碳化物在钢中的作用及其优化方案

热处理对钢中碳化物的影响~

试验用料双真空钢为两个炉号，电渣钢为一个炉号，双真空钢在上钢五厂的大生产中进行，冶炼工艺为：1t真空感应炉φ290mm→10t真空自耗炉φ370mm→10t真空自耗炉φ423mm，对比料电渣材在大冶特钢大生产中抽取，其冶炼工艺和化学成分见表1。

表1 试验用料的化学成分（质量分数） w（％）

编号 炉号 C Mn P S Si Ni Cr Cu Mo Ti O N 生产
工艺
(气体含量×10－6)
11＃ 243-68 1．01 0．27 0．008 0．003 0．27 0．05 1．51 0．07 0．01 0．0019 7 20 双真空
22＃ 243-67 1．03 0．32 0．008 0．004 0．29 0．05 1．50 0．07 0．01 0．0020 5 11 双真空
33＃ 11-1034 1．00 0．29 0．010 0．005 0．27 — 1.39 — — — 34 72 电渣

3组料的低倍检验结果相同，一般疏松为0.5级，中心疏松和偏析均为0级；3组料的显微组织检验结果也相同，液析为0级，网状为2.0级，带状为1.5级，球化组织为2.0级；非金属夹杂物检验结果为，氧化物均为0.5级，点状为0级，硫化物双真空材2组共6个试样，5个试样为0.5级，一个试样为1级，电渣材为0.5级。
3 试验方法和结果
3.1 非金属夹杂物的定量金相和电解试验结果
3.1.1 φ55mm试验料非金属夹杂物的定量金相检验结果 定量金相的检验工作在英国产Q10定量金相显微镜上进行，将试样放大到1000倍后进行检验。每个炉号分别检验3个部位的3个试样，每个试样检验50个视场。检验部位从心部到边缘，通过计算机报出氧化物夹杂和硫化物夹杂的粘污面积百分比和氧化物夹杂的数量、颗粒大小和分布，其结果见表2和表3。

表2 非金属夹杂物的粘污面积定量金相检验结果


编号 氧化物夹杂物（％） 硫化物夹杂（％）
试 样 号 平均 试样号 平均
1 2 3 1 2 3
11＃ 0.002714 0.002429 0.0096 0.004914 0.0276 0.0076 0.0076 0.01427
22＃ 0.003143 0.0076 0.0058 0.005514 0.0248 0.0134 0.0208 0.01967
33＃ 0.01814 0.0198 0.0264 0.02145 0.0488 0.0464 0.0359 0.04369


表3 氧化物夹杂物的颗粒大小、数量和分布的定量金相检验结果


编号 氧化物夹杂尺寸范围
总颗
粒数 ＞0～5
μm
颗粒数 ＞5～
10μm
颗粒数 ＞10～
15μm
颗粒数 ＞15～
20μm
颗粒数 ＞20μm
颗粒数
11＃ 531 525 6 0 0 0
22＃ 494 494 0 0 0 0
33＃ 721 679 34 6 1 1

备注：氧化物夹杂的颗粒数是3个试样之和
3.1.2 非金属夹杂物电解分析结果 将φ55mm的钢料改锻成φ16mm的试样，经球化退火处理后加工成φ13mm×120mm的电解夹杂的试样，该试样经840℃预热后1050℃下保温20min后油冷，以溶解钢中碳化物，便于准确分析出非金属夹杂物的含量。其结果见表4。

表4 电解夹杂试验结果


编号 氧化物夹杂（％）
SiO2 Al2O3 TiO2 FeO NiO MnO CaO MgO Cr2O3 总量
11＃ 0．00136 0．00018 无 0．00002 0．00003 0．00005 0．00014 0．00003 0．00005 0．00186
22＃ 0．00139 0．00019 无 0．00003 0．00004 0．00004 0．00010 0．00003 0．00005 0．00187
33＃ 0．00167 0．00570 无 0．00005 0．00004 0．00006 0．00017 0．00006 0．00008 0．00783


3.2 基体组织和碳化物的分析结果
双真空料采用空气炉热处理和真空热处理，电渣料仅采用空气炉热处理。空气炉热处理工艺为845～855℃加热后油淬，然后在150～180℃进行回火。真空热处理工艺为，在830℃预热后再在871℃加热后进行充气油冷，然后进行低温回火处理。3种料的不同热处理后的组织见图1～3，腐蚀剂均为4％HNO3酒精。

不同冶炼工艺的材料性能试验
3.3.1 接触疲劳寿命对比试验 接触疲劳寿命试验在JP-52接触疲劳试验机上进行，试验负荷砝码为490kg，最大接触应力为4410MPa。试验时采用自动控制，疲劳坑控制在0.5～1.0mm左右，并且可以自动计数。试验机转速为2800r／min，N32机油循环润滑。试验在5台试验机上交替运行。试样采用φ55mm退火材加工成φ52mm×φ30mm×8mm的试样。试验结果见表5和图7。

表5 接触疲劳寿命试验结果


编号 冶炼工艺 热处理工艺 接触疲劳寿命
L10×107 以0＃为
1的倍数 L50×107 以0＃为
1的倍数
1＃ VIM＋
VAR 真空热处理 4．0 1．49 15．07 3．04
7＃ VIM＋
VAR 空气炉热处理 3.27 1.22 11.20 3.25
0＃ ESR＋
VAR 空气炉热处理 2.69 1 4.98 1



图7 疲劳寿命试验的韦伯尔曲线图
1——VIM＋VAR＋真空热处理；
7——VIM＋VAR＋空气炉热处理；
0——ESR＋空气炉热处理

3.3.2 断裂韧度K1C的试验结果 断裂韧度试样由φ55mm改锻而成，其试样尺寸为12mm×24 mm×110mm，冶炼工艺、热处理工艺以及断裂韧度KIC的试验结果见表6。

表6 断裂韧度KIC试验结果


编号 冶炼工艺 热处理工艺 硬度
HRC K1C／
MPa．m1／2 以0＃为
1的倍数
1＃ 真空感应＋
真空自耗 真空热处理 59．4～59．9 18．95 1．191
7＃ 空气炉热处理 59.1 16.80 1.06
0＃ 电 渣 空气炉热处理 59.1 15.92 1


3.3.3 双真空HGCr15钢冲击韧度试验 冲击韧度试验是在JB30A冲击试验机上进行，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，无缺口试样，试验了两组，一组为真空热处理，另一组为空气炉热处理，每组试验8个试样，其冲击韧度aK分别为165J／cm2和152J／cm2。前者的aK值比后者的aK值提高9％。
3.3.4 双真空HGCr15钢耐磨性能试验 耐磨性试验是在Mn-200对滚式磨损试验机上进行，下轴转速为400r／min，上轴轴速为360r／min，无润滑，相对滑动为10％，试验负荷588.4N（60kgf），试样尺寸为φ38mm×φ16mm×10mm，每对试验时间为4h20min。每组试验6对，试验了两组不同热处理的试样，一组为真空热处理，另一组为空气炉处理的。其总磨损量分别为0.2189g和0.2226g。结果表明，双真空HGCr15钢真空处理后其耐磨性能高于常规空气炉处理的耐磨性。
4 结果分析与讨论
4.1 冶炼工艺对钢中氧含量及氧化物夹杂的影响
本次试验采用双真空冶炼工艺进行试验后发现，通过双真空冶炼工艺可以获得极低氧含量的轴承钢，其氧含量仅为(5～7)×10－6，而电渣钢材的氧含量高达34×10－6。双真空材由于氧含量的降低，其钢中氧化物夹杂含量和粘污面积明显少于电渣钢，而且其颗粒大小和分布也明显优于电渣钢。从图像分析仪分析的结果可见双真空钢中氧化物夹杂的平均粘污面积为0.0052％，而电渣钢为0.021％，后者是前者的4倍。电解夹杂物的分析结果和定量金相的分析结果相似，电解氧化物夹杂的总量，双真空钢和电渣钢分别为0.001865％和0.00783％，后者是前者的4.2倍，特别是对轴承钢接触疲劳寿命最为有害的Al2O3，双真空钢和电渣钢分别为0.00018％和0.0057％，后者是前者的31.7倍。氧化物颗粒尺寸，双真空钢明显小于电渣钢，二者的平均氧化物颗粒尺寸分别为0.005214μm和0.02145μm，后者的颗粒大小是前者的4.1倍，而双真空钢的颗粒直径全在10μm以 内，电渣钢最大颗粒直径达20μm以上。结果表明，双真空冶炼工艺对于降低钢中氧含量和 氧化物夹杂的含量，提高钢的纯洁度是行之有效的途径。
4.2 热处理工艺对钢中基体组织和碳化物的影响
双真空钢和电渣钢不管是采用真空热处理还是采用空气炉热处理，淬火回火以后基体组织均为马氏体＋碳化物，通过透射电镜的观察分析，基体马氏体组织为位错马氏体＋孪晶马氏体。扫描电镜观察结果表明，双真空钢热处理后，其钢中碳化物较细小，尺寸较均匀，大部分区域其碳化物尺寸≤1μm，只有个别区域有个别较大尺寸的碳化物，最大为0.9μm×1.2μm；而电渣钢通过空气炉处理其钢中碳化物尺寸较不均匀，并且存在一些较大尺寸的颗粒，最大为1μm×3.0μm和1.2μm×1.0μm，双真空钢通过空气炉热处理的碳化物接近真空热处理的碳化物。结果说明，双真空钢通过热处理以后，其碳化物的颗粒尺寸和均匀性以及分布状态优于电渣钢。双真空钢通过真空热处理以后其碳化物颗粒尺寸、均匀度以及分布情况最为理想。
4.3 冶炼工艺和热处理工艺对HGCr15轴承钢性能的影响
接触疲劳寿命结果表明，双真空钢通过真空淬火处理并经250℃回火后其接触疲劳寿命L10最长，为4.0×107；双真空钢通过空气炉处理的L10为3. 27×107；电渣钢通过空气炉淬火经250℃回火后的L10为2.69×107；双真空钢采用真空热处理的L10比双真空钢采用空气炉处理的L10提高22.4％，比电渣钢采用空气炉处理的L10提高49％，双真空钢采用空气炉热处理的L10比电渣钢采用空气炉热处理的L10提高22％。双真空HGCr15钢经真空热处理以后其L10更进一步提高，其原因可归纳如下：首先双真空钢的氧 化物夹杂和氧含量明显低于电渣钢，含量低者其接触寿命则高；其次，双真空钢经真空热处理后其残余碳化物颗粒较细小均匀，基体碳浓度的均匀性也较好，这些对提高接触疲劳寿命也是有利的；第三，双真空钢经真空热处理以后轴承零件表面形成压应力（－135MPa），而常规热处理（空气炉处理）后轴承零件表面形成拉应力（＋227MPa）〔3〕，表面压应 力对接触疲劳寿命的提高也有一定的作用。
双真空钢通过真空热处理后其断裂韧度KIC为18.95MPa．m1／2，而双真空材和电渣材采用空气炉热处理后的断裂韧度KIC分别为16.80和15.92MPa．m1／2，双真空钢采用真空热处理和空气炉处理其KIC比电渣钢采用空气炉处理分别提高19％和6％。因此可以说，双真空钢采用真空热处理后，其断裂韧度KIC值最高，说明其抗裂纹的形成和扩展的能力最高。
双真空钢通过真空处理其冲击韧度aK提高9％。双真空钢材采用真空热处理耐磨耗性能同样优于采用空气炉热处理的钢材。

5 结论
（1）双真空冶炼HGCr15钢中氧化物夹杂含量明显低于电渣钢，并且氧化物夹杂颗粒少而小。
（2）GCr15双真空钢和电渣钢采用真空热处理和空气炉热处理其基体马氏体的组织基本相同，均为位错马氏体＋孪晶马氏体＋碳化物。双真空钢通过真空热处理以后其钢中碳化物较细小，且尺寸均匀度及分布状态最为理想。
（3）双真空HGCr15的力学性能明显优于电渣ZGCr15钢：接触疲劳寿命L10比电渣钢提高49％；断裂韧度K1C比电渣钢提高19％；冲击韧度和耐磨性略高于电渣钢。
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一、合金元素对钢力学性能的影响
1． 溶解于铁起固溶强化作用

几乎所有合金元素均能不同程度地溶于铁素体、奥氏体中形成固溶体，使钢的强度、硬度提高，但塑性韧性有所下降。使钢具有强韧性的良好配合。

2．形成碳化物，起第二相强化、硬化作用

按照与碳之间的相互作用不同，常用的合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两大类。碳化物形成元素包括Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn等，它们在钢中能与碳结合形成碳化物，如TiC、VC、WC等，这些碳化物一般都具有高的硬度、高的熔点和稳定性，如果它们颗粒细小并在钢中均匀分布时，则显著提高钢的强度、硬度和耐磨性。

3．使结构钢中珠光体增加，起强化的作用

合金元素的加入，使Fe-Fe3C相图中的共析点左移，因而，与相同含碳量的碳钢相比，亚共析成分的结构钢（一般结构钢为亚共析钢）含碳量更接近于共析成分，组织中珠光体的数量，使合金钢的强度提高。


工程材料及成形工艺基础




合金元素对铁素体力学性能的影响



二、合金元素对钢工艺性能的影响
1．对热处理的影响

（1）对加热过程奥氏体化的影响 ：合金钢热处理可适当提高加热温度和延长保温时间

合金钢中的合金渗碳体、合金碳化物稳定性高，不易溶入奥氏体；合金元素溶入奥氏体后扩散很缓慢，因此合金钢的奥氏体化速度比碳钢慢，为加速奥氏体化，要求将合金钢（锰钢除外）加热到较高的温度和保温较长的时间。除Mn外的所有合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，尤其是Ti、V等强碳化物形成的合金碳化物稳定性高，残存在奥氏体晶界上，显著地阻碍奥氏体晶粒长大。因此奥氏体化的晶粒一般比碳钢细。

（2）对过冷奥氏体转变的影响 ：合金钢淬透性更好，可减小淬火冷速，减小淬火变形。但残余奥氏体增多

除Co外，所有溶于奥氏体中的合金元素，都使过冷奥氏体的稳定性增大，使C曲线右移，马氏体临界冷却速度减小，淬透性提高。这使得合金钢利用较小的冷却速度即能淬成马氏体组织，可减小淬火变形。因此大尺寸、形状复杂或要求精度高的重要零件需要用合金钢制作。 除Co、Al外，大多数合金元素都使Ms点降低，使合金钢淬火后的残余奥氏体量比碳钢多，这将对零件的淬火质量会产生不利影响。

（3）对回火转变的影响 ：合金钢耐回火性好，回火后强韧性配合更好，有些钢可产生“二次硬化”

合金钢回火时马氏体不易分解，抗软化能力强，即提高了钢的耐回火性，回火后能有更好的强韧性配合。 合金元素能提高马氏体分解温度，对于含有较多Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素的钢，当加热至500～600℃回火时，直接由马氏体中析出合金碳化物，这些碳化物颗粒细小，分布弥散，使钢的硬度不仅不降低，反而升高这种现象称为“二次硬化”。但有些合金钢应避免“回火脆性”的产生。

2．对焊接性能的影响

淬透性良好的合金钢在焊接时，容易在接头处出现淬硬组织，使该处脆性增大，容易出现焊接裂纹；焊接时合金元素容易被氧化形成氧化物夹杂，使焊接质量下降，例如，在焊接不锈钢时，形成Cr2O3夹杂，使焊缝质量受到影响，同时由于铬的损失，不锈钢的耐腐蚀性下降，所以高合金钢最好采用保护作用好的氩弧焊。

3．对锻造性能的影响

由于合金元素溶入奥氏体后使变形抗力增加，使塑性变形困难，合金钢锻造需要施加更大的压力吨位；同时合金元素使钢的导热性降低、脆性加大，增大了合金钢锻造时和锻后冷却中出现变形、开裂的倾向，因此合金钢锻后一般应控制终锻温度和冷却速度。

铬在碳钢中的作用是增加钢的淬透性并有二次硬化作用。
可提高高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆；含量超过12%时，使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用；还可增加钢的热强性。铬为不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素。
工业用碳钢的含碳量一般为0.05%~1.35%。碳素钢的性能主要取决于含碳量。含碳量增加，塑性、韧性和可焊性降低。
与其他钢类相比，碳钢使用最早，成本低，性能范围宽 ，用量最大。适用于公称压力PN≤32.0MPa，温度为-30-425℃的水、蒸汽、空气、氢、氨、氮及石油制品等介质。常用牌号有WC1、WCB、ZG25及优质钢20、25、30及低合金结构钢16Mn。

扩展资料
（1）按用途可以把碳钢分为碳素结构钢、碳素工具钢和易切削结构钢三类，碳素结构钢又分为工程构建钢和机器制造结构钢两种；
（2）按冶炼方法可分为平炉钢、转炉钢；
（3）按脱氧方法可分为沸腾钢（F）、镇静钢（Z）、半镇静钢（b）和特殊镇静钢（TZ）；
（4）按含碳量可以把碳钢分为低碳钢（WC ≤ 0.25%）,中碳钢（WC0.25%—0.6%）和高碳钢（WC>0.6%）；
（5）按钢的质量可以把碳素钢分为普通碳素钢（含磷、硫较高）、优质碳素钢（含磷、硫较低）和高级优质钢（含磷、硫更低）和特级优质钢。
参考资料来源：百度百科-碳钢

高稳定性碳化物作用1. 在温度和应力长期作用下不易聚集长大，则可大大提高材料的性能和使用寿命。2. 碳化物和固溶体(基体)之间不易在高温下因原子扩散作用而发生合金元素的再分配;3. 碳化物的稳定性对于钢的热强性也很重要。首先碳化物可使钢在更高的温度下工作并保持其较高的强度和硬度；4. 其次在达到相同硬度的条件下,碳化物稳定性高的钢可以在更高的温度下回火，使钢的塑性、韧性更好。所以合金钢的综合性能比碳钢好。BS你 姜宏

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