專利名稱：納米粒狀碳化物和亞微米晶粒鐵素體鋼的制造工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及鋼材生產過程中和鋼材加工過程中的微觀組織控制技術，主要是鐵素體晶粒尺寸和碳化物形態、尺寸和分布特征的控制。這種技術不僅適用于高碳鋼、中碳鋼、低碳鋼和合金鋼的在線微觀組織控制，也適用于鋼鐵企業及其用戶對半成品鋼材和成品鋼材及其制品微觀組織的控制。
背景技術：
對于鋼材生產企業和鋼材用戶，如何經濟、快速地球化、細化碳化物，并控制它們的分布，和如何細化鐵素體晶粒，是鋼鐵材料領域多年來一直十分關注的兩個重要問題。
工具鋼、軸承鋼等高碳鋼的傳統球化處理是與軋制生產過程分開進行的，需專用的球化退火設備，并且球化處理時間很長，一般為十幾小時甚至幾十小時。用于冷沖壓、冷擠壓和冷鍛等冷成形加工的中、低碳鋼及合金鋼，為降低它們的流變應力，提高塑性，也要求它們具有鐵素體+粒狀碳化物組織。而這類鋼材供貨狀態多為鐵素體+片狀珠光體組織，因此用戶在冷成形工序之前，必須對它們進行長時間的球化處理，以改善它們的加工性能和力學性能。傳統球化退火需要在740～870℃保溫幾小時到十幾小時，甚至更長時間，并需緩冷出爐，生產周期長，能耗大。碳化物粒徑大，在微米尺度，鐵素體晶粒也很粗大，一般為幾十微米。
為了縮短球化處理時間，提高生產效率，降低能耗，快速球化處理新工藝的研究和應用在鋼鐵材料領域一直很活躍。如塑性變形球化(黃俊霞，2005；荀穎，1998；)、塑性變形球化”的變形和球化對象為片狀珠光體組織中的滲碳體片，目的是將這種片狀碳化物破碎并在隨后的退火過程中轉變成粒狀碳化物，這種轉變過程不僅緩慢，而且只能將碳化物細化到微米和亞微米尺寸。因此，這種傳統的“塑性變形球化”難以在軋線上直接進行。
淬火超高溫回火球化(陳皓，1990；李新生，1999)，“淬火超高溫回火球化”工藝是碳化物粒子從過飽和固溶體中沉淀析出和聚集長大的過程，因沒有宏觀塑性變形，難以在軋線上直接獲得亞微米晶粒鐵素體和納米粒狀碳化物組織。
為了克服現有技術中存在的上述不足，本發明提供一種納米粒狀碳化物和亞微米晶粒鐵素體鋼的制造工藝，這種納米粒狀碳化物和亞微米晶粒鐵素體鋼的制造方法，適用于高、中、低碳碳素鋼和合金鋼的生產，其特征在于1)在生產板、帶、棒、線和型材的熱軋線、控軋控冷生產線、連鑄連軋短流程生產線或鐵素體軋制生產線上，在820～980℃粗軋的道次之后，進入精軋之前，在軋坯二次高壓水除鱗的同時，對軋坯進行快冷淬火，使軋坯的奧氏體組織轉變為馬氏體組織或貝氏體組織；2)此后，立即將具有馬氏體組織或貝氏體組織的鋼坯在線迅速加熱到450～725℃進行精軋；3)精整之后，對于帶材和板卷，在450～710℃卷取；4)對于板材、棒材、線材和型材，剪成要求的尺寸規格，在450～710℃保溫10～60分鐘后空冷。
利用馬氏體或貝氏體的溫加工和隨后的退火，可將傳統鋼材的熱軋正火組織轉變為亞微米晶粒鐵素體和納米粒狀碳化物組織，以利于零件的加工成形和最終熱處理。
使用該方法制造的鋼材及其所制的成品和半成品，它們的微觀組織特征是1)鐵素體基體的平均晶粒尺寸最小可達到約100～300納米；2)碳化物呈細小粒狀，其平均粒徑可在15～100納米范圍內調整，并且均勻分布在亞微米等軸鐵素體的晶界和晶粒內部。
本發明的有益效果是可使產品直接獲得納米粒狀碳化物和亞微米晶粒鐵素體組織，因此將取消傳統的軋后球化退火處理，大幅度降低鋼材生產的能耗，縮短生產周期，降低生產成本。馬氏體/貝氏體溫軋法制造的這類鋼材的微觀組織特征在于碳化物呈細小球形，均勻分布在亞微米晶粒鐵素體基體上。根據產品的性能要求，可通過調整工藝參數來使碳化物平均直徑在15～100nm范圍，甚至更寬的尺寸范圍調整。此新技術即可用于工具鋼、軸承鋼等高碳鋼的生產，也可用于低碳和中碳結構鋼和合金鋼的生產。
本發明的“馬氏體/貝氏體溫軋在線球化”雖然也是碳化物粒子從過飽和固溶體中沉淀析出的過程，但是，馬氏體/貝氏體在溫軋過程中經受了較大的宏觀塑性變形，這種塑性變形促使碳化物粒子的沉淀在溫軋過程中加速進行，并且在溫軋結束時即可形成納米粒狀碳化物，均勻分布在亞微米晶粒鐵素體的晶界和晶內，同時阻礙鐵素體晶粒長大，實現鐵素體晶粒的亞微米化。通過調整淬火工藝參數，溫軋工藝參數和溫軋后冷卻制度和卷取或退火工藝參數，可控制碳化物粒子的尺寸和鐵素體晶粒尺寸，生產具有預期組織和性能的鋼材。
本發明的實驗依據和理論基礎是，高于450℃變形，馬氏體組織和貝氏體組織的屈服應力與珠光體組織和鐵素體+片狀珠光體組織的相近，并具有更大的加工軟化率，因此可用現有精軋軋機對馬氏體組織或貝氏體組織的坯料進行溫軋，并利用隨后的控制冷卻和退火來控制鐵素體晶粒尺寸和碳化物的形態、尺寸和分布。因此，利用現有精軋機可直接生產納米碳化物亞微米晶粒鐵素體鋼材；或由鋼材用戶對片狀珠光體組織的原材料進行馬氏體溫變形快速球化處理。
國內外大量的實驗研究和工程實踐證明，在室溫和略高于室溫變形，馬氏體和貝氏體組織的流變應力顯著高于鐵素體和珠光體組織，難以對具有馬氏體和貝氏體組織的鋼材進行壓力加工。但是，我們的研究證明，隨著變形溫度的提高，馬氏體和貝氏體組織的流變應力比鐵素體和珠光體組織的下降更迅速，即馬氏體和貝氏體組織的加工軟化作用顯著大于鐵素體和珠光體組織。變形溫度高于450℃，特別是600℃以上，它們的流變應力與鐵素體和珠光體組織的相近，甚至比鐵素體和珠光體組織的更低。導致這種現象的主要原因是馬氏體和貝氏體中界面密度遠高于鐵素體組織，這種相鄰馬氏體晶體之間的界面在高溫變形中的作用與晶界類似，可以發生擴散性蠕滑而引起塑性變形。室溫和略高于室溫進行塑性變形，塑性變形的主要機制是位錯的滑動，而馬氏體的位錯密度很高，界面密度高，位錯運動自由程很小，位錯運動的阻力很大，因此室溫變形時，馬氏體組織的流變應力遠高于鐵素體和珠光體組織。但是，隨變形溫度升高，界面擴散性蠕滑在塑性變形中的作用增大，高于一定的溫度，界面擴散性蠕滑成為塑性變形的主要機制，位錯滑動變為次要機制。
眾所周知，“鐵素體軋制”新技術自15年前比利時提出后，近年來在國內外已經得到非常廣泛的應用。“鐵素體軋制”主要用于生產超低碳鋼和無間隙原子鋼(IF鋼)板卷，其精軋溫度一般為500～900℃。我們的研究證明，在此溫度范圍，馬氏體/貝氏體組織的流變應力與鐵素體組織的流變應力相當，完全可以實現“馬氏體/貝氏體溫軋”技術的工業應用，制造具有亞微米晶粒鐵素體和納米粒狀碳化物的鋼材，而“鐵素體軋制”難以獲得具有這種細小組織的鋼材。
圖1是變形溫度對這幾種鋼馬氏體組織屈服應力和鐵素體+珠光體組織屈服應力的影響。
圖2為15CrMnMoVA(a)，09MnNiD(b)，Q235(c)，45(d)，T8(e)和T12(f)鋼馬氏體溫軋退火組織的金相組織圖。
在圖2中(a)Q235，鐵素體平均晶粒尺寸約448nm，碳化物顆粒平均尺寸約76nm；(b)15CrMnMoVA，鐵素體平均晶粒尺寸約230nm，碳化物顆粒平均尺寸約51nm；(c)09MnNiD，鐵素體平均晶粒尺寸約287nm，碳化物顆粒平均尺寸約40nm；(d)T12，鐵素體平均晶粒尺寸約658nm，碳化物顆粒平均尺寸約96nm；(e)T8，鐵素體平均晶粒尺寸826nm，碳化物顆粒平均尺寸約58nm；f)45，鐵素體平均晶粒尺寸840nm，碳化物顆粒平均尺寸約74nm。
具體實施例方式
實施例1Q235普通低碳鋼；實施例215CrMnMoVA低碳低合金鋼；實施例309MnNiD低溫壓力容器用鋼；實施例4T12碳素工具鋼；實施例5T8碳素工具鋼；實施例645優質中碳鋼。上述6個實施例的實驗用鋼的化學成份見表1。
我們利用Gleeble3500熱力模擬實驗機對Q235，15CrMnMoVA，09MnNiD，T12，T8和45六種鋼的馬氏體組織、貝氏體組織和鐵素體+珠光體組織的溫軋流變應力進行系統的模擬研究。在此基礎上進行了馬氏體和貝氏體組織的溫軋實驗，制備出了納米碳化物和亞微米晶粒鐵素體鋼。
圖1是變形溫度對這幾種鋼馬氏體組織屈服應力和鐵素體+珠光體組織屈服應力的影響的對比。圖1中同時給出了毛新平(鋼鐵，2004)的實驗曲線作對比，詳見表2。圖1證明，在600～725℃馬氏體組織溫壓縮的屈服應力與鐵素體組織，鐵素體+珠光體組織和珠光體組織的相近，含碳量的影響并不顯著。這說明，從現有軋機的軋制力來看，只要能夠進行鐵素體軋制的軋機，就可以用來進行馬氏體/貝氏體組織的溫軋。
圖2為15CrMnMoVA(a)，09MnNiD(b)，Q235(c)，45(d)，T8(e)和T12(f)鋼馬氏體溫軋退火組織。它們的碳化物粒徑在納米尺度，鐵素體晶粒尺寸在亞微米尺度。
表1 六個實施例用鋼的化學成分
表2 圖1符號的說明
權利要求
1.一種納米粒狀碳化物和亞微米晶粒鐵素體鋼的制造方法，該方法適用于高、中、低碳碳素鋼和合金鋼的生產，其特征在于1)在生產板、帶、棒、線和型材的熱軋線、控軋控冷生產線、連鑄連軋短流程生產線或鐵素體軋制生產線上，在820～980℃粗軋的道次之后，進入精軋之前，在軋坯二次高壓水除鱗的同時，對軋坯進行快冷淬火，使軋坯的奧氏體組織轉變為馬氏體組織或貝氏體組織；2)此后，立即將具有馬氏體組織或貝氏體組織的鋼坯在線迅速加熱到450～725℃進行精軋；3)精整之后，對于帶材和板卷，在450～710℃卷取；4)對于板材、棒材、線材和型材，剪成要求的尺寸規格，在450～710℃保溫10～60分鐘后空冷。
2.根據權利要求1所述的納米粒狀碳化物和亞微米晶粒鐵素體鋼的制造方法，其特征在于利用馬氏體或貝氏體的溫加工和隨后的退火，可將傳統鋼材的熱軋正火組織轉變為亞微米晶粒鐵素體和納米粒狀碳化物組織，以利于零件的加工成形和最終熱處理。
3.根據權利要求1和2所述的納米粒狀碳化物和亞微米晶粒鐵素體鋼的制造方法，其特征在于使用該方法制造的鋼材及其所制的成品和半成品，它們的微觀組織特征是1)鐵素體基體的平均晶粒尺寸最小可達到約100～300納米；2)碳化物呈細小粒狀，其平均粒徑可在15～100納米范圍內調整，并且均勻分布在亞微米等軸鐵素體的晶界和晶粒內部。
全文摘要
本發明涉及鋼材生產過程中和鋼材加工過程中的微觀組織控制技術，本發明將馬氏體/貝氏體組織溫軋技術用于高、中和低碳鋼鋼板、鋼帶、鋼線、鋼棒和型鋼的生產線上，可使產品直接獲得納米粒狀碳化物和亞微米鐵素體晶粒組織，因此將取消傳統的軋后球化退火處理，在顯著提高鋼材強度和塑性的同時，大幅度降低鋼材生產的能耗，縮短生產周期，降低生產成本。這類鋼材的微觀組織特征在于納米碳化物呈細小粒狀，均勻分布在亞微米鐵素體晶粒基體上。根據產品的性能要求，可通過調整工藝參數將碳化物平均直徑控制在15～100nm范圍，鐵素體晶粒尺寸控制在亞微米，幾微米，甚至更寬的尺寸范圍。此技術即可用于工具鋼、軸承鋼等高碳鋼的生產，也可用于低碳和中碳結構鋼和合金鋼的生產。
文檔編號B21B37/16GK1752222SQ200510012940
公開日2006年3月29日 申請日期2005年10月22日 優先權日2005年10月22日
發明者荊天輔, 高聿為, 喬桂英, 周繼峰, 王威, 宋新宇, 李群, 王書群 申請人:燕山大學