑性。延伸率(％)的具體數(shù)據(jù)如表1
表1

由上述特性，該坯料可以實現(xiàn)一道次大變形量等溫鍛造，溫度范圍可為790℃～910℃等溫鍛造溫度優(yōu)選為820℃～850℃，鍛造前坯料在預(yù)熱爐內(nèi)在所定溫度下保溫一定時間，根據(jù)坯料尺寸以每毫米厚2分鐘來確定保溫時間，然后進行鍛造，鍛造過程中保持所定溫度不變。如需制取形狀特異的制品，則應(yīng)放入預(yù)先制備的模具內(nèi)鍛造。
等溫鍛造速率1×10-4/s～1×10-2/s。速率高則要求施加高的壓力，需要噸位較大的設(shè)備；速率低則會延長鍛造時間。應(yīng)在30分鐘內(nèi)完成鍛造。
鍛造變形量50％～80％。如為了制取形狀特異的制品，變形量可高達95％。
注意以上變形量為一道次獲得。
鍛造后空冷到室溫。
本發(fā)明的非調(diào)質(zhì)超高碳鋼與現(xiàn)有鋼鐵材料的相比使用本發(fā)明的合金成分和工藝路線所得的非調(diào)質(zhì)超高碳鋼，不經(jīng)任何熱處理或機械處理，即可達到以下室溫力學(xué)性能屈服強度850MPa以上；抗張強度1150MPa以上；延伸率～10％；沖擊韌性(無缺口試樣)是正火態(tài)GCr15軸承鋼(同為珠光體組織)的2.5倍以上。
而現(xiàn)有鋼鐵結(jié)構(gòu)材料情況碳素鋼抗張強度最高達～600MPa；低合金鋼抗張強度最高達～800MPa；本發(fā)明所獲得的非調(diào)質(zhì)鋼在強度上超過市場上的高檔非調(diào)質(zhì)鋼，并且仍具有相當好的延性和韌性。
由于本發(fā)明的工藝方法(1)成分上起強化作用的主要是依靠增加碳含量，即增加強化相-碳化物的體積比，這是一種廉價的強化方法。而現(xiàn)有市場上非調(diào)質(zhì)鋼的碳含量都在0.5％以下。
(2)工藝路線上采用噴射成形+等溫鍛造的獨特方法。噴射成形獲得均勻細化、無明顯碳化物網(wǎng)絡(luò)、等軸狀的組織。這種組織不僅避免了超高碳鋼在常規(guī)鑄造工藝下難以避免的碳的嚴重偏析以及粗大碳化物的形成，而且被發(fā)現(xiàn)具有高溫超塑性。利用這種超塑性，實現(xiàn)一道次大變形量等溫鍛造。這種大變形量等溫鍛造不僅使組織進一步細化，而且使之高度致密化，從而在獲得高強度的同時，具有好的韌塑性。


圖1為噴射成形超高碳鋼坯件組織金相照片。
圖2為噴射成形超高碳鋼坯件組織掃描電鏡照片。
圖3為本發(fā)明的等溫鍛造后材料組織金相照片。
圖4為本發(fā)明的等溫鍛造后材料組織掃描電鏡照片。
具體實施例方式
如圖1和圖2所示，噴射成形坯件的顯微組織無碳化物網(wǎng)絡(luò)，呈均勻細密的珠光體組織。
如圖3和圖4所示，本發(fā)明的等溫鍛造后材料的顯微組織圖3金相照片表明，組織非常均勻細密，其細密程度明顯優(yōu)于噴射態(tài)坯件。
圖4掃描電鏡照片中的珠光體團是等溫鍛造過程中形成的奧氏體在空冷時轉(zhuǎn)變而成的(因為鍛壓是在略高于A1區(qū)的溫度范圍內(nèi)即奧氏體+滲碳體兩相區(qū)進行的)，珠光體團的尺寸僅1～2微米，反映了原奧氏體晶粒的尺寸十分細小。0.5微米左右的碳化物顆粒勾畫出原奧氏體晶界的輪廓，反映了碳化物顆粒釘扎晶界，阻礙晶粒長大的情況。實施例1(1)合金成分(化學(xué)分析結(jié)果)1.22C-2.98Si-0.66Mn-1.47Cr-余Fe(wt％)(2)噴射成形工藝噴射成形工藝的具體參數(shù)將母合金料放入坩堝內(nèi)熔化，熔液的過熱度為150℃左右；導(dǎo)液管的內(nèi)徑為φ4mm；霧化氣體(氮氣)的壓力為2.2MPa，霧化器至基板間距離為360mm，基板旋轉(zhuǎn)速度為10rpm；氣體/熔液流量比(G/M)約為0.30M3/kg。
(3)等溫鍛造。
坯件在加熱到850℃的爐內(nèi)保溫30分鐘后取出；然后放入已達850℃熱平衡的等溫鍛造壓機中的平板模具里；在重新達到熱平衡后(約2分鐘)進行等溫鍛壓，施加壓力80噸，在整個等溫鍛壓過程中保持不變；起始壓力為每平方厘米185MPa(根據(jù)坯件受力面積計算)，起始壓下的應(yīng)變速率為6～8×10-3/S。隨著變形量增大，受力面積增加，壓強減少，速率變慢。在15分鐘內(nèi)由23mm壓到7mm?？傋冃瘟繛?0％。停止鍛壓。取出空冷。實施例2(1)合金成分(化學(xué)分析結(jié)果)1.44C-2.08Si-0.52Mn-1.59Cr-余Fe(wt％)(2)噴射成形工藝噴射成形工藝的具體參數(shù)同實施例1(3)等溫鍛造坯件在加熱到870℃的爐內(nèi)保溫30分鐘后取出；然后放入已達870℃熱平衡的等溫鍛造壓機中的平板模具里；在重新達到熱平衡后(約2分鐘)進行等溫鍛壓，施加壓力80噸，在整個等溫鍛壓過程中保持不變；起始壓力為每平方厘米200MPa(根據(jù)坯件受力面積計算)，起始壓下的應(yīng)變速率為6～8×10-3/S。隨著變形量增大，受力面積增加，壓強減少，速率變慢。在15分鐘內(nèi)由24mm壓到7mm?？傋冃瘟繛?1％。停止鍛壓。取出空冷。實施例3(1)合金成分(化學(xué)分析結(jié)果)1.50C-2.01Si-0.51Mn-1.44Cr-余Fe(wt％)(2)噴射成形具體工藝同實施例1。
(3)等溫鍛造坯件在加熱到830℃的爐內(nèi)保溫30分鐘后取出；然后放入已達830℃熱平衡的等溫鍛造壓機中的平板模具里；在重新達到熱平衡后(約2分鐘)進行等溫鍛壓，施加壓力96噸，在整個等溫鍛壓過程中保持不變；起始壓力為每平方厘米210MPa(根據(jù)坯件受力面積計算)，起始壓下的應(yīng)變速率為6～8×10-3/S。隨著變形量增大，受力面積增加，壓強減少，速率變慢。在15分鐘內(nèi)由23mm壓到7mm?？傋冃瘟繛?9％。停止鍛壓。取出空冷。
上述實施例生產(chǎn)的非調(diào)質(zhì)超高碳鋼的性能指標與非調(diào)質(zhì)超高碳鋼現(xiàn)有的高檔非調(diào)質(zhì)鋼及Sherby鋼相比，如表2所示。
表2

權(quán)利要求
1.一種非調(diào)質(zhì)超高碳鋼，其特征在于，(1)合金成分為C 1.0～1.8；Si0.5～3.5；Cr0.5～2.0；Mn0.2～0.7；余Fe；以上為重量百分比；(2)用噴射成形工藝獲得坯料將步驟(1)中的合金成分作為原料，采用噴射成形工藝獲得坯料；(3)對噴射成形坯料進行等溫鍛造。
2.如權(quán)利要求1所述的非調(diào)質(zhì)超高碳鋼，其特征在于，其中(1)中的合金成分為C 1.2～1.5；Si2～3；Cr1～2；Mn0.2～0.7；余Fe；以上為重量百分比。
3.如權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)超高碳鋼，其特征在于，其中(3)中所述的等溫鍛造為等溫鍛造溫度790℃～910℃；等溫鍛造速率1×10-4/s～1×10-2/s；鍛造變形量50％～80％。
4.如權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)超高碳鋼，其特征在于，其中(3)中所述的等溫鍛造為等溫鍛造溫度820℃～850℃。
5.一種非調(diào)質(zhì)超高碳鋼的生產(chǎn)工藝，其特征在于，包含如下步驟(1)合金成分為C 1.0～1.8；Si 0.5～3.5；Cr 0.5～2.0；Mn 0.2～0.7；余Fe；以上為重量百分比；(2)用噴射成形工藝獲得坯料將步驟(1)中的合金成分作為原料，采用噴射成形工藝獲得坯料；(3)對噴射成形坯料進行等溫鍛造。
6.如權(quán)利要求5所述的一種非調(diào)質(zhì)超高碳鋼的生產(chǎn)工藝，其特征在于，其中步驟(1)中的合金成分為C 1.2～1.5；Si 2～3；Cr 1～2；Mn 0.2～0.7；余Fe；以上為重量百分比。
7.如權(quán)利要求5或6所述的一種非調(diào)質(zhì)超高碳鋼的生產(chǎn)工藝，其特征在于，其中步驟(3)中所述的等溫鍛造為等溫鍛造溫度790℃～910℃；等溫鍛造速率1×10-4/s～1×10-2/s；鍛造變形量50％～80％。
8.如權(quán)利要求5或6所述的一種非調(diào)質(zhì)超高碳鋼的生產(chǎn)工藝，其特征在于，其中步驟(3)中所述的等溫鍛造為等溫鍛造溫度820℃～850℃。
9.如權(quán)利要求5或6所述的一種非調(diào)質(zhì)超高碳鋼的生產(chǎn)工藝，其特征在于，其中步驟(3)中所述的等溫鍛造是在鍛造前坯料在預(yù)熱爐內(nèi)在所定溫度下保溫一定時間，根據(jù)坯料尺寸以每毫米厚2分鐘來確定保溫時間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種非調(diào)質(zhì)超高碳鋼及其生產(chǎn)工藝，本發(fā)明的非調(diào)質(zhì)超高碳鋼其合金成分的重量百分比為C1.0～1.8、Si0.5～3.5、Cr0.5～2.0、Mn0.2～0.7、余Fe；用噴射成形工藝獲得坯料、之后對噴射成形坯料進行等溫鍛造，等溫鍛造溫度790℃～910℃；等溫鍛造速率1×10
文檔編號C22C33/00GK1472358SQ0213630
公開日2004年2月4日 申請日期2002年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月30日
發(fā)明者林一堅, 史海生, 章靖國, 姚錦聲, 孫德生, 韓肅, 孫大樂, 樊俊飛 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司