專利名稱：一種具有超塑性的超高碳鋼基材,獲得方法,及其應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有良好的超塑性的超高碳鋼基材，制備該基材的方法；由該基材獲得的超高碳鋼及其獲得方法。
超高碳鋼的超塑性，首先是由Sherby研制成功的。(Acta Metall.，1975，V9，No5，pp569-574.)所用鋼材的碳含量為1.3，1.6，1.9wt％。
為獲得超塑性采用了以下工藝過程-將鑄錠于1150℃固溶處理1.5小時。目的是使碳化物充分溶解；-在冷卻過程中連續錕軋到600℃，每道次真應變量為0.15，經10-15道次。目的是打碎二次滲碳體；-在550-650℃等溫軋制，每道次真應變量0.1，軋10-15道次。目的是打碎珠光體，形成超塑性所要求的細小碳化物顆粒與等軸鐵素體晶粒均勻彌散的組織。
此后，Sherby在改進合金成分與工藝過程方面獲得一批專利，奠定了他在超高碳鋼超塑性領域的領先地位。這方面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，(19.95)。
在他的專利中，Sherby一再強調并作為要求保護的發明權利指出超高碳鋼要獲得恒溫超塑性(區別于相變超塑性)，必須經過超塑處理，即通過各種機械處理，熱處理以及熱機械處理使超高碳鋼形成具有以下特征的顯微組織碳化物球化為1微米以下的細小顆粒，均勻分布于5微米以下等軸細晶狀的鐵素體基體上。Sherby在近期(1995年)的專利中強調要實現超高碳鋼的超塑性，有兩個工藝過程是不可缺少的。第一，通過熱軋等高溫熱加工獲得消除了粗大碳化物的比較均勻的珠光體組織；第二，通過溫軋或各種方法的熱處理，將上述珠光體片層狀組織轉變為滲碳體與鐵素體兩相的細小球化組織。Sherby認為，球化組織必須占到70％以上，才可能有超塑性。
上述工藝過程的復雜性及其嚴重耗能耗時的弊端阻礙了超高碳鋼超塑性的實際應用。
這些弊端的根本原因在于傳統鑄造工藝在高碳含量下的凝固過程很難避免粗大碳化物的形成，因此，其鑄態組織就已包含著對超塑性極為不利的因素，以至不得不在固態條件下采用各種復雜而高耗能的工藝手段加以克服。只有采用凝固過程與傳統工藝有根本區別的新工藝，從原始凝固組織上避免不利于超塑性的因素，才有希望找到獲取超高碳鋼超塑性的低成本而高效率的新途徑。
本發明選擇合適的合金成分，并采用凝固過程與傳統工藝有根本區別的新工藝，例如采用噴射成形工藝，直接得到具有超塑性的超高碳鋼基材。
本發明的所述的具有超塑性的超高碳鋼基材，避免了現行的復雜的超高碳鋼超塑處理工藝過程，大大拓寬了超高碳鋼的實際應用前景。
本發明提供了一種具有自超塑性的超高碳鋼基材，該基材的合金成分為C 1.0～1.8；以取1.2～1.5為最佳，Si0.5～3.5；以取2～3為最佳，Cr0.5～2.0；以取1～2為最佳，Mn0.2～0.7；Fe余量。
其中，對Fe的雜質含量限制，只要求達到工業碳鋼的一般標準。該基材的顯微組織為無晶界碳化物網絡，等軸晶狀的均勻珠光體，其珠光體團尺寸在10微米以下，珠光體片間距在1微米以下。
本發明還給出了一種低成本，高效率地獲得具有超塑性的超高碳鋼基材的新方法，該方法為首先選取合適的母合金，然后采用一定的工藝得到如前述的具有無晶界碳化物網絡，等軸晶狀的均勻珠光體，其珠光體團尺寸在10微米以下，珠光體片間距在1微米以下金相組織特征的超高碳鋼基材。
其選擇合金成分的原則是a.在噴射成形過程中可抑制晶界二次碳化物網絡形成；b.有利于噴射成形形成以細密珠光體為特征的顯微組織；c.具有在一定溫度和變形條件下促進珠光體球化的作用；d.具有阻止碳化物顆粒粗化的作用；e.將共析轉變溫度擴展為較寬的溫度區間；f.防止在超塑變形過程中發生石墨化；g.保持低合金超高碳鋼原材料價格低廉的特點。
符合上述原則的合金系列之一C 1.0～1.8；Si0.5～3.5(抑制晶界碳化物網絡，將A1擴展為溫度區間)；Cr0.5～2.0(抑制Si的石墨化傾向，促進珠光體球化，延緩組織粗化)；Mn0.2～0.7(防止原材料中S等有害微量元素的影響)；余Fe。
采用的工藝可以是要經過多道工序的傳統工藝，例如鑄造——多道次高溫鍛造——高溫固溶——淬火或快冷到珠光體形成溫度(后兩道工序通常要反復幾次)；也可以采用噴射成形工藝。采用噴射成形的冶金工藝能一次直接獲得所述的超高碳鋼基材。這對于降低成本，提高效率，實現產業化是至關重要的。
噴射成形的工藝過程是將超高碳鋼母合金放入感應爐加熱，使之熔化，在高于熔點150～250℃的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，飛行并沉積在收集底座上，完成凝固并形成塊體。
噴射成形工藝具有快速凝固特點，可避免偏析，獲得均勻細化的組織，所得到的材料無須任何熱處理或機械處理，即可在一定溫度下獲得延伸率在150％以上的超塑性。
本發明所說的超高碳鋼基材在一定的工藝條件下可進行超塑變形，從而獲得具有自超塑性的超高碳鋼，其工藝條件為溫度范圍在共析轉變開始溫度以下約50℃到共析轉變結束溫度以上約50℃的整個溫度范圍內具有超塑性；在共析轉變區間可獲得最大延伸率。
變形速率范圍適合的變形速率有兩個范圍1×10-4/S～8×10-4/S和4×10-3/S～1×10-2/S。
本發明所述的超高碳鋼基材進行超塑變形的原理，經過組織檢驗證明其金屬結構在一定溫度和一定速率的變形過程中可自行發生顯微組織向著有利于超塑性方向的轉變，即由片層狀轉變為等軸顆粒狀。其中所含合金成分起到了促進作用。這種組織轉變提供進一步超塑變形的延伸率。如此相互促進，達到高的總延伸率。
上述超塑變形原理使得該材料的超塑性不僅可在低變形速率下(～10-4/S)獲得，而且可在高變形速率(～10-2/S)下獲得。這是由于適當的高變形率有利于組織的碎化和球化，相當于施加機械熱處理。這是本發明最具實用性的特點之一。
上述超塑變形原理使得該材料超塑性可在一個相當大的溫度范圍內獲得。在一定的合金元素作用下，共析溫度A1被擴展為一個溫度范圍(該溫度范圍內為鐵素體+滲碳體+奧氏體三相區)，這一溫度區與其以上約50℃及以下約50℃所構成的整個溫度范圍內都有超塑性。溫度范圍可寬達150℃以上，這給實際應用帶來很大便利。
應該指出的是本發明中由于第三元合金元素的加入使Fe-C二元系中的單一共析轉變溫度擴展為一個溫度范圍，對珠光體狀態的超高碳鋼不經超塑處理直接顯示超塑性具有十分重要的意義。這是因為，在此溫度區間珠光體發生部分性轉變，故在變形過程中更容易碎化，細化和球化；而所形成的鐵素體+滲碳體+奧氏體三相組織，也具有較強的抵抗組織粗化的能力，從而可獲得超塑性的最佳值。
實施例1超高碳鋼基材母合金成分(化學分析結果)1.22C-2.98Si-1.47Cr-0.66Mn-余Fe(wt％)。
制備過程為首先按所需成分預先按通常工藝制得超高碳鋼母合金，然后利用噴射成形工藝獲得超高碳鋼基材將超高碳鋼母合金放入中頻感應爐加熱，使之熔化，在高于熔點150～250℃的溫度下保持一段時間(約7分鐘)，使熔體的溫度和成分到達均勻。然后使熔體通過導液管均勻流出，用高壓(約2Mpa)氮氣(純度高于99.8％)通過安置于導液管下方的霧化器噴嘴向熔體噴射，使之霧化成細小液滴，這些碎化的小液滴飛行并沉積在收集底座(底座為銅質圓柱體)上，完成凝固并形成塊體。噴射過程中氣體與金屬熔體的流率比約為0.3m3/Kg；噴嘴到收集底座的距離為340～400mm。
該噴射成形獲得的超高碳鋼基材的顯微組織如
圖1所示，無碳化物網絡，呈均勻細密的珠光體組織。
其共析轉變溫度A1為一區間，熱分析得出溫度范圍為808-848℃。
對本實施例所獲得的超高碳鋼基材進行拉伸測試，其低變形速率和高變形速率下及不同溫度下(A1區內，A1以上，A1以下)的超塑變形延伸率見表1表1 噴射成形超高碳鋼基材的拉伸延伸率(％)
參見圖2和圖3，分別為820℃拉伸后(速率為1×10-2/S)試樣變形區與未變形區的顯微組織(×1000，金相照片)，可以看到變形區明顯粒化，而未變形區基本上仍為珠光體組織，表明在拉伸過程中顯微組織發生了有利于超塑性的轉變。表2.不同組份的超高碳鋼基材在A1溫度區域與5×10-3/s應變速率條件下的拉伸延伸率
權利要求
1.一種超高碳鋼基材，其合金成分為(下列為重量百分比)C 1.0～1.8；Si0.5～3.5；Cr0.5～2.0；Mn0.2～0.7；Fe余量；該超高碳鋼基材的顯微組織為無晶界碳化物網絡，等軸晶狀的均勻珠光體，其珠光體團尺寸在10微米以下，珠光體片間距在1微米以下。
2.一種如權利要求1所述的超高碳鋼基材，其特征在于所述的超高碳鋼基材的合金成分為C 1.2～1.5；Si2.0～3.0；Cr1.0～2.0；Mn0.3～0.7；Fe余量。
3.一種獲得如權利要求1或2所述的超高碳鋼基材的方法，該方法包括如下步驟i. 選取合適的母合金，除C和Fe外，還包括Si，Cr，Mn中的兩種成分，其重量百分比為C 1.0～1.8；Si0.5～3.5；Cr0.5～2.0；Mn0.2～0.7；Fe余量；ii.采用噴射成形的冶金工藝。
4.如權利要求1或2所述的超高碳鋼基材，通過超塑變形方法應用于制備或獲得超塑性超高碳鋼，該超塑性超高碳鋼的合金成分為(下列為重量百分比)C1.0～1.8；Si0.5～3.5；Cr0.5～2.0；Mn0.2～0.7；Fe余量；該超塑性超高碳鋼的金相結構從珠光體組織的片層狀碎化、粒化為可以提供進一步超塑變形的等軸顆粒狀。
5.如權利要求4所述的超塑變形方法為通過拉伸變形而珠光體組織的片層狀碎化、粒化為可以提供進一步超塑變形的等軸顆粒狀，其特征在于所述的拉伸變形是在下列的溫度范圍與速率范圍內進行的；溫度范圍為自共析轉變開始溫度以下50℃到共析轉變結束溫度以上50℃；變形速率范圍為1×10-4/s～8×10-4/s和4×10-3/s～1×10-2/s。
6.如權利要求5所述的超塑變形方法，其特征在于所述的拉伸變形在共析轉變溫度區間內進行，可獲得最佳延伸率。
全文摘要
本發明公開了一種超高碳鋼基材及其制備方法,該基材的顯微組織為:無晶界碳化物網絡,等軸晶狀的均勻珠光體,其珠光體團尺寸在10微米以下,珠光體片間距在1微米以下。本發明主要是選擇合適的合金成分,例如C;Si;Cr;Mn;Fe。并采用凝固過程與傳統工藝有根本區別的新工藝,例如采用噴射成形工藝,直接得到具有超塑性的超高碳鋼基材。由于不需要經過傳統的超塑處理工藝即可具有良好的超塑性,從而使本發明的超高碳鋼基材具有廣泛工業應用前景。
文檔編號C22C38/34GK1367272SQ0112695
公開日2002年9月4日 申請日期2001年9月30日 優先權日2001年9月30日
發明者章靖國, 史海生, 林一堅, 姚錦聲, 孫德生 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司