第 16卷第 5期
2004年 1O月
钢 铁 研 究 学 报
JOURNAL OF IR0N AND rEEL RESEARCH
Vo1．16，No．5
0ct．2004
超高碳钢组织超细化的工艺
王宝奇， 宋晓艳， 李红娟， 谷南驹
(河北工业大学材料学院，天津 300132)
摘 要 ：阐述 了超高碳钢组织超细化工艺及其机理。这些工艺包括 ：二阶段 热形变处理技术、热形
变+离异共析转变处理技术、热形变+DET+形变处理技术 、循环热处理技术及复合热处理技术 。
该超细化组织由极细的铁素体晶粒以及在其中均匀分布的渗碳体颗粒组成。此外，分析了硅、铝、
铬等合金元素对相变温度的影响及其对网状碳化物和石墨化的抑制作用，讨论了合金化对超高碳
钢的组织超细化的影响。
关键词 ：超高碳钢 ；超细化 ；热处理；热形变
中图分类号：TG142．4 文献标识码：B 文章编号：1001—0963(2004)05—0005—05
M icrostructure Ultrafining Treatment of Ultrahigh Carbon Steel
WANG Bao—qi， SONG Xiao—yan， LI Hong—juan， GU Nan—ju
(Hebei University of Technology，Tianjin 300132，China)
Abstract：A variety of structure-ultrafining processes of ultrahigh carbon steels were reviewed，
which include hot and warm working (HWW )followed by isothermal warm working (IWW )，
HWW followed by divorced eutectoid transformation(DET)．HWW followed by DET with associ—
ated deformation，thermal cycling and heat treatment without deformation．Otherwise，their mecha—
nisms were described as wel1． The microduple structure obtained hereby consists of fine ferrite
grains and uniformly-distributed spheroidized cementite(Fe3 C)particles．The influences of addi—
tional elements such as silicon，aluminum and chromium on the phase transformation temperature，
the formation of net cement and graphite have been analyzed．Hence，the evaluation of these micro—
structure ultrafine processes has been made．
Key words：ultrahigh carbon steel；ultrafine process；heat treatment；hot deformation
超高碳钢是近年来开发的高碳含量(1．0 ～
2．1 )的新型铁基合金材料，典型的碳含量为 1．6
左右 ]。传统的观点认为，高碳钢可以获得高
的硬度，适于用作对韧性要求不高的工具钢，同时因
其脆性大而不能用于结构材料。目前，低碳钢已成
功地实现了组织超细化l_5 ，在超高碳钢方面，也有
了长足的进展。通过 o D Sherby等人的开创性工
作，采用组织细化技术实现了微观复合组织的超细
化，使得超高碳钢不仅具有高的室温强度和良好的
塑性(参见文献[11])，而且具有良好的中温超塑
性l_l 。叫 ，通过热处理，还可以使其获得极高的硬
度。超高碳钢的这种良好的工艺性能和力学性能，
使其在结构材料和工模具材料领域有望获得广泛的
应用。近年来的研究表明，超高碳钢还具有良好的
固态连接特性，可与自身或其它金属基材料(如黄铜
等)连接，制备成新型高性能层状复合材料J 。笔
者从热加工、热处理及合金化的角度，阐述了超高碳
钢(碳含量>1．5 )组织的超细化工艺及其机理。
基金项 目：河北省 自然科学基金资助项 目(500023)
作者简介：王宝奇(1964一)，男，博士生，高级工程师； 收稿 日期：2003—01-16； 修订日期：2003—03—3l
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2004钲 钢 铁 研 究 学 报 第 16卷
1 常用的几种组织超细化工艺
超高碳钢属于过共析钢，其铸锭组织由珠光体
团以及围绕珠光体团的网状、层状碳化物组成。这
种组织的塑性很差，因而长期被工业应用所忽视。
2o世纪 8o年代的中期，O D Sherby等人在研究钢
的超塑性 过程 中首先提出了超塑性超高碳钢 的概
念_】 ，其意图是引入比共析钢多的第二相粒子，使
其弥散分布于细晶铁素体的基体上，在中温区域呈
现超塑性行为时，能够抑制晶粒的长大。研究碳含
量为 1．9 的钢时发现了超塑性行为。
通过对超高碳钢进行合理的成分设计，采取最
佳的组织细化工艺，形成由超细的基体晶粒(0．5～
2．0 m)与弥散分布的超细碳化物(0．1～1．0 m)
组成的复相组织，可使超高碳钢获得一系列优异的
性能。目前，超高碳钢的组织超细化工艺可分为有
热形变的热处理和无热形变的热处理两大类 。前者
包括 ：Hww +1ww (二 阶段 热 形变 处 理技 术 )、
Hww+DET(热形变+离异共析转变处理技术)和
Hww+DETWAD(热形变 +DET+形变处理技
术)；后者有循环热处理和多复合热处理。
1．1 二阶段热形变处理技术
最初，o D Sherby等人针对碳含量为 1．57 、
1．92 的普通超高碳钢(仅含少量的锰)采用二阶
段热形变工艺进行了超细化处理 】 。如图 1所示，
该工艺可分为两个阶段：第一个阶段是铸锭在高温
(1 150℃)单相奥氏体区内均匀化退火，保温足够的
时间(约 1．5 h)，以溶解全 部的碳，随后在冷却 到
600℃的过程中进行连续多道次轧制，称为 Hww。
这一过程中的热形变有助于破碎自奥氏体析出的先
共析渗碳体，避免形成网状碳化物；第二个阶段是在
55O～600。C进行等温轧制，破碎通过相变形成的珠
80。
赠
4OO
O 1．O 2．O
应变
图 l HWW+IWW 处理技术示意图
F ．1 Schematk of Hww +IWW process
光体组织 ，称为 1ww。1ww 轧制的总应变量为 1
～ 1．5。经上述处理后可得到完全的球化组织，渗碳
体的粒径达到 0．1～O．5 m，基体晶粒粒径约为 0．5
～ 1．5 m。图2为经不同工艺处理后超高碳钢(碳、
铬含量均为 1．5 )组织的 SEM 照片。
1．2 热形变+离异共析转变处理技术
Hww +1ww 工艺需要较大的形变量 以及中
温区的等温轧制。为此，O D Sherby等人开发了包
含离异共析转变(DET)的热形变处理技术E1 73，此工
艺同样首先进行 Hww，使先共析渗碳体以细小颗
粒的形式在奥氏体晶界和晶内高密度位错区域形
成，然后在稍高于A 的温度进行较短时间的奥氏体
化，随后空冷(这一过程被称为离异共析转变)。在
DET过程中并未发生珠光体转变，碳化物以球状析
出于奥氏体晶界上未溶碳化物附近以及奥氏体晶粒
内部。对碳、铬含量分别为 1．5 的超高碳钢按此
工艺进行了处理，得到了完全球化的微细组织。与
Hww+1ww 工艺相比，省去了等温轧制处理，降
低了所必需的形变量 。
1．3 热形变+DET+形变处理技术
在 Hww +DET处理技 术 的基础上，如果在
DET后的空冷期问进行形变，就形成了 Hww+
DETWAD工艺，如 图 3所示。与 Hww+DET工
艺相比，它可以使超高碳钢形成更为细化的组织，尤
其是铁素体的晶粒更为细小。
图4(a)为用 Hww 工艺处理的超高碳钢微观
组织的示意图，它由球状渗碳体和珠光体组成，图下
部为对应位置碳浓度的分布。图 4(b)为短时奥氏
体化(不完全)后的组织示意图及其碳浓度的分布。
对于共析钢和过共析钢，在稍高于A 的温度奥氏体
化时，碳的来源只能是珠光体中的渗碳体板条，使其
局部断开而球状化，这是采取 DET和DETWAD的
重要依据。从图 4(b)可以看出，某些区域的碳浓度
是不均匀的(例如 a、b区域)。图4(c)是完成奥氏体
化后的情况，此时原来的片状渗碳体变为断续的粒
状，碳浓度分布也是不均匀的，虽然此时未达到平衡
状态，但已实现了奥氏体的转变。随后空冷时，由于
存在大量的先共析渗碳体作为形核位置，因而可以
获得最佳的 DET细化组织。如果长时间奥氏体化，
就形成图 4(d)所示 的组织形态。与图 4(c)比较可
以看出，此时奥氏体中的碳浓度已均匀化，而且原始
的球状先共析渗碳体因 Ostwald熟化而长大，粒子
问的距离增大。这种情况下空冷不会 获得 DET组
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第 5期 王宝奇等：超高碳钢组织超细化的工艺 1O月
1 200
l o00
800
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赠 600
(a)HWw+1ww 工艺 ； (b)Hww+DET工艺； (c)Hww+DETWAD工艺
图 2 超高碳钢组织的 SEM 照片
Fig．2 SEM photographs of a ultra-high carbon steel
0 1．0 0 0．5
应变
图 3 Hww+DETWAD处理技术示意图
Fig．3 Schematic of HWW +DETWAD processs
逞
l-I
加
器
逞
l-I
加
器
织，而是形成正常的珠光体组织。总之，进行 DET
处理时应考虑：①Hww应连续进行，以避免形成块
状或网状渗碳体；②在 A 点以上进行奥氏体化的时
间不能过长，避免形成图4(d)所示的粗化先共析渗
碳体导致形核位置的减少，从而在空冷时发生正常
的珠光体转变；③奥氏体化温度升高或时间延长具
有同样的动力学作用，因此奥氏体化的温度不能太
高，而是稍高于 A 点；④与 DET相比，DETWAD
处理可以获得更细的组织，原因是形变使原始奥氏
体晶粒细化，所以相变后铁素体的晶粒也得到细化。
(d)
(a)无奥氏体化处理 ； (b)短时奥氏体化； (c)完成奥氏体化 ； (d)长时问奥氏体化
图 4 经 Hww 处理后不同奥氏体化 阶段的组织
Fig．4 Microstructures of samples at different austenitizing stages after HW W
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2004链 钢 铁 研 究 学 报 第 16卷
1．4 循环热处理技术
E S Kayali等人|1 针对碳含量为 1．6 的超高
碳钢，采用循环热处理工艺 ，实现 了组织 的细化 (参
见文献E14])。该工艺适于尺寸较小的试样。当试
样的尺寸较大时，需要考虑整个截面组织的均匀性。
该工艺的固溶温度为 1 150℃，保温 10 min，油淬，
随后在比A 稍高的温度进行多次循环水淬。试验
表明：在进行 14次循环水淬后可以获得微细的球化
组织；在 650℃以0．01 min 的应变速率拉伸后获
得 328 9／5的超塑性 。继续增加循环水淬的次数并不
能进一步改善组织和性能。这种方法的组织细化效
果不如热形变工艺。
1．5 复合热处理技术
近年来，K Tsuzaki等针对热形变细化工艺的
复杂性以及 Seto等人提出的冷轧退火工艺的形变
困难性，开发了如图5所示的复合热处理工艺(参见
文献E17])。该工艺包括 4个阶段：①形成完全珠光
体组织，无粗化的先共析 板条和未溶解 粒子存
在；②在 y+0两相区正火，使 板条球状化；③在两
相区淬火获得马氏体；④在 A 点正火，使马氏体再
结晶。
借助这种工艺，在用铝和铬合金化(铝含量为
2．39 9／5，铬含量为 1．52 )的超高碳钢(碳含量为
1．72 )中获得 了超 细化 的双相组织 ：碳化物粒子
的尺寸呈现双态分布特征 ，两相 区加热后形成 的球
状碳化物粒径约 1 m，回火过程中析出的碳化物粒
径约 0．2 m，基体 a晶粒的平均粒径为 0．7 m，且
晶粒问呈现大角晶界 。而未进行铝合金化的超
高碳钢，由于难以避免形成粗大的先共析 ，因而采
用这种工艺进行组织细化受到限制 。
2 合金化对组织细化的影响
超高碳钢的合金化，对于组织细化是一个重要
的影响因素。合金化的作用在于对超高碳钢多元体
图 5 复合热处理工艺的示意图
Fig．5 Schematic of duplex heat treatment process
系的相变热力学 、动力学产生影响。热力学及相图
计算等基础研究对于超高碳钢的成分和处理工艺的
设计很有价值，尚待进行。一些合金元素的添加对
超高碳钢的相变温度、碳化物的稳定性以及碳的活
度产生的影响 ，目前还 只限于定性研究。在超高碳
钢中常添加的合金元素有：铬、硅、铝和少量的锰，较
少添加钼、镍 。
超高碳钢中添加硅，对铁一碳系热力学及碳化物
形成和溶解的动力学产生影响 。’ 。硅作为铁素体
稳定化元素，将提高超高碳钢的A 点 。如不含
硅时，A 点为 998 K；硅 含 量 为 1．5 时，A 点
为 1 033 K；硅含量为 3．0 时，A 点为 1 093 K；硅
含量为 6．0 时，A 为 1 203 K。提高 A 点可以
提高超塑性成形的温度，从而实现高应变速率、低应
力下的超塑性成形。另外，硅的加入致使共析成分
的碳含量降低，从而增加先共析碳化物的数量，使得
在 y+0两相区用于钉扎晶界的碳化物的体积分数
增加。这样在 A 点超塑性成形时，不仅铁素体晶粒
的长大得到抑制，而且即使在奥氏体区呈现超塑性
行为时，奥氏体晶粒的长大同样受到抑制。硅不溶
于碳化物。当碳化物析出时，硅分布在碳化物周围，
局部形成硅的高浓度区。硅又是提高碳活度的元
素。在硅的高浓度区中，碳的活度也相应提高，这就
使碳向碳化物的扩散流量减少，因而可以抑制碳化
物的粗化。
利用铝合金化可以提高超高碳钢的A 点，扩大
超塑性的温度范围 ，而且使先共析渗碳体细化
且分布均匀，有利于超 塑性成形时保持超 细组
织 。铝可比硅更有效地提高超塑性成形速率 。
铝与硅都能抑制网状碳化物的形成，但铝比硅
的抑制作用更强 ]。不含铝、硅的超高碳钢(碳含量
为 1．72 ，铬含量为 1．5 9／5)奥氏体化(1 423 K X 5
h)+等温处理(923 KX 15 min)后存在许多晶界碳
化物及魏氏组织碳化物；添加硅后晶界碳化物得 到
抑制 ，但有少量 的魏 氏组织碳化物；而添加铝后，晶
界碳化物及魏氏组织碳化物均消失 ，得到细化 的完
全珠光体组织。
铬是超高碳钢中除硅、铝之外常用的合金元素，
属于稳定碳化物的元素。添加铬使碳化物的溶解速
率降低。因此，在采用热形变组织细化工艺时，即使
提高加热温度或延长加热时问，仍能避免发生共析
转变 ，获得 DET细化组织。铬还能抑制含硅 、铝超
高碳钢石墨化。对于铝含量为 1．6 的超高碳钢来
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第 5期 王宝奇等：超高碳钢组织超细化的工艺 1O月
说，铬含量应大于0．5 ，但小于 2 ，以利于加工
成形 。
3 对各种组织超细化工艺的比较
根据上述超高碳钢各种组织细化工艺的介绍，
可以看出热形变组织细化工艺适用的范 围较广 ，对
合金化无特殊要求，可使粒状碳化物的粒径达到
0．1～1．0 m，基体晶粒的粒径达到 0．5～2．0 m。
该工艺DET阶段的温度和时间是获得细化组织的
重要参数。在钢的轧制生产过程中可充分利用此工
艺获得 Hww组织。这样在轧材制作成零件后，仅
进行 DET处 理 即可 ，从而 大大 节约 能源。DET—
WAD工艺较 DET工艺复杂，但获得的组织更为细
小。应该指出，HWw要求连续轧制，并延续到低温
区域，这可能会降低生产效率。而未包含热形变的
组织细化工艺，操作简单，容易控制，但能耗大并有
尺寸限制。特别是在碳含量高时，这种工艺需要配
合钢的合金化，以抑制网状先共析渗碳体的析出。
4 展 望
超高碳钢在实现组织超细化后，不仅具有高的
室温强度和良好的塑性，而且有良好的中温超塑性，
因其碳含量高，还可以获得极高的硬度。不仅如此，
超高碳钢还具有 良好的固态连接特性，从而可与 自
身或其它金属基材料(如黄铜、铝青铜等)连接制备
成新型高性能层状复合材料。采用超高碳钢制作零
件已有报道_2 。随着研究的深入和技术的进步，超
高碳钢将成为结构材料、工模具材料领域的一种新
型材料。
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