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教育部第二批“新工科”课程《钢铁科学与技术前沿》第七讲:特殊钢中碳化物控制技术

发布时间:2022/05/20

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5月17日,由中国金属学会和上海大学联合开设的教育部第二批“新工科”课程——《钢铁科学与技术前沿》第七讲开课。本次课程主题为“特殊钢中碳化物控制技术”,由北京科技大学李晶教授主讲。在本次课程中,李晶教授主要围绕碳化物产生及对钢性能的影响、凝固过程一次碳化物的控制、热变形过程一次碳化物控制以及二次碳化物控制技术等内容开展教学。

钢铁材料中的碳化物主要为碳与铁以及其他合金元素组成的金属化合物,按照析出的母相可以将其分为一次碳化物和二次碳化物。目前国内外刀具中普遍存在大尺寸一次碳化物和不均匀分布的二次碳化物,且随着钢种碳、铬含量的提升,碳化物的尺寸和数量都会相应增大,难以溶解。这些大尺寸碳化物虽然提高了不锈钢的硬度和耐磨性,但在一定程度上降低了不锈钢组织的均匀性。为此,李晶教授更为详细地介绍了一次碳化物和二次碳化物对于高碳马氏体钢性能的影响。以一次碳化物为例,李晶教授指出,一次碳化物会破坏金属的连续性,造成应力集中,降低钢材的可加工性能,从而降低轧制成材率。同时,一次碳化物会消耗大量碳和铬、钼、钒等合金元素,降低钢材的强度和韧性,导致钢材的耐腐蚀性能降低。

围绕凝固过程中一次碳化物控制策略,李晶教授指出可以利用稀土和镁元素改性夹杂物为碳化物提供形核核心,从而实现一次碳化物的晶粒细化。其中,细小的稀土夹杂物可以作为高温铁素体的形核质点来细化枝晶组织,进而减轻显微偏析,减少一次碳化物尺寸,促进一次碳化物分布更加均匀。此外,李晶教授指出,电渣重熔过程是一次碳化物产生的源头,更是控制一次碳化物的关键。目前针对电渣重熔过程中一次碳化物的控制措施主要围绕以下三方面,即降低电渣重熔熔速、提高冷却强度以及定向凝固技术。

紧接着,李晶教授进一步介绍了热轧工艺对一次碳化物的影响,他指出热轧开坯工艺会让一次碳化物破碎细化,使得一次碳化物分散到碳和合金元素含量较低的钢基体周围,有助于后续保温和热加工过程中扩散溶解。同时,由于热轧开坯后共晶碳化物破碎并分布在钢基体周围,界面处浓度梯度大,高温下界面处合金元素的快速迁移,从而导致少量液相薄膜的产生。而这些少量液相可以大大缩短均匀化退火所需时间,同时不损害材料的冶金质量。此外,李晶教授以二火锻造工艺为例,讲解了锻造过程中对一次碳化物的控制。二火锻造工艺即指第一火在高温区快打快锻,采用大锻造比,使一次碳化物破碎并均匀分布在基体中,缩短碳原子扩散距离,为二火高温均匀化处理做准备。第二火则采用较高的保温温度和较长的保温时间,并且配合锻造过程中机械扩散,使分散的一次碳化物溶解到基体中。李晶教授指出,在二火锻造工艺中,终锻温度略高于再结晶温度,导致绝大部分已生成的一次碳化物经过锻造后被打碎,而在锻造后期,析出的二次碳化物数量很少,从而减少了网状碳化物的形成。

最后,李晶教授围绕钢中二次碳化物的控制技术做了详细介绍。其中,李教授着重讲解了辊锻热处理技术,他指出辊锻工艺可以明显抑制回火初期刀具软化现象,并提高在低温回火过程中刀具产生的二次硬化效果。与普通刀具相比,辊锻刀具在220℃回火一段时间后在基体中出现了大量纳米级碳化物。因此,李晶教授总结到,可以通过制定合理的冷轧变形量和退火温度,固溶处理,集碳化物和组织控制于一体的辊锻热处理技术,实现控制二次碳化物细小、均匀和弥散分布的目的。


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