一种获得合金钢晶内针状铁素体的组织调控方法

1.本发明属于金属材料组织调控领域，具体涉及一种获得合金钢晶内针状铁素体的组织调控方法。


背景技术：

2.在金相组织中，晶内针状铁素体作为一种非常细小而又交叉互锁的板条状组织，分布在原奥氏体晶粒内，是一种热力学非平衡组织，一方面能够使钢的组织细化，提高其强度和硬度；另一方面，晶内针状铁素体形成的大角度晶界能有效阻碍钢中裂纹的扩展，提高韧性。晶内铁素体组织改善了管线钢、船体钢等焊接过程中热影响区性能，提升了高品质非调钢的韧性水平。因此，需要采取合适的手段对晶内针状铁素体进行调控。
3.现有技术中，一般采用氧化物冶金方法调控晶内针状铁素体，通过施加特定的非金属夹杂物或析出物控制手段，在微细夹杂物或析出相的诱导作用下，在奥氏体晶粒内形成晶内针状铁素体。但是，氧化物冶金方法调控晶内针状铁素体一般需要外场处理或特定的化学冶金方式来实现。例如，申请号为202010793049.2的中国专利公开了一种氧化物冶金强化金属组织的方法，需要通过脉冲磁场来诱导晶内针状铁素体形成。外场处理或特定的化学冶金方式对晶内针状铁素体的调控提出了较高的要求，制备过程复杂，成本高。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种获得合金钢晶内针状铁素体的组织调控方法，改善合金钢的组织结构，提高力学性能，并简化组织调控工艺。
5.为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
6.一种获得合金钢晶内针状铁素体的组织调控方法，所述合金钢含碳量》0.6wt％，合金元素》10wt％；所述组织调控方法包括如下步骤：
7.步骤s1，将合金钢半固态坯料加热至半固态温度区间，加热温度控制在高于固相线50℃以内，预设保温时间，控制液相率≤25％；
8.步骤s2，达到预定的保温时间后，在压力机上进行半固态成形，得到半固态成形制件，变形量≤50％；
9.步骤s3，完成半固态变形之后，由半固态温度区间冷却至室温，冷却速度为0.5℃/s～10℃/s；
10.在上述过程中，基于合金钢中存在的合金碳化物，在合金钢半固态变形及冷却过程中析出弥散碳化物，诱导晶内针状铁素体形核，并在冷却过程中长大，最终获得晶内针状铁素体组织。
11.作为本发明的一个优选实施例，所述半固态温度区间根据合金钢的固相线温度来制定。
12.作为本发明的一个优选实施例，所述半固态温度区间为1200℃～1300℃。
13.本发明实施例所提供的技术方案具有如下有益效果：
14.本发明实施例所提供的获得合金钢晶内针状铁素体的组织调控方法，不需要目前合金钢晶内针状铁素体调控所需的特殊化学冶金或外场处理方法，处理过程简单易行，改善了材料的组织结构，提高了材料力学性能，同时丰富了合金钢显微组织调控理论。
15.当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
17.图1是本发明实施例所提供的获得合金钢晶内针状铁素体的组织调控方法流程图；
18.图2是本发明实施例中半固态变形和冷却耦合作用下获得晶内针状铁素体工艺原理图；
19.图3是本发明实施例1中m2高速钢晶内针状铁素体形成过程显微组织变化图；
20.图4是本发明实施例1中制备m2高速钢制件室温下晶内针状铁素体组织图；
21.图5是本发明实施例1中制备m2高速钢制件室温下显微组织图ebsd取向图；
22.图6是本发明实施例1中制备m2高速钢制件室温下晶内针状铁素体尺寸信息图。
具体实施方式
23.本技术发明人在发现上述问题后，对现有的晶内针状铁素体调控方法进行了细致研究。研究发现，晶内针状铁素体作为金相组织的一部分，可以通过组织转变所需的热力学条件和动力学条件入手实现调控。其中，半固态成形作为新型的材料成形工艺，通过控制金属凝固过程获取非枝晶的半固态浆料，利用半固态浆料在固液温度区间独特的触变特性进行成形，具有缩短工艺流程、节约能源、近净成形等方面的优势。同时，半固态成形工艺下材料承受不同于传统热加工成形的变形温度、变形方式和冷却条件，固液相组织具有其独特的演变规律。以往半固态成形研究通常围绕工艺开发展开，并未有针对性地应用于半固态工艺条件下材料的组织调控。合金钢在加热至半固态温度区间时，固液相具有不同的成分和结构，导致固液相在随后冷却过程中具有不同的转变规律，碳化物溶解析出条件也不尽相同。半固态形变、冷却作用下变形储能、过冷形式和成分结构控制可以为组织转变提供热力学和动力学因素，是一种切实可行的材料组织调控手段。
24.但是，如何通过半固态成形工艺调控晶内针状铁素体的成分及含量，具体的工艺过程及参数还尚未可知。
25.应注意的是，以上现有技术中的方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本发明过程中对本发明做出的贡献。
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通
常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。
27.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。
28.经过上述深入分析后，本发明提出了一种获得合金钢晶内针状铁素体的组织调控方法，基于半固态成形理论，通过将高碳高合金钢加热至半固态温度区间后，大尺寸碳化物能够溶解到奥氏体晶粒内部，半固态变形和冷却作用能够从固相组织中析出弥散碳化物，通过弥散碳化物诱导晶内针状铁素体的形成。本发明可省略夹杂物冶金或外场处理等程序，调控过程简单易行，节约成本，同时可有效改善材料的组织结构，从而提升材料性能。
29.如图1所示，本发明实施例所提供的获得合金钢晶内针状铁素体的组织调控方法，通过对合金钢半固态变形及冷却过程组织演变进行调控，获得晶内针状铁素体组织。所述合金钢含碳量》0.6wt％，合金元素》10wt％，所述组织调控方法包括如下步骤：
30.步骤s1，将合金钢半固态坯料加热至半固态温度区间，加热温度控制在高于固相线50℃以内，预设保温时间，控制液相率≤25％。
31.本步骤中，所述半固态温度区间根据合金钢的固相线温度来制定。如图2所示，传统的热变形工艺中加热温度一般不会超过固相线温度，本实施例中所采用的半固态成形工艺，其变形温度t高于固相线温度ts，介于固相线温度ts和液相线温度t
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之间，但一般高于固相线温度50℃以内，温度过高引起液相急剧增加。一般情况下，为1200℃～1300℃。本实施例的方案适用于合金元素较高的高速钢，该类型钢中存在多种类型的合金碳化物，通过半固态成形和冷却的工艺控制具有诱导晶内针状铁素体形核的潜力，如m2、m42等高速钢。
32.本实施例中所针对的是含碳量》0.6wt％，合金元素》10wt％高碳高合金钢，其在加热至半固态温度区间后，大尺寸碳化物(如m6c、m2c)能够溶解到奥氏体晶粒内部。
33.步骤s2，达到预定的保温时间后，在压力机上进行半固态成形，得到半固态成形制件，变形量≤50％。
34.本步骤中，在半固态温度区间内进行压力变形，获得制件的基础形状。每次变形量不大于50％，若需要大的变形量才能得到最终的制件形状，可通过多次加热至半固态温度区间-变形-冷却的方式实现，通过多次变形，获得最终的制品形状。压力变形时保持合金钢的温度一直处于半固态温度区间内。
35.步骤s3，完成半固态变形之后，由半固态温度区间冷却至室温，冷却速度为0.5℃/s～10℃/s。
36.本步骤中，通过控制冷却速度，将处于半固态温度区间的合金钢材料制品进行形状固定；半固态成形过程与冷却过程进行耦合，将半固态成形时形成的相在冷却过程中保留在奥氏体组织内部，完成形核并长大的过程，形成晶内针状铁素体。所述冷却速度的控制对于晶内针状铁素体的形成也是关键因素，若温度变化过快或过慢，则无法形核和长大，从而无法得到晶内针状铁素体。优选地，所述冷却速度为3℃/s～8℃/s。
37.通过步骤s2和步骤s3的半固态变形和冷却作用的耦合，基于合金钢中存在的合金碳化物，在合金钢半固态变形及冷却过程中从固相组织中析出弥散碳化物，这些弥散碳化
物(mc)大多存在于奥氏体晶粒内部，与铁素体错配度较低，在相应的冷却速度下能够诱导晶内针状铁素体形核，晶核在进一步冷却过程中长大，最终获得晶内针状铁素体组织。
38.下面通过几个具体的实施例，对本发明进行详细说明。
39.实施例1
40.本实施例提供了一种获得合金钢晶内针状铁素体的组织调控方法，所述合金钢为m2高速钢，化学成为按质量百分数为：c 0.85，w 5.71，mo 4.71，cr 4.03，v 1.82，si 0.36，mn 0.35，p 0.026，s 0.009，其余为fe。通过差式扫描量热仪(dsc)，确定材料的固相线温度为1229℃，液相线温度为1447℃。
41.确定半固态温度区间为1229～1447℃，将m2高速钢加热至1280℃，保温30秒后，通过热模拟压力试验机进行压缩变形，变形量为40％，之后将样品以0.5℃/s冷却至室温，获得含有晶内针状铁素体组织的m2高速钢制件。
42.通过激光共聚焦显微镜对所获得m2高速钢制件进行原位观察，能够看到晶内针状铁素体在m2半固态组织中形成的过程。如图3所示，可以看到从半固态温度区间进行冷却后，在固相晶内内部析出弥散碳化物，进而晶内针状铁素体以弥散碳化物为核心析出并生长，显微组织中出现大量交错的针状铁素体条束，晶内针状铁素体组织在高温下形成，并能够完整的保留至室温。结合图4、图5和图6观察，进一步确认针状铁素体以弥散碳化物为核心形成的情况，并且铁素体条束长度和宽度具有一定规律性，宽度大致一致，长短铁素体条束共存。
43.实施例2
44.本实施例提供了一种获得合金钢晶内针状铁素体的组织调控方法，所述合金钢为m42高速钢，化学成为按质量百分数为：c 1.05，w 1.45，mo 9.71，cr 3.53，v 1.02，co 7.50，si 0.36，mn 0.35，p 0.026，s 0.009，其余为fe。
45.将m42高速钢加热至1260℃，保温30秒后，通过热模拟压力试验机进行压缩变形，变形量为30％，之后将样品以5℃/s冷却至室温，获得含有晶内针状铁素体组织的m42高速钢制件。
46.由以上技术方案可以看出，本发明实施例所提供的获得合金钢晶内针状铁素体的组织调控方法，不需要目前合金钢晶内针状铁素体调控所需的特殊化学冶金或外场处理方法，处理过程简单易行，改善了材料的组织结构，提高了材料力学性能，同时丰富了合金钢显微组织调控理论。
47.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。