超晶粒钢的关键制备技术

yzita

1、微合金化细化晶粒

一般的晶粒细化方法是在炼钢过程中向钢液添加微合金元素(Nb、 V、 Ti、 B、 N 等)进行变质处理 ,以提供大量的弥散质点促进非均质形核 ,从而使钢液凝固后获得更多的细晶粒。这种微合金化(合金的总质量分数小于 0.1 %)是比较有效的细化钢铁材料晶粒的方法之一。在一定范围内 ,随微合金元素含量的增加 ,铁素体晶粒越细小。
晶粒细化原因有两方面:一方面,某些固溶合金化元素(W ,Mo ,Mn 等)的加入提高了钢的再结晶温度,同时也可降低在一定温度下晶粒长大的速度;另一方面,某些强碳化物形成元素(如 Nb ,V , Ti等)与钢中的碳或氮形成尺寸为纳米级 历史老照片不能说的秘密 慈禧军阀明末清初文革晚清 (20～100 nm)的化合物,钉扎晶界 ,对晶粒增长有强烈的阻碍作用 ,并且当这种纳米级化合物所占体积分数为 2 %时 ,对组织的细化效果最好。铌是钢中常加入的微合金元素 ,通常加入量小于 0.05 %,在钢中形成 NbC、 NbN 的化合物 ,在再结晶过程中 ,因 NbC、NbN 对位错的钉扎和阻止亚晶界迁移可大大延长再结晶时间 ,而且铌阻止奥氏体回复、 再结晶的作用最强烈,当钢中 w (Nb) = 0.03 %时 ,即可将完全再结晶所需的最低温度提高到 950 ℃左右,钢中加入铌 ,并通过再结晶控轧技术可使铁素体晶粒尺寸细化到6μm。钒与碳和氮有较强的亲和力 ,形成 V (C ,N)的弥散小颗粒 ,对奥氏体晶界有钉扎作用,可阻碍奥氏体晶界迁移 ,即阻止奥氏体晶粒长大,并提高钢的粗化温度;同时形成的 V(C ,N)在奥氏体向铁素体转变期间在相界面析出,有效阻止了铁素体晶粒长大,起到细化铁素体晶粒的作用。通常,钢中钒加入量控制在 0.04 %～0.12 %范围。高温下,钢中钛以 TiN、 TiC弥散析出,可以成为钢液凝固时的固体晶核,有利于结晶,细化钢的组织。钛也是极活泼的金属元素 ,能与铁和碳生成难溶的碳化物质点 ,富集在晶界处 ,阻止晶粒粗化。通常钛的加入量应大于 0.025 %。合金元素一般是以复合形式加入钢中 ,而且复合合金化处理效果比单一合金化处理效果更好。微合金化元素对形变诱导相变也有影响 ,铌可提高形变诱导相变温度 ,扩大形变诱导变形区 ,更易获得超细晶铁素体。钢中碳含量降至超低碳范围时,也容易发生形变诱导相变 ,并获得超细晶粒。但单纯的微合金化细化技术对钢铁材料组织细化有较大的局限性 ,因此应结合一定的热处理工艺进行综合细化 ,才能获得较好的效果。
2、形变诱导相变细化晶粒   形变诱导相变是将低碳钢[ w (C) ≤0.25 %]加热到稍高于奥氏体相变温度( Ac3 ) ,较高的变形速率、 足够的变形量(ε )对奥氏体进行连续快速变 形,然后急冷 ,从而获得超细铁素体晶粒的工艺。形变诱导相变细化的机理主要是在变形过程中 ,有 5 %～10 %的形变能被储存(主要是位错密度增加) ,系统自由能提高 ,增加了相变驱动力 ,使奥氏体向铁素体转变的相变点温度( Ar3 )升高 ,诱发铁素体相变 ,形成的铁素体首先在奥氏体晶界和晶内高畸变区域形核 ,随后在新生成的奥氏体/铁素体相界形核 ,且变形后进行快速冷却 ,以保持形变过程中形成的超细铁素体晶粒。  通过形变诱导铁素体相变 ,可在碳素结构钢中获得晶粒尺寸小于5μm的超细晶粒 ,对于微合金钢应用应变诱导相变技术可得到晶粒尺寸约1μm的厚度为 2 mm的超细晶粒钢带。所以 ,形变诱导相变细化晶粒已成为晶粒细化的主要方法之一。但是形变诱导相变细化晶粒技术也有一定的局限性 ,主要适用于在相变过程中可发生奥氏体 →铁素体相变的低碳低合金钢。  
3、大塑性变形细化晶粒   用大塑性变形技术也能成功制备超细晶材料。目前大塑性变形技术有: 叠轧法、 等通道挤压法及高压旋转法等。用大塑性变形技术制备超细晶方法的最大优点是: ① 无污染; ②制备的超细晶材料内部无残留孔; ③ 超细晶材料内部组织均匀; ④无机械损伤和裂纹。  
4、热处理细化晶粒  热处理细化晶粒方法主要是对钢材进行快速加热和冷却 ,以达到抑制晶核长大的一种热处理工艺。主要方法包括循环加热淬火细化和形变热处理细化 技术。
4.1、循环加热淬火细化  循环加热淬火细化技术是指选择快速加热能够形成奥氏体的最低温度和最短保温时间进行反复加热淬火来细化晶粒的方法 。具体工艺是将钢由室温加热至稍高于 Ac3的温度(常规淬火温度下限) ,在此温度下短时间保温进行奥氏体化 ,然后快速淬火冷却至室温 ,再重复此过程。
4.2、形变热处理细化
形变热处理根据变形温度的不同可分为高温形变热处理和低温形变热处理。
高温形变热处理是将钢加热到稍高于Ac3温度后保持一段时间达到完全奥氏体化 ,然后在该温度下以较大的变形量使奥氏体发生强烈变形,并保温一段时间使奥氏体进行起始再结晶 ,可通过控制高温形变参数以获得所需的形变后相变前的奥氏体组织 ,并在形变奥氏体晶粒尚未开始长大前淬火和回火 ,从而获得较细小的马氏体组织。
低温形变热处理是将淬火后的钢加热到相变点以下温度时进行大压下量变形 ,然后加热到 Ac3以上温度进行短时间保温 ,奥氏体化后迅速淬火和回火。研究结果表明 ,对低、 中碳钢 ,将回火马氏体经 80 %压缩变形后再奥氏体化 ,可得到尺寸为 0191μm 的奥氏体晶粒 ,淬火后可获得非常细小的马氏体组织。
5、新型机械控制轧制技术细化晶粒     新发展的机械控制轧制( TMCP)技术 ,即弛豫-析出-控制相变技术(RPC) ,是利用微合金元素在热机械处理(控制轧制)过程中各阶段的复合作用实现两阶段控轧 ,在终轧后经过一段控制温度和时间的弛豫过程 ,利用变形奥氏体中缺陷的回复及位错网上的应变诱导析出形成完整、 强化的位错胞状结构或亚晶 ,这些类似小晶粒的位错胞状结构在中温转变时能促进晶内铁素体或不规则粒状贝氏体的形成以及贝氏体在原奥氏体晶内形核 ,并限制贝氏体板条的长大 ,起到细化相变产物的作用。      6、磁场或电场处理细化晶粒    采用强磁场或电场可使奥氏体和铁素体的Gibbs自由能降低。由于奥氏体是非磁性相 ,而铁素体是铁磁性相,在强磁场作用下 ,奥氏体的自由能不变或只微微下降 ,而铁素体的自由能下降却比较明显,既提高了 Ar3温度 ,又增加了相变驱动力(自由能之差) ,从而奥氏体更容易向铁素体转变 ,使单位时间内形核数目增多 ,单位体积内晶粒数目也增加 ,促进了铁素体再结晶的晶粒细化。另外 ,外加电磁场将影响原子迁移的扩散速度和相变形态。因此 ,可以在热轧过程中采用间断施加磁场或电场的方法来改变 Ar3 ,反复进行奥氏体/铁素体相变 ,进而促进铁素体晶粒细化。