GCr15钢的等通道转角挤压组织细化
发布时间：2012-09-10 浏览次数：960
作者：向国权1 康延利1 程先华2 栗富国1
（1.郑州轻工业学院 机电工程学院；2.上海交通大学 机械与动力工程学院）
摘 要：对GCr15钢的等通道转角挤压(ECAE)工艺及对晶粒的细化效果进行了实验研究。在温度为950℃、挤压速率为25mm/s条件下，对该合金进行了等通道转角挤压。高温条件下，利用等通道转角技术实现了大块材GCr15 钢材料的晶粒细化。研究发现，在热加工条件下，GCr15钢的原始粗大晶粒经一次挤压后均可以得到显著细化，但细化不均匀，仍有少量粗大晶粒存在。
关键词：GCr15钢；等通道转角挤压；微观组织；晶粒细化
近年来，等通道转角挤压(Equal Channel Angular Extrusion，以下简称ECAE)作为一种能够获得超细晶粒的强烈塑性变形方法而得到发展与应用[1-2]，并被归类为制备超细晶金属材料的主要技术之一，由于该方法具有其他强烈塑性变形方法无法相比的优点而日益受到材料科学界的重视，是当今前沿令人瞩目的课题。
GCr15钢作为应用广泛的高碳钢，在常温下的塑性较差，其强烈塑性变形易使坯料产生裂纹，甚至是整体断裂，和其他材料的常温及名义等温条件下[3-4]的ECAE加工有着本质的区别，此类材料的ECAE加工一直是该领域研究的难点。目前还没有关于GCr15钢的高温ECAE加工方面的详细报道，本文的研究成果具有一定的创新性和指导意义.
1 实验材料及方法
1.1 试样的截取
ECAE实验用材料为热轧态的优质GCr15钢，其化学成分(质量分数，%)为：1.02C，0.21Si，0.37Mn，1.44Cr，0.01S。
将圆柱形的热轧态钢棒用线切割机加工成方形截面坯料，用不同型号砂纸对其进行表面光洁处理，Z终得到9.3mm×9.3mm×82mm的试样，试样表面粗糙度Ra=1.25～2.5μm。在待挤压处理的试样表面涂敷玻璃润滑剂, 厚度为0.2～0.4mm。
1.2 实验方法
ECAE工艺原理如图1所示。实验用ECAE模具的两内壁角分别为Ø=90°，ψ=30°，两通道横截面尺寸为10mm×10mm。
模具挤压通道表面涂敷石墨润滑剂，将待挤压试样、模具分别进行预热保温。将涂好石墨润滑剂的模具放在300℃的加热炉中进行加热，达到300℃后保温1h；试样表面涂敷玻璃润滑剂，在950℃加热20min。然后将加热好的试样和模具同时取出，迅速将试样放入模具中，在液压万能试验机上对试样进行挤压。试样从加热炉中取出到开始挤压所用时间约为4s(包括试样装入模具用时约3s，试样机压头接触顶杆并挤压用时约1s)。
整个试验过程中，从试样的取出到模具的组装完成要在3~5s 完成，这样可以避免ECAE热挤压过程中试样温度急剧下降，否则，试样表面和心部温度的不同会导致材料流动的不均匀，严重时导致挤压失败。
将挤压后的试样用线切割机沿纵向(挤压方向)、横向(试样中部)切开，经机械抛光后用4%的硝酸酒精溶液浸蚀，在BM-4XC型数码金相显微镜上观察试样不同截面的金相组织并拍照。
2 实验结果与讨论
2.1 高温下金属流动性分析
GCr15钢含有质量分数为1.0%左右的碳和1.5%左右的铬，其本质为过共析钢，属于Fe-Cr-C三元合金。
在室温下的平衡组织为珠光体+碳化物。相对于低碳钢而言，GCr15钢的塑韧性相对较差。GCr15 钢在 900～1200℃时有较好的塑性，GCr15钢在高温条件下的ECAE试验是在950 ℃预热温度下进行的。
一般来说，在热挤压条件下，越是表面润滑状态好的金属，摩擦系数小，金属挤压过程中的流动性均匀。 为此在GCr15钢试样表面涂覆玻璃润滑剂，以减少试样与模具在挤压过程的摩擦，起到了良好的润滑作用。
同时强度高的金属比强度低的金属流动均匀，合金比纯金属挤压流动均匀。这是因为在其他条件相同的情况下，强度较高(变形抗力较大)的合金，与工模具之间的摩擦系数降低，摩擦的不利影响相对减少。从理论上说，在GCr15钢的高温ECAE加工过程中，材料的内部流动应该是均匀的，但由于表层材料与心部散热的不均，以及表层材料受到摩擦而产生的附加应力，可能会导致试样整体变形程度不一致。
2.2 显微组织观察及分析
从挤压处理前后GCr15钢材料的显微组织(图2 和图3)可以看出，ECAE挤压前后GCr15钢试样的微观组织发生了很大的变化，材料晶粒得到了显著细化。
碳化物是常温下GCr15钢的重要第二相，它具有耐磨、抑制晶粒长大及吸收合金元素以使钢经热处理后获得令人满意的性能，但粗大、多角状及偏析碳化物对GCr15钢的使用寿命非常有害，希望得到细小而均匀弥散分布的碳化物。通过图2可清晰看到，在放大倍数为200倍的金相显微镜下，GCr15钢横断面原始组织为珠光体和分散、大块状的不规则片状碳化物，经过1道次ECAE挤压，原来的粗大晶粒被粉碎成了细小的晶粒，原来大块的碳化物被粉碎成细小的颗粒而均匀弥散分布在基体中，晶粒明显细化；但GCr15钢内部原始组织及变形不均匀，仍有微量粗大晶粒存在。通过图3可看出，一次挤压后，原始的GCr15钢晶粒等轴组织在剪切力的作用下被粉碎并且沿剪切方向(纵向)明显被拉长，形成了带状组织。
3 结论
(1) ECAE成功细化GCr15钢晶粒组织的试验研究是对高碳钢细晶强化的全新探索，为其他与其性能相近的高强度金属材料的ECAE加工提供了很好的借鉴。
(2) 高温条件下的ECAE热加工可以细化初始粗大晶粒，在950℃条件下，经一次挤压后，GCr15钢的初始粗大晶粒均得到了程度近似的细化，但细化不均匀，内部仍有粗大晶粒。
(3) 随变形程度的增加，材料再结晶的孕育期会缩短，同样的预热温度及保温时间可能会导致材料的再结晶及晶粒长大，从而影响晶粒细化效果。
多道次挤压过程中如何确定待挤压试样的加热温度和保温时间，以实现对GCr15钢晶粒的进一步细化，还有待进一步研究。
参考文献：
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来源：《材料热处理技术》 2009年10期
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