[发明专利]一种用于高碳钢的热机械处理工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种热机械处理工艺，特别涉及一种用于制备具有超细化复相组织的高碳钢的热机械处理工艺。

背景技术

晶粒细化是提高材料的强度和保持其塑性的有效手段，超细晶(5μm以下)材料具有超高硬度、优异的压缩和拉伸强度，而且在一定温度下存在超塑性变形能力。但当晶粒尺寸降低到微米以下时，在强度显著提高的同时强屈比迅速下降，塑性(特别是最重要的延性指标-均匀延伸率)降低。这主要是由于组织超细化使材料的加工硬化率明显下降。而合理的相控制可以有效改善材料的加工硬化能力，升高材料的强屈比，提高强韧化水平。例如，可以通过分散的第二相颗粒(渗碳体或马氏体)改善超细晶钢铁材料的加工硬化能力，提高超细晶钢铁材料的室温均匀延伸率。通常将由晶粒尺寸小于5μm的铁素体基体和尺寸小于1μm的渗碳体粒子组成的显微组织称为超细化复相组织。

按质量分数计，高碳钢的含碳量在0.60％以上，其平衡态组织以片层状珠光体为主。片层状珠光体具有较高的强度，但塑性较差，限制了高碳钢的工业应用。特别是对于过共析钢，常态组织中还含有网状渗碳体(先共析渗碳体)，使塑性进一步恶化。为了改进高碳钢的机械加工性能，通常需要对其进行球化处理以得到球化的渗碳体粒子与铁素体基体的复相组织。常规球化退火热处理工艺周期长、能耗多，获得的球化珠光体组织较粗大，虽然能够提高高碳钢的塑性，但使其强度明显下降。为了缩短球化退火的时间，各国研究人员一直致力于改进共析钢的球化退火处理工艺。例如，通过循环退火的方法可以明显缩短球化退火时间，但所得球化组织仍较为粗大。

而利用形变促进球化处理，在显著缩短球化时间的同时可以获得超细化复相组织。Sherby等人最先对这一现象进行了研究，研究对象主要是碳含量在1.0～2.0％范围内的高碳钢。Sherby等人在美国专利3951697和美国专利4448613中公开了用于制备具有超细化复相组织的高碳钢的几种热机械处理工艺，包括热变形+珠光体温变形、热变形+珠光体冷变形+退火、回火马氏体温变形和回火马氏体冷变形+退火、热变形+珠光体温变形+(γ+θ)两相区退火和热变形+珠光体温变形+(γ+θ)两相区退火+温变形等工艺。虽然这些工艺能够有效地将碳含量在1.0～2.0％范围内的高碳钢的显微组织转变为超细化复相组织，但是上述工艺需要大的累积应变量(典型的累积应变量为3.0)，而且一般仍然需要进行几十分钟到几个小时的退火，耗费能量依然较多。

针对这些问题，发明人在专利ZL200710063576.2中提出了一种基于过冷奥氏体动态相变的热机械处理工艺。与Sherby等人提出的工艺相比，该工艺通过过冷和变形的双重作用使奥氏体直接向珠光体转变(动态珠光体相变)，而不是先形成网状渗碳体再形成珠光体，不需要如Sherby等人在其专利中所强调地首先利用热变形破碎网状渗碳体，从而简化了变形工艺，减小了所需要的应变量。室温力学性能测试结果表明，通过该工艺制备的超细化复相组织的抗拉强度在1000～1200MPa范围内，延伸率不足10％，明显低于等温球化退火获得的球化组织(延伸率在15～25％之间)，限制了其工程应用范围。发明人发现，通过该工艺制备的超细化复相组织的铁素体基体中大角度晶界分数仅约为60％，而等温球化退火条件下大角度晶界分数则高于80％(见“MicrostructureEvolution of a Pearlitic Steel with the Initial Microstructure of Undercooled Austenite duringHot Deformation and Subsequent Annealing”，METALLURGICAL AND MATERIALSTRANSACTIONS A，2008，39A(3)：624～635)。发明人认为，通过提高铁素体基体中大角度晶界分数，有望获得延伸率较好的具有超细化复相组织的高碳钢。

因此，为了拓展具有超细化复相组织的高碳钢的工程应用范围，有必要开发一种能够使高碳钢超细化复相组织的铁素体基体中大角度晶界分数高于80％的累积应变量小且无须长时间退火的热机械处理工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制备具有超细化复相组织的高碳钢的热机械处理工艺，所述超细化复相组织由晶粒尺寸小于5μm的铁素体基体和尺寸小于0.5μm的渗碳体粒子组成，并且铁素体基体中大角度晶界分数高于80％。该工艺不仅过程简单，而且可以改善高碳钢的强度与塑性配合。