喷射成形含Si超高碳钢的组织与性能研究.pdf

喷射成形含Si 超高碳钢的组织与性能研究 史海生1吴杏芳2章靖国1 樊俊飞1林一坚1乐海荣1 彭勇1 (1．上海宝钢研究院上海201900 2一匕京科技大学材料学院北京100083) 摘要：本文报道了首次采用喷射成形工艺制取含高Si超高碳钢并对其微观组织及性能进 行较深入研究方面的工作。结果显示，喷射成形超高碳钢不仅在组织上有明显的优势，而且还有 独特的超塑性，同时，经过适当的形变处理，其综合性能可以显著提高。 关键词：喷射成形；超高碳钢；组织与性能 I、引言 超高碳钢由于碳含量很高，在传统铸造工艺的凝固过程中难以避免碳的偏析；同时由于碳含量远 超过共析成分，在常规热加工成形工艺中很容易出现沿奥氏体晶界析出粗大碳化物网络，从而导致脆 性影响其加工性能。因此，在传统工艺下，要实现超高碳钢的组织细化与均匀化，是极为困难的。Sherby 教授等人针对超高碳钢制备中存在的上述缺陷，首次提出并实施了多道工序的热机械处理工艺，由此 获得了有利于超塑性的细小微观组织【l‘2J。目前超高碳钢的研究思路基本上与Sherby方法相似，其工 艺繁琐的根本问题依然末解决I孓川。 本工作采用与上述工艺完全不同的具有快速凝固特点的喷射成形技术，制取了含高Si超高碳钢， 其组织由细小等轴晶粒及优良的碳化物分布组成，并利用其细小均匀组织具有超塑性特点施以等温锻 造这一有效加工变形工艺，使喷射态超高碳钢的致密度大为改善，从而大幅度提高了材料的综合力学 性能。 2、实验方法 实验用喷射成形含Si超高碳钢，在宝钢研究院喷射成形设备上制取，其母合金用真空熔铸方法 获得，化学成分见表1。选择合金成分基于下述考虑：含量较高的si作为非碳化物形成元素，位于晶 界可阻止网状碳化物形成和奥氏体晶粒长大，同时可以扩大共析转变温度区域；Cr和Mn元素具有在 ～定温度和变形条件下促进珠光体球化的作用，适当增加cr元素含量，对抑制石墨化有利。采用不 同拉伸试验条件，对未经超塑化预处理的喷射态超高碳钢的超塑性进行了研究。利用喷射成形超高碳 钢具有特殊的超塑性实施了大变形量等温锻造，使材质充分致密化和均匀化，由此获得的超高碳钢无 须调质处理即具有优良的综合性能。 表1超高碳钢的化学成分(wt％) 3、结果与讨论 3．1铸态组织比较 图1显示两种工艺制备的含si超高碳钢的显微组织，可以看到，在传统工艺超高碳钢中，晶界 上有粗大的针状先共析渗碳体，并部分延伸至晶内，珠光体团片间距较大；喷射成形超高碳钢为典型 的珠光体组织，其片间距细密，晶界上不存在碳化物网络。这表明采用具有快速凝固作用的喷射成形 155 技术，可以制备显微组织明显优于传统工艺的超高碳钢。 (a)传统工艺 (b)喷射成形工艺 图1不同工艺制备的超高碳钢组织 3．2超塑性拉伸结果 含Si超高碳钢是在Fe-C二元系基础上添加了多个合金元素而形成的，尤其是高含量Si的作用， 使得单一共析转变温度扩展为一个温度区间。差热分析结果表明，喷射成形3Si超高碳钢的A．温度 范围为808—848℃。超塑拉伸试验条件的设计主要是根据A．温度确定的。 表2为同一应变速率不同变形温度条件下的超塑拉伸结果。由表看到，820。C变形温度下，延伸 率最大，在低于8200C，随着温度的上升，材料的延伸率逐渐增高，在高于8200C，随着温度的上升， 延伸率反而下降。依此结果，设计了在820。C温度下改变应变速率的试验条件。 表2 同一应变速率不同温度下的拉伸延伸率(恒定应变速率为2．5x10’4s‘1) 表3则是对应上述试验条件的拉伸结果。由表可见，在8200C温度条件下延伸率随应变速率变化 并不是单调地随应变速率增大而下降，只有在一定的应变速率和变形温度配合下才能获得最大的延伸 率。在8200C温度和5xlO习S。高应变速率条件下获得的307％延伸率的试验结果，对于超塑成型加工 的实际应用具有一定的意义，因为，利用材料的超塑性进行成型加工追求的是低变形温度和高应变速