（材料学专业论文）控轧控冷工艺对高碳合金钢组织和力学性能的影响.pdf

东南大学硕士学位论文 研究生：叶慧丽 摘要 导师：蒋建清 东南大学 控轧控冷技术广泛应用于改善钢材组织。以提高其性能。本文采用热模拟试验的方法开 展了两方面内容的研究。分析了控轧控冷工艺对g c r l 5 轴承钢显微组织的影响，拟通过控 轧控冷工艺的改进生产出免球化退火的轴承钢。研究了控轧工艺对6 0 s i 2 c r v a t 弹簧钢晶粒 尺寸的影响。主要研究结果如下： 热模拟结果表明，控轧控冷工艺对g c r l 5 轴承钢组织有显著影响。在单相区变形后， 形变奥氏体在0 1 ，s 的冷速下能获得有大量粒状渗碳体的退化珠光体，而在较快冷速下， 易生成贝氏体和马氏体组织；在双相区变形，能获得片层极细的变形珠光体。但是在本文实 验条件下未能通过控轧控冷直接制各出球化良好的g c r l 5 轴承钢。 采用双相区和亚温球化退火工艺研究了g c r l 5 轴承钢热轧材和热模拟试样的碳化物球 化行为和力学性能变化结果表明，热轧材在双相区球化退火时，可获得较高球化率的珠光 体，但是球化效率极低，完成一次退火需要9 - 1 5 小时。在弧温球化退火时，只有能量高的 晶界处发生了部分球化，球化率低。而降低轧制温度后的试样在7 1 0 保温2 小时就能获得 球化率很高的珠光体。因此，通过合适的控轧控冷可明显简化g c r l 5 钢的球化退火处理工 艺，较大幅度地缩短球化退火时间。 在对6 0 s i 2 c r v a t 弹簧钢进行性能检测及统计发现，6 0 s i 2 c r v a t 存在规格效应，即小规 格力学性能大部分合格，而大规格力学性能合格率不高。通过分析，材料性能不合格的主 要原因是由于晶粒粗大引起，为了提高大规格产品的合格率，必须着手于减小晶粒 通过热模拟试验对晶粒度进行研究发现，随着温度的降低，变形量的增加，奥氏体晶粒 明显细小。在等效应变最大的区域，奥氏体动态再结晶并非最完全，而剪应变对动态再结晶 的影响较大，在剪应变最大的区域，再结晶晟完全。晶粒最细小。 关键词：控轧控冷，热模拟，退化珠光体，球化退火，晶粒细化 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t g r a d u a t es t u d e n t ：y eh u i - l ip r o f e s s o r ：j i s n g j i a n - q i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y c o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o o l i n gw 笛w i d e l yu s e di ni m p r o v i n gt h em i c r o s t r n c t u r eo f s t e e l a n d e n h a n c i n gi t sp r o p e r t i e s i nt h i sp a p e r , t w oa s p e c t sw e r es t u d i e db ym e a n so ft h e r m o - s i m u l a t i o n t e s t o n ew a sr e s e a r c h i n gt h ee f f e c to fc o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o o l i n go rm i c r o 舭o f g c r l 5 , a n dp r o d n c t i n gt h eb e a r i n gs t e e lf l e es p h e r o i d i z a t i o na n n e a l i n gt h r o u g hc o n t r o l l e dr o l l i n g a n dc o o l i n g t h eo t h e rw a ss t u d y i n gt h ee f f e c to f c o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o o l i n go l lt h eg r a i ns i z e o f s p r i n g s t e e l6 0 s i t 、峨 i tw a sf o u n dt h a tc o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o o l i n gp r o c e s sa f f e c t e dm i c r o s u u c t u r eo fb e a r i n g s t e e lg c r l 5r e m a r k a b l y a f t e rh i g ht e m p e r a t u r er o l l i n gd c f o r m a t i o na b 咖i t eu a n s f e n _ e di n t o d e g e n e r a t e p e a r l i t e w i t h 0 1 ，sc o o l i n gr a t e i n w h i c h t h e r e a r c a l o t o f s p h e r i c a lc e m e o t i t e w i t h m o r ef a s tc o o l i n gr a t e c a r lg e tb a i n i t ea n dm a r t e n s i t ee a s i l y w h e nd e f o r m a t i o n 砒z o i l eo f d o u b l e p l 麟o b t a i nd i s t o r t i o np e a r l i t ew i t he x b r a - f m ep i e c e s b u tc n o tg e tg o o ds p b e r o i d i z e d s u u c t l a tb yc o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o o l i n gd i r e c t l yu n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n si nt h i ss t u d y c a r b i d es p h e r o i d i z a t i o nb e h a v i o ra n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es t e e lu s e di na s - r o l l e d c o n d i t i o nw c l l gs t u d i e da f t e ri n t e r c r i t i c a la n ds u b c r i t i c a l a n n e a l i n gc y c l e s i tw a sf o u n d a c o n s i d e r a t e l yh i g hl e v e lo fs p h e r o i d i z a f i o nc o u l db eo b m i n e dw h e nc o n v e n t i o n a lr o l l e dm a t e r i a l p r o c e s si n t e r c r i t i c a la n n e a l i n g b u tt h es p h e r o i d i z i n gt i m ei sl o n g , a b o u t9 - 1 5h o u r so n et i m e b e s i d e s , c o n v e n t i o n a lr o l l e ds t e e lu s e d 缸t a i nv e r yl o wl e v e lo fs p b e r o i d i z a t i o n ，o n l yg r a i n b o u n d a r yw i t hh i g h e re n c c g yo c c u rs p h e r o i d i z a t i o n n 埠s a m p l ew i t hl o wm l l i n gt e m p e r a t u r ec 柚 a c q u i r eq u i t eh i g hl e v e lo f s p h e r o i d i z a t i o na f t e rs u b c r i t i c a la n n e a l i n gc y c l e sa t7 1 0 f o r2 h t h u s , t h es p h e r o i d i z a t i o na n n e a l i n gt i m ef o rg c r l 5s t e e lc o u l db es i g n i f i c a n t l yr e d u c e dt h r o u g h m o d i f i e dm l l i n ga n dc o o l i n g w h e nd e t e c t i n gt h es p r i n gs t e e l6 0 s i 2 c m 盯f o u n dt h a ti te x i s ts p e c i f i c a t i o no f f e c t , w h i c h s o m eb i gs p e c i f i c a t i o ns p l e sf a c ec o n t r a c tr a t i oc a nn o tr e a c h3 0 t h r o n g ha n a l y s i s , t h em a i n c 越o f p r o p e r t yd i s q u a l i f i c a t i o ni sc g r a i ns i z e i no r d e rt oi n e r e a s et h eq u a l i f i c a t i o nr a t i oj t m u s tg e tf i n eg r a i ns i z e t h r o u g ht h et h e r r a o - s i m u l a t i o nt e s t , f o u n dt h a ta u s t e n i t i cg r a i ns i z e m o m em o r et h i nw i t h d e c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r e a n di n c r e a s i n gt h et r a n s f o r m a t i o n d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o no f a u s t a n h ei nt h ez o i 埒o fl a r g e s te f f e c t i v ep l a s t i cm a i nd o e sn o tb em o s tc o m p l e t e , w h i l es h e a r s 蚵nh a sm o r es t r o n ge f f e c to nd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o no c c mm o s t c o m p l e t e l y i n t h e z o n e o f l a r g e s ts h e a rs t r a i n , m a k i n g g r m ns i z e m i n i m u m k e yw o r d s ： c o n l r o l l e d m l l i n g a n d c o o l i n g , t h e r m o - s i m u l a t i o n , d e g e n e r a t ep e a r l i t 岛 蜘i d i z a t i o na n n e a l i n g , g r a i n r e f i n e m e n t i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：进翼融一日期：竺生坠批 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：塑造豇导师签 期：彳 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 控制轧制和控制冷却技术是二十世纪钢铁工业取得的最重要成就之一。单纯的控制轧制 或控制冷却以及将二者组合在一起的技术目前多称为t m c p ( 热机械控制处理r 艺) 。通过控 制轧制和控制冷却，可以使钢材的强度和低温韧性有较大改善，同时节省能源和简化生产工 艺，并充分发挥微合金元素的作用i l j 。 控轧控冷技术是在控制轧制后，在奥氏体向铁素体相变的温度区域进行某种程度的快速 冷却，使相变组织比单纯控制轧制更加细微化，同时以此获得更高的强度，它已经成为生产 高性能高强钢不可缺少的技术。究其本质，是在“控制奥氏体状态”的基础上，再对奥氏体相 变进行控制的技术“j 。 控制轧制的技术起源于上世纪二十年代的欧洲，到了三十年代人们开始注意钢铁的韧性 以及在工程结构上的应用。四十年代，战争对钢铁的大量需求刺激了钢铁生产的发展和技术 的进步。五十年代初，h a l l 、p e r c h 等人发现多晶f e 的强度与晶粒直径平方根的倒数呈直线关 系。这一理论上的突破，为提高钢材的强韧性指明了方向。六十年代初期随着工业的发展， 控制轧制的研究取得了重大突破，微合金化钢的控轧研究得到了进一步的发展。七十年代是 控制轧制理论研究的全盛时期，由于世界性的能源危机，促进了微合金化及控制轧制技术的 发展，特别是七十年代中期，日本发展了( p 口) 两相区轧制，提出了控制轧制三个阶段理论， 将控制轧制的工艺水平推到了一个新的高峰。八十年代以来，控制轧制和控制冷却不仅在机 理方面，而且在技术上都取得了不少新成就 控制轧制与控制冷却传入我国时间不长，可以说是从上世纪七十年代后期开始发展起来 的。在大约三十年多的时间里，我国在控制轧制与控制冷却的理论研究方面取得了巨大的成 绩。但由于各企业的设备陈旧，缺少必要的测试手段和辅助设备，而且轧机的能力有限，导 致了控制轧制与控制冷却技术在我国的应用受到限制。目前，我国的轧钢设备有了很大的改 进，从而使通过控轧控冷来提高产品质量成为可能，近年来对于控制轧制与控制冷却工艺的 研究也逐渐开展”“ 1 1 控轧控冷技术 1 1 1 控制轧制 以前，热轧只是一道成形工序。但自从控制轧制工艺出现后，人们发现热轧还可以起到 细化钢材组织的作用。而细化钢的组织可以同时提高钢的强度和韧性。因此充分利用控轧工 艺来提高产品的实物质量已正式成为世界范围的普遍追求。 控制轧制 s l 是指对轧前的加热到最后轧制道次结束之前的整个轧制过程进行控制，以获 得性能良好钢材的轧制方法。轧制过程中通过控制钢件进入轧机的温度、应变量和速度等宏 观工艺参数，达到控制晶粒尺寸、析出相和相变等显微结构，为最终的性能提供合适的原始 组织。 控制轧制技术的要点可具体归纳如下： ( 1 ) 尽可能降低加热温度，即将开始轧制前的奥氏体晶粒微细化。 ( 2 ) 使中间温度区的轧制道次程序最优化，通过反复再结晶使奥氏体晶粒细化。 ( 3 ) 加大奥氏体未再结晶区的累积压下量，增加奥氏体每单位体积的晶粒界面积和变形 带面积。 控制轧制可分为奥氏体再结晶区控制轧制( 又称为i 型控制轧制) 、奥氏体未再结晶区控 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 制轧制( 又称为型控制轧制) 和( t + 两相区控制轧制州，如图1 1 所示。 时闻 图1 1 控轧控冷工艺的四个阶段 f i g ! 1f o u rp h a s e so f t h ec o u t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e dc o o l i n g ( 1 ) 臭氏体再结晶区控制轧制o j 奥氏体再结晶区控制轧制的主要目的是通过对加热时粗化的初始t 晶粒反复进行轧帚i 一 再结晶使之得到细化，从而使p 硼变后得到细小的n 晶粒。相变前的t 晶粒越细，相变后得 到的a 晶粒也越细。t 再结晶区轧制是通过再结晶使t 晶粒细化，此阶段中奥氏体的进一步细 化较为困难，它实际上是控制轧制的准备阶段。t 再结晶区域通常是在9 5 0 c 以上的温度范围 ( 2 ) 奥氏体未再结晶区控制轧制 在奥氏体未再结晶区进行控制轧制时，t 晶粒沿轧制方向生长，在t 晶粒内部产生形变带。 此时不仅由于晶界面积的增加，提高了的形核密度，而且也在形变带上出现大量的a 晶核， 这样就进一步促进了a 晶粒的细化。随未再结晶区的总压下率的增加，伸长的t 晶粒尺寸变小， 相变后的n 晶粒随着未再结晶区总压下率的增加变细。t 未再结晶的温度区间一般为 9 5 0 c a r 3 h 。此区轧制由于变形带的产生，实际是分解了y 晶粒，这是控制轧制最重要的阶 段。 ( 3 ) 两相区轧制 在a t 3 点以下的两相区轧制时，未相变的t 晶粒更加伸长，在晶内形成形变带。另一方 面，已相变后的a 晶粒在受到压下时，晶粒内形成亚结构。前者在轧后的冷却过程中发生相 变形成微细的多边形晶植，而后者因回复变成内部含有亚晶粒的a 晶粒。因此，两相区轧制 材料的组织为大倾角晶粒和噩晶粒的混和组织。 传统的再结晶控制轧制后奥氏体迅速发生再结晶，与变形量和变形温度相关( 没有关注 形变时奥氏体是否发生动态再结晶) 。传统未再结晶区控轧包含两方面内容：奥氏体不发生动 态再结晶，获得形变奥氏体；变形后一定时间内( 道次间隔时间) 不发生静态再结晶能够保持变 形奥氏休形貌。以上二者均以控制精轧机组温度为主要手段 1 1 2 控制轧制的要素 ( 1 ) 微合金元素的作用 在控制轧制工艺中，微合金元素( n o ，t i ，v 等) 得到了广泛的应用。控轧钢中加入徽合 金元素，其主要目的是为了与控制轧制相配合，达到晟大程度的细化晶粒的目的1 1 2 。 n b , 砥v 是最常用的细化晶粒元素，它们能在钢中形成碳化物、氮化物或碳氮化物，这些细 2 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 小的析出物质点可以钉扎晶界，具有强烈阻碍晶粒长大的作用。以上三种元素对晶界的钉扎 作用是依次降低的而在微合金化中，复合微合金化的作用往往大于单元素微合金化。 利用合金元素沉淀强化的作用，可以使钢的强度明显升高，但不采用控制轧制会使钢的 韧性变坏。只有通过控轧，在热变形过程中析出特定大小的质点，阻止再结晶后的晶粒长大， 提高钢材的强韧性。同时合金元素的加入可以提高再结晶温度，扩大奥氏体未再结晶区，有 利于低温控制轧制工艺的进行i ”j 。 控制轧制可以细化晶粒，改善钢的强度和韧性，但由于形变诱发相变，使a r 3 温度提高， 特别是在未再结晶区这种作用更为明显，会导致铁素体在较高的温度下析出，而在轧后缓慢 冷却中致使晶粒长大，因此轧后要控制适当的冷却速度 ( 2 ) 加热温度对控轧效果的影响 奥氏体晶粒尺寸的大小直接影响到轧后的晶粒尺寸，随加热温度的升高，奥氏体晶粒逐 渐变大。c - m n 钢在l1 5 0 时，奥氏体晶粒较为均匀。超过11 8 0 ，由于晶界的碳、氮化物 完全固溶，对晶粒长大的阻碍作用消失，奥氏体晶粒开始急速长大。因而，坯料的加热温度 不应该超过1 1 8 0 。降低加热温度，利用铌钒等的碳氮化物对晶粒长大的抑制作用，取得细 化晶粒的效果。而且降低加热温度可以缩短在高温区轧后的停留时间，避免再结晶的奥氏体 晶粒在高温区的长大，而得到粗大的晶粒组织 ( 3 ) 变形量与低温韧性的关系 为了避免粗大奥氏体晶粒的出现，在高温区必须给予大的变形量，使变形晶粒完全再结 晶，才能得到均匀的奥氏体组织。在奥氏体未再结晶区( 9 5 0 - a 如) 进行轧制，变形晶粒不进 行再结晶，而是沿轧制方向拉长，形成大量滑移带和位错。合金元素的碳氮化物优先从这些 部位析出，而且主要沿着奥氏体晶界析出，可以阻止晶粒长大，因而相变后的晶粒更细更均 匀。随着道次变形量和此区间总变形量的加大，变形带的数量增加，分布更均匀。得到理想 的组织结构，使钢的屈服强度增加，脆性转变温度降低，并且韧性得到明显改善 1 1 3 控制冷却 控制冷却过程是通过控制轧制后三个不同冷却阶段的工艺参数，来得到不同的相变组 织。这三个阶段分别称为一次冷却、二次冷却和三次冷却。一次冷却是指终轧温度到a 如温 度范围内的冷却，其目的是控制热变形后的奥氏体晶粒状态，阻止奥氏体晶粒长大和碳化物 析出，固定由于变形引起的位错，增大过冷度，降低相变温度，为p 硼变做准备。一次冷 却的开始冷却温度越接近终轧温度，细化奥氏体和增大有效晶界面积的效果就越明显。二次 冷却是指钢材经一次冷却后进入由奥氏体向铁素体和碳化物析出的相变阶段。通过控制开始 冷却温度。冷却速度和终止温度等，可达到控制相变产物的目的。三次冷却或空冷是指对相 变结束到室温这一温度区间的冷却速度的控制i l 埘。根据实际经验，一次冷却过程对晶粒细 化虽然有一定效果，但是并不明显。在对未再结晶奥氏体进行控制冷却即二次冷却时。会产 生明显的晶粒细化效果。 在特定温度区0 0 0 c - 6 0 0 c ) 内增加冷却速度，使未相变的t 晶粒变成微细的多边化晶粒， 并且晶粒内部包含亚晶粒，这种包含亚晶粒的混合组织可使强度增大。 一般热轧得到的n 晶粒为2 0 1 u n ，轧后施行正火处理可使。晶粒细化至1 0 1 a n ：控制轧制 后加速冷却可以得到约4 1 a n 的晶粒。松村等的报道采用a 如以上稍高温度进行大形变量轧制 得到约2 1 u n 的a 晶粒，为目前报道应用控轧得到的最细小组织i i q 。 1 1 4 控轧控冷工艺的内容 控轧控冷工艺对提高钢铁材料的强度起着十分重要的作用，控制轧制工艺的内容主要包 括1 1 f l ： 3 东南大学硕士学位论文第章绪论 ( 1 ) 轧制坯料加热制度的选择 现在国内外都有降低加热温度的趋势。为了细化晶粒，提高成品质量，得到较高的力学 性能，在轧机能力许可的条件。f ，要尽量的降低加热温度。 ( 2 进择与设计控制轧制工艺的类型 对于钢。为了细化晶粒提高性能，要在臭氏体未再结晶区进行大压下量的变形。以诱导 相变形核，达到细化品粒的效果。 ( 3 ) 控制轧制工艺参数的选择 钢铁在轧制的道次变形量要分别满足奥氏体再结晶区和未再结晶区变形量的要求，还要 考虑实际生产中轧机的能力。在a b 温度以上要采用大的道次压下量。 ( 4 ) 控制冷却工艺选择 对于钢铁的控制冷却，要采用轧后快冷的工艺。通常，在轧制实验中主要采用低温、大 压下变形和加速冷却的原则，其可以在生产中获得晶粒尺寸为1 0 t i m 的产品。目前。在诸多 的细化方法中，只有 - t m c p 方法具有大生产应用的前景。在钢铁的控制轧翻中，通过在奥氏 体未再结晶区轧制可有效的细化晶粒。在奥氏体未再结晶区施以低温和大变形是获得超细 铁素体组织的最有效方法之一，特别是单道次大应变量对铁素体细化的效果更为显著。通过 对奥氏体未再结晶区的大压下轧制，可有效的减小奥氏体的晶粒尺寸，提高变形奥氏体的位 错密度，增加形变带和位错孪晶等晶体缺陷，从而增加奥氏体向铁索体转变的形核区。在轧 制后加速冷却的特点适于热轧后的州相变范围内进行加速冷却，这样会细化a 晶粒并进一 步提高强度和韧性。 在钢铁的热轧过程中，主要研究各种工艺参数如：变形温度、终轧温度、变形速率、道 次压下量、道次间隔时问等对钢铁组织性能的影响。 1 2 高碳铬轴承钢及其球化退火 轴承是重要的基础机械零件1 2 0 l ，在各行业的应用十分广泛，其质量直接决定了所装备 的机辕设备可靠性的高低、精度的大小、性能的好坏以及使用寿命的长短。随着科学技术的 发展对于轴承的要求也越来越高。轴承及轴承钢的生产和发展水平是一个国家机械工业化 水平高低的重要标志之一1 2 1 2 3 1 1 2 1 高碳铬轴承钢的种类及生产工艺过程 轴承钢是所有合金钢中要求最严格，检验项目最多的钢种，其质量的高低是衡量一个国 家冶金水平的标志。按化学成分和使用特性，在g b t 2 2 1 - 2 0 0 0 标准中，将轴承钢分为高碳 铬轴承钢、渗碳轴承钢( g 2 0 c r n i 2 m o a ，g 2 0 c r 2 n i 4 a ，g 2 0 c r n i m o a ) 、高碳铬不锈轴承钢 和高温轴承钢等四大类而用于制造滚动体的通常为高碳铬轴承钢、高碳铬不锈轴承钢、高 温轴承钢。 高碳铬轴承钢是含铬o 6 - 1 5 的高碳合金钢，塑性加工范围宽，热处理后质量稳定， 硬度高且均匀，耐磨性好，接触疲劳强度高，经过球化退火后具有良好的切削加工性能，广 泛地用于制造轴承。目前我国采用的高碳铬轴承钢主要有g c r 4 ，g c r l 5 ，c j c r l 5 s i m n , g c r l 5 s i m o ) 及g c r l 8 m o 。其中应用最广的是g c r l 5 ( 占高碳铬轴承钢使用量9 0 * , 以上b 直径 2 5 r a m 以下的滚动体及厚度2 5 r a m 以下的轴承套圈都是由g c r l 5 制造的。其冶炼方法有三种： 一是电炉流程，电炉一二次精炼一连铸或模铸一轧制一球化退火；二是转炉流程，高炉一铁 水预处理一转炉一二次精炼一连铸一轧制一球化退火；三是特种冶金流程，真空感应熔炼 ( v i m ) 、电渣重熔( e s r ) 等一轧制或锻造一球化退火。一般生产普通用途轴承钢采用电炉流 程或转炉流程对特殊用途轴承钢( 如航空轴承、铁道轴承等) ，则采用特种冶金流程生产 4 东南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 钢的球化工艺研究现状 为获得粒状珠光体的热处理工艺可统称为球化处理。由这个定义可以看出球化处理不仅 仅专指球化退火工艺，它还包括调质工艺。传统的球化退火理论认为，球化退火主要用于过 共析的碳钢及合金工具钢( 如制造刃具，量具，模具所用的钢种) 。其主要目的在于降低硬度， 改善切削加工性，并为以后淬火做好准备。然而，在材料的加工制造过程中，还常常会遇到 中低碳钢的冷冲压成型性能不好，中碳钢的综合机械性能欠佳以及感应加热和化学热处理需 要均匀的预备组织等问题，这些都与球化处理：c 艺有关。通过球化处理工艺，高碳钢将会有 一个适宜的切削加工硬度，中低碳钢具有良好冲压成型性能，而感应加热和化学热处理将会 有一个碳化物细小，致密，均匀的球化组织作为预备组织。 因此，球化工艺的目的有三个：其一，为机械加工工艺做性能上的准备，例如切削性能、 冷成型性能等；其二，为下一步热处理工艺做组织的准备，例如感应淬火、化学热处理：其 三，获得良好的综合机械性能，作为材料的最终热处理工艺，例如轴承类零件用调质钢等 钢中球化碳化物一般通过如下方式获得四j ：( 1 ) a c l 线附近温度长时间保温球化退火； ( 2 ) 通过a c l 线上短暂保温后，以非常缓慢的速度冷却来实现球化；( 3 ) 通过a c l 线上短暂 保温后，在a c l 线下某一温度保温一段时间实现碳化物球化；c 4 ) 通过a c t 线上短暂保温后， 在a c i 线上下多次升温、降温的循环方法，实现碳化物的球化；( 5 ) 通过高温淬火后，在a c l 线下某一温度长时问保温来实现碳化物的球化；( 6 ) a c - 一a o 线两相区之间长时间保温后缓 冷实现碳化物球化。生产中常用的是( 1 ) 、( 3 ) 、( 6 ) 方法进行球化退火处理陟驯。 碳化物的球化处理是高碳钢锻件、齿轮精密冷锻工艺1 2 7 1 、某些特殊要求的中碳钢p 刎 等钢材必不可少的热处理工艺。按照球化的热处理工艺方法分类，有球化退火和调质球化处 理两大类。其中，球化退火又有为低温球化退火、等温球化退火、一次球化退火和周期球化 退火等工艺。按照球化前材料的预处理工艺分类，有正火处理、等温处理p o l 、高温周溶处 理以及循环淬火处理i j l 等。 且前球化处理工艺基本上还处于上世纪五、六十年代的水平，时间长、能耗高、质量稳 定性差。例如，图1 2 所示g c r l 5 钢常规球化退火工艺的生产周期就长达9 - 1 5 | 、时，这还没有 把升温过程和出炉空冷阶段的时间包括在内。即使是图1 3 所示的周期球化退火工艺缩短了 上述生产周期，但仍然需要8 小时。2 0 c r 钢的低温球化退火以及一次球化退火工艺更是长达 5 0 小时1 3 2 1 一 n 一 图i 2c _ j c r l 5 钢的传统等温球化退火工艺图 f 嘻1 2c o n v e n t i o n a li s o t h e r m a la n n e a l i n go f c - c r l 5 东南大学硕士学位论文第一章绪论 ，疆| c伪 ：厣 i “ ； 铂 1 3g c r l 5 钢周期球化退火工艺 f i g i 3r e p e a t e da n n e a l i n go f g c r l 5s t e e l 鉴于上述传统球化退火工艺的周期长、生产效率低、设备承受负荷大的缺陷。研究材 料的学者们针对一些小件、对可以满足淬透性条件的零件提出了调质球化处理的工艺” 即使如此调质处理的加热及冷却，整个工艺周期仍然需要5 - 6 h ，而且在使用上还有限制。在 生产中，厂家总是希望球化的周期越短越好，生产效率愈大愈好，生产成本越低越好于是。 学者们对球化机制缝续进行深入的研究，期望能遴一步的缩短球化周期，提高劳动生产率， 降低生产成本。 传统高碳钢球化退火处理工艺既不明确又不规范，推荐的工艺波动范围大，甚至会引起 误会p g ，这与球化机制尚不够清楚有关。常见的有关球化机制的观点有：未溶碳化物是t 过冷分解时碳化物粒( 球) 化的核心1 4 0 “l j ；不均匀t 内的高碳区在冷却中析出的碳化物是粒 化核心1 4 2 j ；瓣内富c 、c r 区在冷却中析出的碳化物是粒化核心，而贫c ，c r 微区过冷时形成 细薄的片状珠光体p 1 ，然岳溶解、析集到已粒化的碳化物上m j ：不均匀t 内高碳区是冷却 过程中析出碳化物的核心，剩余碳化物是附加晶核，促进粒状渗碳体的形成和长大1 * l 。文 献指出。球化退火后组织中单位体积或单位面积内碳化物颗粒数与加热奥氏体化时剩余碳化 物的颗粒数相同，因此认为前者是后者长大而成。以上观点致认为，在球化退火工艺中， 奥氏体化加热时应保留大量的剩余碳化物和获得不均匀的奥氏体，但对球化的形核及长大过 程认识尚不很清楚，特别是还没涉及碳浓度不均匀的奥氏体在形核及长大过程中的作用本 质。于是。有学者提出t a c l e 温度的透烧加热奥氏体化州，叫的快速球化工艺。他们认为“加 快高碳钢球化退火应同时考虑两个方面，既要在加热奥氏体化时在晶内保留更多的剩余碳化 物颗粒还要获得碳浓度不均匀性晟大的奥氏体，使铁素体在远离碳化物的奥氏体深处单独 形核，并各自独立呈球状长大”， a c l e 媪度的透烧加热奥氏体化既可保留更多的剩余碳化物 颗粒，同时又获得具有最大不均匀性的奥氏体”。文献”在对4 5 钢球化工艺进行研究时，尽 管没有明确提出a c l e 温度的透烧加热奥氏体化。但其明确指出：在快速球化过程中，应合理 控制加热温度和保温时间，使其形成成分不均匀的奥氏体和大量未溶渗碳体组织，这是随后 等温球化的基础。 近年来，利用形变以如速球化过程的工艺得到了发展。饲如，普通碳钢的线材或棒材， 在2 0 0 - 4 0 0 t ) 温度进行塑性变形，然后在a c l 点以下的温度退火可以促进球化过程。又如把固 溶处理与毛坯锻造结合起来，即在毛坯锻造后立即淬火，然后再进行退火加热即可得到球化 组织。此种工艺不仅可以细化晶粒，而且还减少了固溶处理再次加热的工序1 4 “”j 。另外，脉 冲电场等温球化退火工艺讲j 也得到了研究，它能够大大提高等温球化退火的效率，缩短生 产周期。是一种具有极大应用价值和广阔应用前景的合金工具钢等温球化退火新工艺。 6 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 粒状珠光体的形成机理 舆氏体过冷到a h 点以下，将发生珠光体转变。发生这种转变，需要一定的过冷度，以 提供相变时消耗的化学自由能。由于珠光体转变温度较高，f e 和c 原子都能扩散较大的距 离，珠光体又是在位错等微观缺陷较多的晶界成核，相变需要的自由能较小，所以在较小的 过冷度f 就可以发生相变。 柱状珠光体的形成与片状珠光体的形成情况不完全相同。粒状珠光体是通过渗碳体球状 化获得的。 从溶解度来看，第二相粒子的溶解度与其曲率半径有关，曲率半径越小，其在基体中的 溶解度越大。该关系可由t h o m p s o n - f r i e d r i c h 方程式来描述：l n ( c , c 。) = 2 7 v ( k t r ) ，式中：o r 一半径r 界面附近的溶液浓度：c 井面界面( p m ) 附近的溶液浓度；7 一界面的表面能；v 一原子体积；t 一绝对温度。根据这一原理，可有效解释单个不规则形状碳化物自身球化的 过程。 根据胶态平衡理论，第二相颗粒的溶解度，与其曲率半径有关。靠近球状渗碳体的尖角 处( 曲率半径小的部分) 的固溶体具有较高的c 浓度，而靠近平面处( 曲率半径大的部分) 的固溶体具有较低的c 浓度，这就引起了c 的扩散，因而打破了c 浓度的胶态平衡。结果导致 尖角处的渗碳体溶解，而在平面处析出渗碳体。如此不断进行，最后形成了各处曲率半径相 近的球状渗碳体，此时各处溶解和沉淀速率一样，如图i a 所示 筘谨一焉 建 j ? 鼍- ，：一：，? 够 图i 4 自身球化示意图 f i g 1 4s c h e m a t i co f c e m e n t i t es p h d r o i d i z a t i o n ，一 从表面能来看，对相同体积的单个颗粒t 各表面积是s * * s 口 * s4 ，即非球状( 如 片状) 表面积大于同体积的球状( 或近球状、椭球状) 表面积，假设单位表面积界面能为o ，则 表面能g - - a s ，与表面积成正比，故非稳态或亚稳态渗碳体片层将通过局部溶解，扩散和 沉淀，最终呈现为稳态的球状，这是依靠表面积的减少来降低整体能量的自发过程。 图1 5 片状渗碳体破断、球化机理示意图 f i g 1 5s c h e m a t i co f l a m e l l a tc e m e n t i t e sb r e a ka n ds p h e r o i d i z a t i o nm e c h a n i s m 7 - 一 - -，一 东南大学硕士学位论文第一章绪论 渗碳体片中有位错存在，并可形成亚晶界，在同溶体( 奥氏体或铁索体) 与渗碳体亚晶 界接触处则形成凹坑，如图1 5 所示i s s l 。在凹坑两侧的渗碳体与平面部分的渗碳体相比，具 有较小的曲率半径。因此，与坑壁接触的同溶体具有较高的溶解度，将引起c 在同溶体中 的扩散，并以渗碳体的形式在附近平面渗碳体上析出。为了保持亚稳定平衡凹坑两侧的渗 碳体尖角将逐渐被溶解，而使曲率半径增大。这样又破坏了此处相界表面张力 ( tt：) 的平衡。为了保持表面张力的平衡，凹坑将因渗碳体继续溶解而加深。在 渗碳体片亚晶界的另一面也发生上述溶解析出过程，如此不断进行，直至渗碳体片溶穿，一 片成为两截。渗碳体片在溶穿过程中和溶穿之后，又按尖角溶解、平面析出长大而向球状转 化。同理，这种片状渗碳体断裂现象，在渗碳体中位错密度高的区域也会发生。 对组织为片状珠光体的钢进行塑性变形，将增高珠光体中铁素体、渗碳体的位错密度和 亚晶界数量，有促进碳化物的球化作用。 囵圈 图1 6 过共析钢中网状碳化物的破断球化过程示意图 f i g 1 6s c h e m a t i co f n e t w o r kc e m e n t i t e sb r e a k a n ds p h e r o i d i z a t i o np r o c e s si nh y p e r e m e c t o i d s t e e l 网状碳化物在加热保持过程中，也会发生破断和球化。图i 6 是过共析钢在a n 和a f h 之间的温度保持时，网状碳化物破断、球化过程示意图。由于网状碳化物往往比片状珠光体 中的碳化物片粗，所以球化过程的时间需要较长，而且碳化物的颗粒较大，常呈多角形，有 时还可能呈“一”字形和“人”字形。过共析钢球化退火的组织中，常常见到的少数多角形大颗 粒碳化物，往往就是由原来的网状碳化物转化的。 一般认为，钢中碳化物的球化，主要决定于奥氏体化的加热温度，随着温度的增高，退 火后获得片状珠光体的趋势增大。奥氏体化温度、珠光体转变温度和保持时间对碳化物形态 的影响，如图1 7 所示，图形说明奥氏体化温度为7 6 0 、8 0 0 和8 4 0 时，不同温度f 等温时间对钢硬度和碳化物形态的影响，图中带点的数字是等温保持后快冷到室温测得的硬 度，曲线为等硬度线。试验结果表明，奥氏体化温度越高，奥氏体化成分越均匀，在a r 温 度以下，碳化物易呈片状，不易球化。当等温温度过高时，不易发生珠光体转变和碳化物球 化，硬度不易降低。等温温度过低，虽然珠光体转变较快。但也不易球化。 8 东南大学硕士学位论文第一章绪论 图t 7g c r l 5 钢奥氏体化温度对a t 点以下等温碳化物形态的影响 f i g ! 7e f f e c ta u s t e n i t et e m p e r a t u r eo f g c r l 5o ni s o t h e r m a lc a r b i d em o d a l i t yb e l o w a s 国内研究表明剐，在采用普通球化退火工艺时，由于奥氏体化的温度较低，奥氏体成 分不均匀，因此奥氏体的共析转变，具有“复合过程”的特征。一是富碳区，碳化物沿未溶解 碳化物按球状化的形式析出，并伴随铁素体的形成；另一是在贫碳区，首先形成的是细片状 珠光体其中的细片状碳化物，一部分逐渐溶解并在临近的稳定碳化物上析出，另一部分长 大成较大的片状碳化物，并在随后的保温或缓冷过程中逐渐球状化，转变为稳定的粒状碳化 物 根据粒状珠光体形成机理，为了缩短球化退火时间，可以采用碳化物具有高分散度的原 始组织( 如索氏体、贝氏体、马氏体等) 和低温加热，以使加热后残留较多的细小均匀的碳 化物颗粒，他们在随后冷却时，既可作为非匀质晶核，又可减小c 的扩散距离，从而加速 珠光体转变和碳化物球化。 加热时片状珠光体中的渗碳体会破断，从而增加了冷却时的渗碳体晶核。因此，加热温 度既不能太高，以防渗碳体溶解而失去冷却时的渗碳体晶核；又不能太低，以致渗碳体片破 断不多，而保存部分片状珠光体，不利于渗碳体的球化。 1 2 4 快速球化退火 目前加速珠光体软化过程主要采用以下一种或几种方法实现： 1 ) 通过预处理改变碳化物原始形状，比如使片层状珠光体转变为退化珠光体，即由片状 9 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 到不连续片状或短棒状，缩短球化时间。 2 ) i 瞳过控制加热温度和保温时间造成奥氏体c 浓度的不均匀性，特别是通过控制加热速 度和保温时间获得朱溶碳化物，有利于铁素体和渗碳体分别形核，加速球化转变。目前该方 法在标准件厂工艺中应用比较多。 3 ) 通过控制合金元素( 如c r , m o , v , w o , b 等) ，影响原子的扩散速率或通过生成新的碳化 钫，影响奥氏体的转交产物 4 _ ) i 苗过形变引入位错、亚晶粒或改变原始奥氏体原始晶粒度等。减少临界形核尺寸、增 加形核点等，提高形变储能，加速球化。 一般认为，碳化物的球化主要取决于奥氏体化温度( 一方面要防j 碳化物完全溶解而失去冷 却时的核心，另一方面又要防止片层状碳化物的存在) ；冷却速度影响球化是否充分；加热速度 影响保温前碳化物残留的数量。该机理方面的研究【，+ 也比较多。其机理可分为1 ) 无相变( a l 温度以下) 的球化软化，由于珠光体片层状是亚稳态，它具有向界面能低的稳态球状转变的 自发过程，该过程主要通过碳化物的断裂、碳的扩散、碳化物的析出进行的，但这种转变时 间偏长，多用于对球化机理的研究，一般将它和退火软化前的形变组织联系起来进行考虑才 具有现实意义。2 洧相变的球化软化，利用成分不均匀奥氏体残余碳化物或奥氏体中离浓度 碳偏聚区的非自发形核而球化，在a l 点温度以下的加热获得节状碳化物，到a c i 温度上使节 状碳化物碎化并粒化，再缓冷到a l 下等温使碳析出在残余碳化物表面。 l 图1 8 渗碳体不同形态闻的能量差与形态转换所需的能垒值 f i g 1 8e n e r g yd i f f e r e n c eo f c e m e n t i t em d a l 姆a n de n e l g yb a 耐e ro f m o d a l 时仃a l