半钢热加工工艺性研究天津理工学院一分院材料工程系刘庆锁，吕如民，陈铭鼎，姜士俊摘要对一种 成份相当于半钢的材料进行了锻造工艺性研究，探讨锻后不同方式直接冷却下的组织性能，结果显 示其组织结构和性能有较大幅度的调整，可适于不同工程需要。关键词半钢，锻后余热处理，碳化 物一、引 言Ｆｅ—Ｃ合金钢铁材料虽然已问世几千年，但是实际被利用的只是其中一小部分， 如含碳０．０２～１．４％的钢和含碳２．２～４％的铸铁。对于含碳１．５～２％的ＦＭ—Ｃ合 金，由于其塑性加工等性能不好而一直被忽视着。目前，人们正在充分挖掘Ｆｅ—Ｃ合金性能潜力 ，扩大其应用范围，特别是在寻求一种兼顾铸铁与钢两者优势的材料上下大功夫［１］。所谓“半 钢”材料即应运而生，它就是一种含碳量介于铸铁和钢之间的材料。由于将其用于铸造轧辊所带来 的较高经济效益而引起重视，为了使“半钢”的性能更高而发挥更大的作用，从冶金角度出发，出 现了离心浇铸等特种铸造工艺［２］。但是由于这种工艺投资大、生产设备复杂而受到限制。近年 来又在尝试采用“半钢”锻造轧辊［３］。然而这方面的研究报道不多。本文旨在对“半钢”塑性 加工工艺及锻后热处理过程进行分析，讨论其内部组织与性能的变化，为“半钢”的塑性加工提供 数据依据，并为开拓其工程应用打下理论基础。二、试验材料及方法试验材料用中频感应电炉冶炼 ，其成份见表１。采用砂型直接浇注成φ２５圆棒与２０ｘ２０的条形试块。将圆棒试样去掉浇口 后截成７０ｍｍ长，送入电炉中加热，然后在１０００ｋＮ压力机上压缩至出现第一条纵向裂纹为 止。计算压缩比ε（ε＝，其中△Ｈ为压缩量，Ｈ为试样原始高度），画出不同温度下的ε曲线如 图１所示。对于条形试块，在４００ｋｇ空气锤上采用旋转９０°反复锻造拔长，锻后分别进行空 气、油或水三种方式冷却，然后分别加工成短标准拉伸试样与标准梅氏冲击试样，进行机械性能测 定。与此同时对锻压冷却试样进行金相组织观察。三、试验结果与分析１．铸态组织分析试验用材 的含碳量处于Ｆｅ—Ｃ相图上钢与铸铁分界点Ｅ附近，其室温铸态组织与亚共晶白口铸铁相近如图 ２所示，由珠光体、二次渗碳体、变态莱氏体和部分离异共晶体组成。在相构成上，有碳化物与铁 素体两相，前看为硬相，后者属软相。组织中的碳化物形态分布主要有网状、针状和大块状三种、 因而严重地割裂了基体，使组织的强韧性和塑性过低。再加上铸态组织中自然存在的各种冶炼缺陷 ，如成份偏析、疏松、微裂纹、夹杂和气孔等，致使材料在常温下不能进行塑性加工，材料的潜力 因而得不到充分发挥。２．锻造加工状态组织分析热压缩试验结果表明，用材在加热温度达到８０ ０℃时已有较高的热塑性（ε＝０．４），在８００℃～１１００℃的温度区间内，热塑性水平较 高。曾秀实等［３］做的热拉伸试验结果与本文结果相吻合。本文拔长试验就是采用了这个加热区 间。在采用相同锻后冷却方式的情况下，对不同锻比情况组织观察表明，当锻比较低时，
铸态组织 缺陷不能全部消除，如断网不彻底，组织细化程度不高等；当锻比过大时，虽然碳化物的击碎程度 较大，但由于组织进行了大的塑性变形，锻后组织易于取向，也不利于细化碳化物。大量对比试验 观察结果表明，锻比为４左右时的组织状态最佳。以下就是针对锻比为４左右的情况所进行的组织 分析。图３显示了锻后空冷、油冷和水冷状态下的组织照片，观察表明，组织中的碳化物形态发生 了根本性的变化：网状组织不存在了；大块碳化物被破碎且棱角明显圆钝；出现了较均匀分布的颗 粒状碳化物。这是因为锻造加热超过８００℃时，发生了由珠光体到奥氏体的逆转变；二次碳化物 溶入奥氏体和碳化物本身球化等过程。另外，金属塑性变形中碳化物碎化的同时，奥氏体晶粒内部 或晶间也存在着塑性变形。由于高温变形时间较短，动态回复与再结晶作用较弱，因而变形后在组 织中引入较多的晶体缺陷（诸如位错等）。在随后冷却中，这些晶体缺陷区就成为诱发碳化物析出 之源，因而在锻后冷却组织中存在大量均匀分布的颗粒状碳化物（见图３ａ、ｂ）。由于油介质比 空气的冷却能力强，囚向至冷时碳原子更有时间问晶体缺陷处偏聚，或长程扩散使析出碳化物颗粒 的能力更强，同时碳化物生长能力也大，这便是图３ａ组织中碳化物量多且颗粒粗大的原因。值得 注意的是图３ｃ的水冷组织，组织状态与图３ａ、ｂ显示的组织有很大的差异。将该组织放大（图 ３ｄ）看出，其中存在马氏体或贝氏体的针状非平衡组织。这是由于塑性加工后，试样本身温度较 高（一般在８００℃以上），又由于冷速快，碳原子来不及充分运动而析出碳化物，使奥氏体碳过 饱和而抑制了平衡转变，最终形成了一些非平衡相变产物。以往，人们在考查热加工对材料组织和 性能影响时，一般都按热塑性加工和热处理两段进行，前者主要用于改善铸态组织结构缺陷，而后 者主要用于调整组织性能。这种传统的工艺过程控制比较复杂而且耗费能源。现在对某些钢种已采 用了锻后余热处理来弥足了传统工艺的不足。图３ａ、ｂ、ｃ三种组织状态不同亦表示半钢材料锻 后采用不同的冷却方式，将有较大的组织结构变化，也即可以通过不同冷却方式以较大幅度地调节 组织，进而获得不同的性能需要。３．热加工性能表２列出了铸态、锻后不同冷却状态及其它处理 状态下的性能指标。铸态下虽然硬度值较高，但冲击韧性αｋ值却很低。锻后状态虽然硬度水平下 降，但抗拉强度σｂ及冲击韧性αｋ值却有较大幅度的提高。特别是油冷状态的σｂ和αｋ两者的 搭配程度最好。高碳合金材料一般是很难进行机加工的。白口铁的运用之所以受局限，这是原因之 一。本试验所用材料在铸态组织结构上虽然近于白口铁，但通过９５０℃下的多重球化退火，其硬 度ＨＲＣ可小于３０，这对机加工是有利的。为了与常规热加工处理过程比较，还做了锻后重新加 热至８８０℃油淬，再高温回火的试验，其性能指标同列于表２。与锻后直接油冷的性能指标相比 看出，不仅σｂ，而且αｋ值都相差不多。金相分析比较也表明，两者在组织结构上也很相近，均 是由珠光体基体加均布的颗粒状碳化物组成。说明锻后直接冷却处理作为工程实际应是适宜的。四 、结论（１）本试验所用材料在８００℃～１１００℃温度范围内有较高的热塑性；（２）热塑性 加工对该材料的铸态组织有较大的改善。特别是锻后采用不同方式直接冷却，其内部组织结构有较 大变化。可以根据不同性能要求，采用不同冷却方式进行组织调整；（３）本试验用材在适当处理 后，具备钢与铸铁材料的性能优点，可在工程上应用。参考文献｜｜［１］佐藤一郎等 日本金属 学会会报 ２０（８），１９８１７０２［２］北京钢铁学院轧钢机械设备冶金工业出版社１９８ ４［３］曾秀实机械工程材料（３）．１９８９１５半钢热加工工艺性研究@刘庆锁，吕如民，陈 铭鼎，姜士俊$天津理工学院一分院材料工程系半钢，锻后余热处理，碳化物对一种成份相当于半 钢的材料进行了锻造工艺性研究，探讨锻后不同方式直接冷却下的组织性能，结果显示其组织结构 和性能有较大幅度的调整，可适于不同工程需要。［１］佐藤一郎等 日本金属学会会报 ２０（ ８），１９８１７０２［２］北京钢铁学院轧钢机械设备冶金工业出版社１９８４［３］曾秀实机 械工程材料（３）．１９８９１５３ａ、ｂ、ｃ三种组织状态不同亦表示半钢材料锻后采用不同的
冷却方式，将有较大的组织结构变化，也即可以通过不同冷却方式以较大幅度地调节组织，进而获 得不同的性能需要。３．热加工性能表２列出了铸态、锻后不同冷却状态及其它处理状态下的性能 指标。铸态下虽然硬度值较高，但冲击韧性αｋ值却很低。锻后状态虽然硬度水平下降，但抗拉强 度σｂ及冲击韧性αｋ值却有较大幅度的提高。特别是油冷状态的σｂ和αｋ两者的搭配程度最好 。高碳合金材料一般是很难进行机加工的。白口铁的运用之所以受局限，这是原因之一。本试验所 用材料在铸态组织结构上虽然近于白口铁，但通过９５０℃下的多重球化退火，其硬度ＨＲＣ可小 于３０，这对机加工是有利的。为了与常规热加工处理过程比较，还做了锻后重新加热至８８０℃ 油淬，再高温回火的试验，其性能指标同列于表２。与锻后直接油冷的性能指标相比看出，不仅σ ｂ，而且αｋ值都相差不多。金相分析比较也表明，两者在组织结构上也很相近，均是由珠光体基 体加均布的颗粒状碳化物组成。说明锻后直接冷却处理作为工程实际应是适宜的。四、结论（１） 本试验所用材料在８００℃～１１００℃温度范围内有较高的热塑性；（２）热塑性加工对该材料 的铸态组织有较大的改善。特别是锻后采用不同方式直接冷却，其内部组织结构有较大变化。可以 根据不同性能要求，采用不同冷却方式进行组织调整；（３）本试验用材在适当处理后，具备钢与 铸铁材料的性能优点，可在工程上应用。参考文献｜｜［１］佐藤一郎等 日本金属学会会报 ２ ０（８），１９８１７０２［２］北京钢铁学院轧钢机械设备冶金工业出版社１９８４［３］曾秀 实机械工程材料（３）．１９８９１５半钢热加工工艺性研究@刘庆锁，吕如民，陈铭鼎，姜士俊 $天津理工学院一分院材料工程系半钢，锻后余热处理，碳化物对一种成份相当于半钢的材料进行 了锻造工艺性研究，探讨锻后不同方式直接冷却下的组织性能，结果显示其组织结构和性能有较大幅度的调整，可适于不同工程需要。［１］佐藤一郎等 日本金属学会会报 ２０（８），１９８１７０２［２］北京钢铁学院轧钢机械设备冶金工业出版社１９８４［３］曾秀实机械工程材料（３）．１９８９１５
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