一种应用脉冲电流促进亚共析钢石墨化的方法
【专利摘要】一种应用脉冲电流促进亚共析钢石墨化的方法，属于生产机械结构用易切削钢方法的领域。其特征是将钢材置于热处理炉中，钢材的两端与炉外脉冲电源用导线联接，当钢材加热到石墨化温度620～680℃(由于引入脉冲电流，可较常规石墨化温度低30～50℃)，打开脉冲电源，输入电流密度为50～200A/mm2、频率为10～50Hz的脉冲电流，保持30～120min后，钢材随炉冷却至室温即可实现石墨化。该方法在金属加热到满足热力学条件的同时，再输入低密度脉冲电流，提高碳原子扩散速度和位错运动能力，可在较短时间内实现石墨化，为后续加工(如切削加工)提供理想的预备组织，即铁素体和石墨。
【专利说明】
一种应用脉冲电流促进亚共析钢石墨化的方法
技术领域
[0001]本发明属于生产机械结构用易切削钢方法的领域，主要是涉及一种应用脉冲电流迅速有效地促进亚共析钢石墨化的方法。
【背景技术】
[0002]随着国民经济的发展，自动机床的数量迅速增加，其应用范围也日益扩大。同时，由于采用新型刀具和新工艺，使切削速度日趋提高，要求各种机加工件的表面粗糙度和精密度更加严格，因此，钢的可切削性受到普遍重视。各国竞相研制具有优良可切削性的钢种--易切削钢。目前，易切削钢主要消费国均为发达国家，我国的易切削钢消费量还很少，但在不断扩大。易切削钢在汽车、拖拉机、摩托车、航空、航天、卫星、战略导弹及常规武器零部件、办公及电子设备等领域中应用广泛。
[0003]常用的是硫系和铅系易切削钢，其冶炼时空气污染严重，且铅有毒，对人体有害。铅易切削钢的使用将逐渐受到限制，欧共同体已经限制回收含铅的汽车构件。因此，开发和生产环境友好的低硫、无铅易切削钢是重要的发展方向。
[0004]石墨易切削钢正是顺应这种发展趋势而提出的，它主要利用钢中弥散分布起起润滑作用和断肩作用的石墨粒子来提高切削性能。利用石墨化技术来开发易切削钢，打破了利用脆性易切削元素来改善钢的切削性能的传统观点，易切削元素在给材料带来脆性的同时，降低了材料的工艺性能和使用性能。石墨易切削钢被业界认为是一种同时具有较高切削性能和冷成型性能的“绿色环保”的新钢材。
[0005]石墨易切削钢是具有亚共析成分的钢种。众所周知，具有亚共析成分的钢的石墨化过程缓慢，工业应用一直很难。缩短石墨化过程，是该钢种能否工业用的关键。因此，寻求一种新的途径来加速该钢的石墨化过程，将具有极其重要的理论和实际意义。
[0006]目前，对于亚共析钢来讲，其石墨化主要是通过渗碳体分解来实现的。采用的方法主要有:一种方法是微合金化，如K.He ,H.R.Daniels，A.Brown，R.Brydson ,D.V.Edmonds 在Acta Materialia(2007，55: 291-2927)上发表的论文 “An electron microscopic studyof spheroidal graphite nodules formed in amedium-carbon steel by annealing中利用添加S1、A1等石墨化元素，通过降低渗碳体的稳定性来促进渗碳体的分解进而实现石墨化过程；另一种方法是增加石墨的异质核心的数量，如Takashi Iwamoto ,ToshiyukiHoshino在JFE TECHNICAL REP0RT(2004，(4):74-80)上发表的论文“Bar and Wire Steels
for Gears and Valves of Automobiles---Eco-friendly Free Cutting Steel without
Lead Addit1n”中利用合金元素B的氮化合物的弥散析出来作为石墨的形核核心(BN具有同石墨一样的简单六方结构)，石墨依附在BN长大。利用这些方法所需的石墨化时间也相对较长，短则几小时，长则十几个小时。
[0007]鉴于脉冲电流有促进原子扩散和位错运动的作用，因此，将脉冲电流引入到亚共析钢的石墨化过程中，可促进渗碳体的分解，增加铁素体内新生石墨的数量，进而促进亚共析钢的石墨化过程。目前对利用脉冲电流促进亚共析钢的石墨化过程还未见有公开报道。
【发明内容】
[0008]亚共析钢的石墨化过程，其实质即由热力学介稳定的渗碳体与铁素体的共存组织转变为稳定的石墨与铁素体共存组织的过程，即主要是通过钢中的渗碳体分解来实现。为了解决亚共析钢石墨化过程缓慢的问题，本发明提出一种应用脉冲电流迅速有效地促进亚共析钢石墨化的方法，该方法在金属加热到满足石墨化热力学条件的同时，再输入低密度脉冲电流，以此改变材料的石墨化动力学条件，通过促进碳原子扩散和位错运动进而提高渗碳体分解速度和增加铁素体内的新生石墨数量，以达到在较短时间内实现石墨化，为后续加工(如切削加工)提供理想的预备组织。
[0009]本发明通过以下技术措施实现:
[0010]一种应用脉冲电流迅速有效地促进亚共析钢石墨化的方法，将钢材置于热处理炉中，钢材的两端与炉外脉冲电源用导线连接，当钢材加热到石墨化温度620?680°C(由于引入脉冲电流，可较常规石墨化温度低30?50 °C)，打开脉冲电源，输入电流密度为50?200A/mm2、频率为10?50Hz的脉冲电流，保持30?120min后，钢材在炉冷却。
[0011]本发明所述的亚共析钢的主要合金元素有C、S1、Mn、S、P及B或Al等。其中，碳含量范围在0.15?0.77%，硅含量范围在1.45?1.65% ;锰含量范围在0.40?0.50% ;硫含量范围在0.004?0.010% ;磷含量范围在0.004?0.010%;硼0.002?0.005 铝含量范围在0.020?0.060%o其余含量为铁元素。
[0012]本发明的有益效果:
[0013]通过实验研究和理论分析表明，亚共析钢在石墨化温度加热、保温的同时，输入一定强度、一定频率、一定时间的脉冲电流，对相变系统提供了额外激活能ΛΕ，大大增加形核率N，明显提高碳原子和其他合金元素扩散速度，改善了相变动力学条件，提高了渗碳体的分解速度，增加了石墨的形核率。在传统的、单一的石墨化处理工艺基础上，输入电流密度为50?200A/mm2、频率为10?50Hz的脉冲电流这一新工艺，可以有效地地促进亚共析钢的石墨化过程。同时，由于引入脉冲电流，可较常规石墨化温度低30?50°C。该方法将为企业工业应用亚共析钢的石墨化提供一项新技术。
【附图说明】
[0014]图1是本发明的实验装置示意图。
[0015]1-铜质夹持辊;2-温度自动控制仪;3-热电偶;4-钢样;5-加热炉;6_脉冲电源
[0016]图2是本发明的实施例1，亚共析钢石墨化过程中输入脉冲电流后实现石墨化后的钢样中的金相组织。
[0017]图3是本发明的实施例，亚共析钢石墨化过程中输入脉冲电流后实现石墨化后钢样中的石墨粒子电子衍射图。
[0018]图4是本发明的实施例2，亚共析钢石墨化过程中输入脉冲电流后实现石墨化后的钢样中的金相组织。
【具体实施方式】
[0019]现将本发明的实施例具体叙述于后。
[0020]以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步描述。实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。
[0021 ]本发明实现步骤如下:(I)试样准备:准备一适合加热炉5装炉尺寸要求的钢样4;
(2)试样与脉冲电源的连接:将铜质夹持辊I与钢样4接触的一面磨光，并尽量夹紧钢样4，以保持良好的导电性；(3)试样装炉:将与脉冲电源6连接完毕的钢样4平稳地送入加热炉5，并使钢样中心位于热电偶3处，以便通过温度自动控制仪2测量并控制脉冲电流处理期间钢样4的温度；(4)加热炉升温并保温:接通加热炉5的电源，根据钢样4的材料性质按一定的加热速度进行升温，升高到指定温度后进行保温；(5)接通脉冲电流:在加热炉5达到指定温度后，打开脉冲电源6，调整电流峰值、频率等参数进行石墨化等温处理，并记录时间；(6)试样冷却:保温一定时间后(即钢样4实现石墨化后)，断开加热炉5的电源和脉冲电源6，钢样4随炉冷却；(7)试样出炉:石墨化处理完毕后，从加热炉5中取出钢样4，并去掉夹具(铜质夹持辊)1; (8)石墨化效果检测:对石墨化后的钢样4进行石墨化金相分析。
[0022]实施例1
[0023]本实施例的钢样是在真空感应电炉中熔化(炉内真空度为1.33Pa)、微合金化后出钢，然后对钢锭进行锻造成型为直径20mm，长10mm的圆钢。其化学成分(质量分数/%)为0.45C，I.6Si，0.46Mn，0.009S，0.008P，0.003B。实验时，通过导电性能良好的铜夹持辊将钢样的两端接于脉冲电源输出端的两个电极上，并将钢样置于加热炉中。打开加热炉电源开关，对加热炉进行升温，待升温至650°C时，打开脉冲电源开关，输入电流密度100A/mm2JS率为20Hz的脉冲电流，该参数使钢样温度稳定在650 °C附近，通电时间为50min。之后钢样在加热炉内冷却至室温后出炉，至此该钢的石墨化处理结束。
[0024]为检测石墨化效果，对石墨化后的钢样进行金相分析。
[0025]图2是钢样石墨化后的金相组织测试的结果。试样的显微组织主要由铁素体和石墨两相组成，石墨粒子不仅在晶界上析出，而且也在晶内析出；呈弥散分布，大小均匀，平均尺寸小于6μπι，石墨近似呈球形。
[0026]图3显示的是在透射电镜下观察到的石墨化后钢样中的石墨粒子电子衍射图。由图可见，围绕中心衍射斑点(000)出现了四道石墨衍射环。第一道衍射环为石墨C的(002)晶面，第二道衍射环为(101)晶面;第三道衍射环为(104)晶面，第四道衍射环为(201)晶面。
[0027]为进行对比，选取同样的钢样进行在无脉冲电流作用下的石墨化实验。该实验的石墨化温度为700 °C，石墨化时间为8h。
[0028]实施例2
[0029]本实施例的钢样是在真空感应电炉中熔化(炉内真空度为1.33Pa)、微合金化后出钢，然后对钢锭进行锻造成型为直径20mm，长10mm的圆钢。其化学成分(质量分数/%)为
0.25C，I.6Si，0.50Mn，0.008S，0.008P，0.005B。实验时，将钢样置于加热炉中，通过导电性能良好的铜质夹持辊将钢样的两端接于脉冲电源输出端的两个电极上。打开加热炉电源开关，对加热炉进行升温，待升温至650°C时，打开脉冲电源开关，输入电流密度180A/mm2，频率为40Hz的脉冲电流，该参数使钢样温度稳定在650 0C附近，通电时间为lOOmin。之后钢样在加热炉内冷却至室温后出炉，至此该钢的石墨化处理结束。
[0030]为检测石墨化效果，对石墨化后的钢样进行金相分析。
[0031]图4是钢样石墨化后的金相组织测试的结果。试样的显微组织主要由铁素体和石墨两相组成，石墨粒子同样不仅在晶界上析出，而且也在晶内析出；呈弥散分布;粒子大小均匀，平均尺寸小于1ym，石墨近似呈球形。
[0032]为进行对比，选取同样的钢样进行在无脉冲电流作用下的石墨化实验。该实验的石墨化温度为700 °C，石墨化时间为12h。
[0033]由实施例可见，在亚共析钢的石墨化过程中，引入脉冲电流后，在选取适当的脉冲电流参数情况下，可以加快实现亚共析钢的石墨化过程。
【主权项】
1.一种应用脉冲电流促进亚共析钢石墨化的方法，其特征在于:所述的亚共析钢的石墨化过程是在引入脉冲电流这一外场技术的条件下来实现的；具体方法是将钢样置于热处理炉中，钢样的两端与炉外脉冲电源用导线联接，当钢样加热到石墨化温度620?680°C，打开脉冲电源，输入电流密度为50?200A/mm2、频率为10?50Hz的脉冲电流，保持30?120min后，钢材随炉冷却至室温即可实现石墨化。2.根据权利要求1所述的应用脉冲电流促进亚共析钢石墨化的方法，其特征在于，所述的亚共析钢的主要合金元素有C、S1、Mn、S、P及B或Al;其中，碳含量范围在0.15?0.77%，硅含量范围在1.45?1.65% ;锰含量范围在0.40?0.50% ;硫含量范围在0.004?0.010% ;磷含量范围在0.004?0.010% ;硼0.002?0.005% ;铝含量范围在0.020?0.060%，其余含量为铁元素。3.根据权利要求1所述的应用脉冲电流促进亚共析钢石墨化的方法，其特征在于，实现步骤如下: (1)试样准备:准备一适合加热炉装炉尺寸要求的钢样； (2)试样与脉冲电源的连接:将铜质夹持辊I与钢样接触的一面磨光，并尽量夹紧钢样，以保持良好的导电性； (3)试样装炉:将与脉冲电源连接完毕的钢样平稳地送入加热炉，并使钢样中心位于热电偶处，以便通过温度自动控制仪测量并控制脉冲电流处理期间钢样的温度； (4)加热炉升温并保温:接通加热炉的电源，根据钢样的材料性质按一定的加热速度进行升温，升高到指定温度后进行保温； (5)接通脉冲电流:在加热炉达到指定温度后，打开脉冲电源，调整电流峰值、频率参数进行石墨化等温处理，并记录时间； (6)试样冷却:保温一定时间后，即钢样实现石墨化后，断开加热炉的电源和脉冲电源，钢样随炉冷却； (7)试样出炉:石墨化处理完毕后，从加热炉中取出钢样，并去掉夹具。
【文档编号】C22C38/06GK105886727SQ201610293454
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】张永军, 韩静涛
【申请人】北京科技大学