新型材料超高碳钢的研究与展望

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２Ｏ卷第６期　２００７年１１月　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　机电产品开发与剀崭　Ｖｏ１．２０，Ｎｏ．６　ＮＯＶ．。２００７　新型材料超高碳钢的研究与展望　孔令来，石淑琴，何四平，李运生　（天津职业大学，天津３００４０２）　摘要：超高碳钢是国内外近年来发展起来的一种新型的、并具有重要发展前景的高，陛能钢铁材料。新　型材料超高碳钢的研究热点包括：开发新的高效率、低成本适于规模生产的新钢种，以及超高　碳钢合金化、相图热力学、相变动力学等基础研究工作。　关键词：超高碳钢；制备工艺；合金化；组织，陛能　中图分类号：ＴＧ１ｌ１．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—６６７３（２００７）０６—０４３－０２　１　碳化物也易于从奥氏体晶界处析出。这些都会造成超高　０引言　ｌ　碳钢的脆性。Ｏ　Ｄ　Ｓｈｅｒｂｙ等人首先采用形变热处理的手　超高碳钢是碳含量为１．０～２．１（ｗｔ％）的铁基合金材　ｌ　段。改变了碳化物的分布形态。使超高碳钢的组织得到　　料。超高碳钢的最早工业实例是大马士革［１】，其碳含　：　充分细化．从而使超高碳钢呈现出独特的力学性能特征。量为１．５％。２０世纪７０年代中期，美国斯坦福大学首先　ｌ　综合国内外近３０年来的研究成果，可将超细晶超高碳钢　　进行了超高碳钢的超塑性研究，之后美国国家实验室　Ｊ　的制备工艺分为：形变热处理工艺、普通热处理工艺、ｌ　也开展了超高碳钢的研究。并取得了一系列专利［２－５１。　：　粉末冶金工艺以及喷射成形工艺四大类。在四大类工艺　此外．日本等国也开展了对超高碳钢的研究【　。进入　ｌ　中．普通热处理工艺是最经济实用的工艺。目前，国外　　２１世纪．我国在超高碳钢方面也开展了研究［９－　。采用　ｌ　采用的普通热处理工艺主要是淬火一高温回火工艺嗍；ｌｌ　等人２００４年提出正火球化处理工艺，王宝　适当的制备工艺获得无网状碳化物的超细晶超高碳钢，　Ｉ　国内许雁ｆ４年提出复合球化工艺。以上普通热处理　不仅在中、高温下具有高变形速率的超塑性特性，而且　：　奇㈣等人２００陛．但硬度较低。使　在室温下具有良好的综合力学性能。超细晶超高碳钢不　ｌ　工艺所得组织均具有高强度、高塑，仅有望替代部分中高碳钢制作工模具、钢丝、结构件，　ｆ　普通热处理法制备的超高碳钢作为工模具及耐磨件的应　从而显著提高其使用寿命，而且利用其中、高温下良好　ｌ　用受到限制。石淑琴Ⅱ习２００６年提出超高碳钢淬火一中温　　的固态连接特性，还可与自身或其它金属基材料连接制　－　回火工艺。组织具有超高强度、高硬度。但塑性较低。备成新型高性能层状复合材料，是一类极具工业化应用　ｌ　前景的新型材料。　ｌ　ｌ　２超高碳钢的研究热点　开发新的高效率、低成本适于规模生产的超高碳钢　１超高碳钢的研究现状　：　日本钢铁协会会长牧正志教授认为，铁素体和渗碳　ｌ　１　学等基础研究工作。石淑琴生产工艺，涉及超高碳钢合金化、相图热力学、相变动力　１１］２００５年对铝铬多元合金化　６ｍｏ—Ｃａｌｃ热力学相图计算软　体是钢的最基本组织，利用占共析组织１２％的渗碳体强　ｌ　超高碳钢，利用权威性的Ｔｈｅｒ化是当今钢铁研究的一个重要方向［８１。超高碳钢就是主　：　件计算的较高铝含量相图，与试验结果相比误差较大，需　要利用渗碳体强化。超高碳钢的研究将成为国内外钢铁　ｌ　要对Ａ１、Ｃｒ元素在超高碳钢中的交互作用机理以及这些　界的重点课题。　　元素的交互作用对扩散型相变过程中组织演变产生的影　１ｃ热力学相图计算软　超高碳钢在常规铸造的凝固过程中．很难避免碳的　Ｉ　响进行深入研究，完善Ｔｈｅｒｍｏ—Ｃａｌ偏析以及粗大碳化物的形成，而且在热加工中粗大网状　：　件。对合金超高碳钢的相平衡计算，以及Ａ１、Ｃｒ复合添　收稿日期：２００７—１０—２２　　Ｉ加的作用机理、合金元素的最佳配合的研究．国内外尚无　报道，大量的研究工作仅限于对某种成分下的具体试验结　基金项目：天津市应用基础研究计划项目（０７ＴＣＹＢＪＣ０３４００）Ｉ　作者简介：孔令来（１９５６一），男，江苏靖江人，高级工程师，－　果以及组织特征与性能的统计关系的研究。合金化特别　副院长。获省部级科技进步二等奖一项、三等奖两项。　　是Ａ１、ｓｉ元素与Ｃｒ复合添加，对超高碳钢平衡相变热力　ｌ４３　维普资讯 http://www.cqvip.com

·开发与创新·　学、组织转变动力学影响的机理，合金元素添加的最佳　成Ａｌ、Ｃｒ合金化超高碳钢相平衡计算软件系统。作为　配合的机理研究很少，这需要对Ｃｒ、Ａｌ、ｓｉ元素在超高　ｒＩ１１ｅｍｌ０一Ｃａｌｃ相图计算软件的补充；提出Ａｌ、Ｃｒ合金化　碳钢中的交互作用的机理以及这些元素的交互作用．对　超高碳钢组织控制的有效途径，为超高碳钢的成分设　扩散型相变过程中组织演变产生的影响进行深入研究。　计、组织控制提出定量理论依据；研制出节约资源环保　已有的研究工作均表明，Ａｌ的添加．对网状碳化　型高性能的超高碳钢新型工模具及耐磨件材料。　物析出有明显的抑制作用以及对层片状珠光体有显著的　参考文献：　细化效果，但作用的机理不明，Ａｌ作为合金元素，当添　［１】Ｃｌａｒｋｅ　Ｂ　Ｄ，Ｍｃｌｖｏｒ　Ｉ　Ｄ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｐｌａｉｎ　ａｎｄ　ａｌｌｏｙｅｄ　加量在１％以上时，在钢中的作用的基础研究很少。Ｓｉ　ｕｌｔｒａｈｉｇｈ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｅｅｌ　ｗｉｒｅ　ｍｄ田．Ｉｒｏｎｍａｋｉｎｇ　ｎａｄ　Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ，１９９１．　的影响，亦有少量的报道，与Ａｌ的作用类似，但有所　［２】Ｓｈｅｒｂｙ　Ｏ　Ｄ，Ｏｙａｍａ　Ｔ，Ｗａｄｓｗｏｒｔｈ　Ｊ．Ｄｉｖｏｒｃｅｄ　Ｅｕｔｅｃｔｏｉｄ　Ｔｍｎｓｆｏｒ．　不同．如报道的Ｓｉ对网状碳化物析出有抑制作用。但　ｍａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　ｏｆ　Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｓｔｅｅｌｓ［Ｐ】．Ｕｎｉｔｄｅ　Ｓｔａｔｅｓ　Ｐａｔｅｎｔ：４　４４８　６１３，１９８４．　会产生魏氏组织碳化物。与Ａｌ的作用不同的原因还不　［３】Ｏｙ￣ｍａ　Ｔ，Ｓｈｅｒｂｙ　Ｏ　Ｄ．Ｕｌｔｒａｈｉ　ｇｈ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｓｔｅｅｌｓ　Ａｌｌｏｙ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　清楚。对添加元素间的合理配合缺乏系统研究。借助于　Ｔｈｅｒｅｏｆ［Ｐ】．Ｕｎｉｔｅｄ　Ｓｔａｔｅｓ　Ｐａｔｅｎｔ：４　５３３　３９０，１９８５．　相图计算的基本原理。利用在其它体系已经评估的各种　［４】Ｓｈｅｒｂｙ　Ｏ　Ｄ，Ｋｕｍ　Ｄ　Ｗ，Ｏｙ￣ｍａ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｓｔｅｅｌｓ　相关元素之间的热力学相互作用系数，通过最优化技　Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ［Ｐ】．Ｕｎｉｔｅｄ　Ｓｔａｔｅｓ　Ｐａｔｅｎｔ：４　７６９　２１４，１９８８．　术。从相平衡热力学原理出发。对不同成分多元超高碳　［５】Ｓｔｒｕｍ　Ｍ　Ｊ，Ｇｏｌｄｂｅｒｇ　Ａ，Ｓｈｅｒｂｙ　Ｏ　Ｄ，ｅｔ　ａ１．Ｔｒｎａｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ］￣＇ｏｃｅｓ８　钢进行相平衡计算。从理论上考察不同Ａｌ、Ｓｉ含量对平　ｆｏｒ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｓｔｅｅｌｓ　ａｎｄ　Ｎｅｗ　Ａｌｌｏｙ［Ｐ】．Ｕｎｉｔ－　衡相变特征参量的影响。在理论计算结果的基础上，对　ｄｅ　Ｓｔａｔｅｓ　Ｐａｔｅｎｔ：５　４４５　６８５，１９９５．　制备的超高碳钢，测定其相变点，进行验证。利用先进　［６】Ｓａｔｏ　Ｅ，Ｆｕｒｌｍｏｔｏ　Ｓ，Ｆｕｒｕｈａｒａ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ＳＵ－　的测试手段对Ａｌ、ｓｉ合金化的超高碳钢进行显微组织分　ｐｅｒ－ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ｏｆ　ａｎ　Ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｅｅｌ叨．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｆｏｒｕｍ，１９９９．　析，探索抑制网状碳化物析出的机理。对于锻造后的试　［７】冈出元宏，时实正治，Ｓｈｅｒｂｙ　Ｏ　Ｄ．实用轴受钢　超微细结晶粒化　样，完善组织超细化的处理工艺，测试相应的室温力学　超塑性［Ｊ】．铁　钢，１９８１．　性能以及中温超塑性，探索超细化组织与性能的关系。　［８】古原忠，牧正志．超微细７工　·七　５－夕　组织　圣　机　为了实现更有效的组织控制，在理论热力学计算的基础　械的性质［Ｊ】．Ｍａｔｅｒｉａ　Ｊａｐａｎ，２０００．　上．结合试验数据。建立离异共析相变球化退火过程中　【９】章靖国，史海生，林一坚，等．一种具有非调质超塑性的超高碳钢　组织演变的动力学模型。　基材获得方法及其应用［Ｐ】．中国专利：ＣＮ１３６７２７２Ａ，２００２—０９—０４　超高碳钢的室温性能目前主要研究的是拉伸强度及塑　［１Ｏ】王军，徐政，史海生，等．喷射成形１．８Ｃ一１，６ＡＬ超高碳钢快速凝　性．而对疲劳强度、冲击韧性等则研究较少。作为工模具　固组织研究【Ｊ】．材料热处理学报，２００３．　及耐磨件其抗弯性能、冲击韧性及耐磨性的研究极其必要。　［１　１】许雁，柳永宁．超高碳钢组织与性能的研究叨．机械工程材料，２００４，　［１２】朱杰武，许雁，葛利玲，等．１．４％Ｃ超高碳钢显微组织与疲劳性能　针对某几个元素在超高碳钢这样一个具体对象中展　的研究册．材料热处理学报，２００４．　开上述问题的基础研究，具有材料科学中的广泛意义，　［１３】王宝奇，宋晓艳，李红娟，等，含铝超高碳钢等温球化工艺的研究　物质的相互作用以及这种相互作用的机理认识一直是材　叨．材料科学与工艺，２００４．　料科学前沿的重要课题。超高碳钢的抗弯性能、冲击韧　【１４１　Ｐｅｎｇ　Ｈｕｉｆｅｎ，Ｗａｎｇ　Ｂａｏｑｉ，ｅｔ　ａ１．Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｉｕｍ　ｏｎ　ｒｎｉｃｒｏｓｔｒｕｃ－　性及耐磨性的研究，对超高碳钢工模具及耐磨件的应　ｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｌｔｒａｈｉｓｈ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｅｅｌ。Ｊ．　用．具有现实的工程指导意义。　Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏ１．２００４．　［１５】石淑琴，王宝奇，古原忠，等．超高碳钢的回火组织及力学性能叨．　３超高碳钢的研究展望　钢铁研究学报。２００６．　［１６】石淑琴，王宝奇，古原忠，等．超高碳钢化学成分中铝含量的合理　超高碳钢的研究前景包括：基于相平衡计算技术和　选择［Ｊ】．兵器材料科学与工程，２０ｏ５．　试验测定，阐明Ａｌ、Ｃｒ合金化对铁碳相图的影响，完　Ｔｈｅ　Ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｏｆ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｎｅｗ　Ｓｕｐｅｒ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｓｔｅｅｌ　ＫＯＮＧ　Ｌｉｎｇ－Ｌａｉ，ＳＨＩ　Ｓｈｕ—Ｑｉｎ，ＨＥ　Ｓｉ－Ｐｉｎｇ，ＬＩ　Ｙｕｎ－Ｓｈｅｎｇ　（Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　ＣｏＵｅｇｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００４０２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｅｅｌ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｈｉ【ｇｈ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｉｒｏｎ　ｍａｔｅｒｉｌａ　ｗｈｉｃｈ　ｄｅｖｅｌｏｐｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ　ｉｎ　ａｎｄ　ＯＵｔ　ｏｆ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ，　Ｉｔ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｇｒｅａｔ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ，Ｔｈｅ　ｈｏｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｐｏｔ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｎｅｗ　ｉｒｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ：Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｎｅｗ　ｈｉｇｈ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｔ，ｌｏｗ　ｃｏｓｔ　ｓｔｅｅｌ　ｗｈｉｃｈ　ｆｉｔ　ｓｃａｌｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｂａｓｉｃ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｅｅｌ　ａｌｌｏｙａｇｅ，ｐｈａｓｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ，ｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｄｙ－　ｎａｍｉｃｓ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ，　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｅｅｌ；ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｃｒａｆｔ；ａＵｏｙａｇｅ；ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ