固溶温度对高碳因瓦合金显微组织的影响.pdf

试验研究收稿日期:作者简介:王玉()男安徽滁州人助理研究员主要从事精密合金产品研究与开发工作:.固溶温度对高碳因瓦合金显微组织的影响王 玉田玉新姚 瑶(宝武特种冶金有限公司上海)摘 要:对直径为 及含.、.、.和.(质量分数)的因瓦合金试样分别在 、保温 固溶处理随后水冷 采用 热力学仿真软件计算了合金的平衡相图 采用金相显微镜和扫描电子显微镜检测了合金的显微组织 采用差示扫描量热仪测定了合金的液相线温度 采用万能拉伸机对合金进行了拉伸试验 结果表明:合金在浇注后的凝固过程中形成的液析碳化物固溶处理时不易溶解拉伸变形时应力易集中于此导致热轧盘圆的力学性能降低 固溶处理的合金仍含有大量粗大的链状、碳化物生产中应尽量降低因瓦合金的含碳量和浇注温度关键词:高碳因瓦合金固溶温度显微组织碳化物中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(.):.().()()().:引言近年来对高强度低膨胀因瓦合金的研究得到了高度重视美、日、俄等国也对因瓦合金进行大量研究促进了因瓦合金的发展和性能的改善 因瓦合金是含(质量百分数下同)的 合金为全奥氏体组织其强度仅为 有人提出提高合金的含碳量并添、等合金元素通过形成碳化物提高其力学性能 碳化物尺寸越小、分布越弥散强化效果越好 例如三菱制钢在 合金中添加.和.(或)合金的抗拉强度接近 平均线膨胀系数 ./日立金属开发的高强度低热膨胀合金含.热处理 年第 卷 第 期.其抗拉强度 平均膨胀系数 ./但含碳量提高会导致因瓦合金在凝固过程中形成一次链状碳化物对材料的力学性能和膨胀性能有不利影响 向雪梅等在研究 高温合金的铸态组织时发现其铸态主要析出相为 相、一次 碳化物及共晶相 铸态合金热压缩时因一次碳化物、共晶相和一次粗大 相的变形不均匀而极易开裂 经过 保温 以上均匀化处理的合金其一次碳化物才能完全消除 柴国明等在研究 高温合金中一次碳化物的形成规律时发现含碳量对一次碳化物的析出量影响较大 目前尚未弄清经不同工艺热处理的高碳因瓦合金中一次碳化物的变化规律 本文研究了不同温度固溶处理的高碳因瓦合金的显微组织变化及其机制 试验方案高强度因瓦合金含碳量一般为.为研究含碳量对合金中一次碳化物的影响本文研究用钢的设计含碳量为.具体成分如表 所示 研究用因瓦合金采用 真空感应炉冶炼将钢锭热轧成 盘圆 试样尺寸为 共计 支 采用马弗炉对试样进行固溶处理固溶温度分别为 、及 保温 水冷 采用金相制样机制备金相试样采用 光学显微镜和 扫描电子显微镜进行金相检验采用 热力学仿真计算软件计算合金的平衡相图并采用差示扫描量热仪()对测定合金液相温度采用万能拉伸机进行拉伸试验 表 研究用因瓦合金的化学成分(质量分数)单位:.试验结果图 为热轧盘圆截面的扫描电子显微图 图 表明奥氏体基体中析出了大量粗大的链状一次碳化物且主要分布在奥氏体晶界析出碳化物的能谱分析结果如表 所示 从表 可以看出析出物的主要成分为、和 可以断定为、碳化物通常为钢液凝固时形成的一次碳化物也称液析碳化物 冷拉试验时将在粗大碳化物周围产生应力集中导致合金强度和塑性下降而开裂 文献报道块状碳化物不仅易使材料断裂且由于细小弥散碳化物减少减弱弥散强化效应导致材料强度降低图 热轧盘圆的扫描电子显微图 表 合金中析出相的化学成分(质量分数)单位:图谱.检测了不同温度固溶处理的合金的显微组织结果如图 所示 经 保温 水冷固溶处理的合金中变形组织没有被完全消除有大量带状析出物 保温 水冷的合金中奥氏体发生了完全再结晶并长大奥氏体晶粒为近似规则的等轴晶但合金中的液析碳化物没有完全被消除 固溶处理的合金中奥氏体再结晶晶粒进一步长大液析碳化物发生部分溶解带状液析碳化物明显缩短 这些组织变化说明随着固溶温度的升高合金中液析碳化物溶解或部分溶解但很难完全消除经 保温 水冷固溶处理的合金中奥氏体晶粒均较粗大液析碳化物进一步溶解但并未完全溶解严重影响合金的塑性、韧性冷拉过程中试样较易断裂断口为劈裂状具有脆性断裂特征如图 所示 检测了高碳因瓦合金的力学性能其抗拉强度达到了 但塑性较差拉伸试样大都断裂在标距外部难以精确判定其断后伸长率热处理 年第 卷 第 期前期研究发现含碳量从.降低至.时因瓦合金的抗拉强度降低到了 间隙 原子强化虽能明显提高高碳因瓦合金的强度但合金塑性显著降低 如图()所示拉伸试样断口有较深的裂纹 上述试验数据说明由于有大量液析碳化物拉伸过程中易产生应力集中导致合金塑性恶化图 经 ()、()、()和 ()固溶处理的因瓦合金的显微组织图 断裂的拉伸试样()及其断口形貌()分析与讨论采用 热力学仿真软件对研究用因瓦合金进行热力学计算结果如图 所示 在 时合金中已有碳化物析出对析出的碳化物(密排立方结构碳化物)和(二次碳化物)进行成分分析结果表明该碳化物为、等的复合物成分较复杂 此外和 的晶体结构不同 由于该因瓦合金含碳量高于传统因瓦合金较易形成含、等元素的液析碳化物 导致合金浇注凝固时 有部分碳化物从 开始析出最终形成大量链状碳化物另一方面如果钢液浇注温度过高或浇注速度过快凝固过程中将产生严重偏析形成链状液析碳化物采用 液相温度分析仪检测了高碳因瓦合金液相温度结果如图 所示 合金的实际液相线温度为 生产中浇注温度为 前者比后者低 因此形成大量链状液析碳化物造成合金组织不稳定 且由于碳化物晶格畸变较大导致合金膨胀系数比奥氏体基体的膨胀系数大局部区域形成过多的链状碳化物易导致合金的膨胀性能达不到要求 固溶处理的合金中链状碳化物仍未完全溶解这是因为固态金属中碳化物溶解只能通过原子间扩散、等原子的扩散速度较低为使合金中碳化物完全溶解需有足够的保温时间使热处理 年第 卷 第 期、和 等原子充分扩散 向雪梅等研究发现一次碳化物的回溶温度约为 一次碳化物的回溶温度高甚至超过合金的熔点但均匀化开坯温度不可能达到碳化物的回溶温度因此在后续的加工过程中碳化物不能被完全消除如何使碳化物细小弥散分布是生产高碳因瓦合金的关键 合适的锭型和凝固速度能控制钢锭碳化物尺寸、分布和数量凝固前沿的温度梯度 和凝固速度 对一次碳化物的尺寸和形状有着明显影响 温度较高时合金中 元素与合金元素易偏析形成一次碳化物且温度梯度越大合金的一次碳化物尺寸也越大凝固速度较低时合金中一次碳化物能充分长大导致合金中碳化物粗大 提高冷却速率能减少碳化物形成元素的偏析减小碳化物尺寸添加稀土元素减少凝固过程中合金元素的偏析和细化晶粒能减少钢中一次碳化物的形成 从图 可以看出合金中链状碳化物开始溶解部分从链状溶解形成球状部分链状碳化物尺寸粗化 这是由于碳化物的选择性溶解所致研究发现一次碳化物形貌变化的机制为:首先碳化物网络有大量位错、层错等缺陷部分碳化物在这些缺陷处通过扩散溶解成为较小的块状其次断裂的块状碳化物表面能较高会转变为比表面能较低的球状再次是碳化物数量较多其与基体之间的界面面积很大因此较小碳化物将溶解而较大碳化物进一步粗化以降低体系的总界面能也被称为奥斯瓦德熟化过程图 研究用高碳因瓦合金的相图图 高碳因瓦合金的液相温度测试曲线冷拉线材的显微组织如图 所示 奥氏体晶粒发生了变形有大量粒状碳化物冷拉形成的滑移带有大量碳化物说明碳化物周围发生了应力集中导致合金力学性能下降图 冷拉线材尾部()和头部()的显微组织 结论()提高高强度因瓦合金的含碳量且浇注温度过高合金凝固时易形成 和 的液析碳化物降低力学性能因此生产中应适当降低合金的浇注温度和尽可能降低含碳量()凝固时形成的一次液析碳化物难以通过固溶处理消除 保温 水冷固溶处理的合金中仍含有大量粗大的链状、碳化物因此冶炼浇注时应尽量减少这种碳化物的析出()拉伸试验过程中拉伸应力易使链状碳化物周围形成明显的形变滑移带且拉伸应力易集中在链状碳化物周围导致合金力学性能降低(下转第 页)热处理 年第 卷 第 期图 弹簧表面的机械损伤()和白亮色组织()改进措施提高表面质量 消除铸坯表面的毛刺、飞边和振痕等缺陷 轧制过程中粗轧阶段采用高压水除鳞清除掉轧件表面的氧化皮避免喷丸时表面产生凹坑避免绕制时发生机械损伤和热处理时发生表面脱碳参考文献 史美堂.金属材料及热处理.上海:上海科学技术出版社.张继魁张国亮.重型汽车弹簧钢性能及应用.重型汽车():.郭泽尧邢耀进.弹簧钢疲劳寿命不稳定原因分析.金属材料与冶金工程():.夏永康赵庆凯曹掌兵等.柱塞弹簧的超声检测分析.中国设备工程():.孟耀青郑永瑞昊乾.汽车用弹簧钢线材夹杂物的控制.钢铁研究学报():.王飞.弹簧钢棒线材质量投诉的分析研究.理化检验物理分册():.(上接第 页)相含量及平均直径远小于退火的合金()随着锻造温度的升高合金中初生 相含量减少 相晶粒变细()随着锻造后冷却速率的提高合金中初生 相平均直径减小锻后水冷的合金初生 相晶粒明显小于风冷和空冷的合金且水冷的合金初生 相明显拉长参考文献 胡清熊.钛的应用及前景展望.钛工业进展():.李梁孙建科孟祥军.钛合金的应用现状及发展展望.钛合金工业进展():.王金友葛志明周彦邦等.航空用钛合金.上海:上海科学技术出版社.陈慧琴林好转郭灵等.钛合金热变形机制及微观组织演变规律的研究进展.材料工程():.刘婉颖朱毅科林元华等.热处理对 钛合金显微组织和力学性的影响.材料导报():.王晓燕刘建荣雷家峰灵等.初生及次生 相对 合金拉伸性能和断裂韧性的影响.金属学报():.(上接第 页)参考文献 王刚.铝包殷钢芯超耐热铝合金导线在工程中的应用.天津电力技术():.彭会芬孙中华.高强度因瓦合金的发展现状及展望.河北冶金():.向雪梅江河董建新等.难变形高温合金 的铸态组织及均匀化.金属学报():.柴国明陈希春郭汉杰.高温合金中一次碳化物形成规律.中国有色金属学报():.王成德.高架送电电缆用高强度低膨胀合金.金属材料研究():.陆建生毛彭龄倪和勇等.低膨胀合金碳化物析出规律的研究.宝钢技术():.樊红亮曾清华赵爱民.高碳铬钢凝固及热处理组织演变规律.钢铁研究学报():.刘江等.低膨胀合金的应用和发展.金属功能材料():.().():.热处理 年第 卷 第 期