《特殊钢中碳化物控制》李晶，史程斌|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《特殊钢中碳化物控制》

【作　者】李晶，史程斌

【页 数】 319

【出版社】 北京：冶金工业出版社 , 2019.07

【ISBN号】978-7-5024-8183-4

【价 格】99.00

【分 类】特殊钢－碳化物－研究

【参考文献】 李晶，史程斌. 特殊钢中碳化物控制. 北京：冶金工业出版社, 2019.07.

图书封面：

图书目录：

《特殊钢中碳化物控制》内容提要：

本书分8章，系统阐述了特殊钢生产中在电渣重熔、轧制和热处理过程中碳化物的演变与控制，以及稀土、镁、氮、钛等合金元素作为异质形核剂进行合金化处理对特殊钢中碳化物的影响。本书可供冶金、材料等领域的科研、生产、教学、管理人员阅读参考。

《特殊钢中碳化物控制》内容试读

1特殊钢中的碳化物

特殊钢是指具有特殊的化学成分、采用特殊的工艺生产、具备特殊的组织和性能、能够满足特殊需要的钢类。特殊钢中的合金元素大多为过渡族金属元素，这些合金元素容易与碳形成碳化物。碳化物是特殊钢中重要的合金相之一，对钢的性能有着重要影响。因此，合理地控制碳化物的类型、数量、形态、大小及分布，就成了特殊钢生产过程中的首要任务之一。

目前，大部分中、高碳合金的工模具特殊钢都是通过电渣重熔生产的。对于电渣重熔工艺生产的中、高碳合金工模具钢，电渣重熔凝固过程是一次碳化物产生的源头，是控制一次碳化物的关键。锻造及轧制工艺能够将不可避免生成的一次碳化物进行破碎细化，后续热处理促进一次碳化物溶解分断，降低一次碳化物对钢材性能的不利影响。热处理工艺能够控制大量弥散细小的二次碳化物析出，对基体起强化作用。稀土、镁、氮、钛等合金元素及其氧化物的作用是提供异质形核剂，可以在降低一次碳化物尺寸、进一步改善碳化物分布方面起重要作用。基于此，本书着重阐述特殊钢在电渣重熔、轧制和热处理过程中碳化物的演变与控制，以及合金化处理对特殊钢中碳化物的影响。

本章着重从热力学角度分析碳化物的形成与演变。

1.1碳化物及其分析方法

碳化物种类繁多，人们对碳化物进行了广泛研究。本节针对特殊钢中常见的碳化物，介绍几种通用的分析方法。

1.1.1碳化物的定义

碳化物是指碳与电负性比它小的或者相近的元素（除氢外）所生成的二元化合物。在钢中，一部分碳元素进入基体起固溶强化作用，另一部分将与合金元素结合形成碳化物。

碳化物具有脆性、高熔点和高硬度等特点，各种碳化物的显微硬度及熔点见表1-1。碳化物中的合金元素与碳之间存在共价键，使碳化物硬度较高；同时由于金属原子间存在金属键，使碳化物具有导电特性以及正的电阻温度系数，因此，碳化物具有金属键和共价键的特点，但以金属键为主。

·2

1特殊钢中的碳化物

表1-1各种碳化物的显微硬度及熔点

碳化物

TiC

ZrC

NbC

VC

WC

Mo2C

Cr23Co

Cr-C3

FeaC

H.

2850-

2890

2400

2094

2200

1500

1650

2100

约860

/kg·mm2

3200

2690

1520

1780

T缩/℃

3150

3530

3500

2830

2860

1650

(分解)

(分解)

(分解)

1.1.2碳化物的分类

钢中的碳化物因其所含合金元素不同、析出机理不同，有多种组成方式，不同钢种的碳化物类型不同。钢中碳化物按析出顺序分类，可分为一次碳化物和二次碳化物。凝固过程中，直接从液相中析出的大多为一次碳化物，包括过共晶成分合金在析出奥氏体之前析出的初生碳化物和发生共晶反应时析出的共晶碳化

物，主要是MC、M,C、MC型。凝固过程从高温过饱和固相中或者热处理时从

固相基体析出的碳化物为二次碳化物，主要是MC、MC、M,C、M,C,、M,C6

型。一次碳化物一般尺寸较大、形状不规则、熔点较高，能破坏钢材的连续性，受力时其周围基体容易产生裂纹，降低钢材的加工性能和使用性能。二次碳化物

一般尺寸较小，其类型、形态、数量和分布可以通过热加工和热处理工艺控制。作为钢铁材料中重要的第二相，二次碳化物的控制对钢材性能的提高具有重要的作用。

按照晶体结构不同，钢中碳化物可分为晶体结构简单碳化物和晶体结构复杂碳化物。文献[1]指出，碳与金属原子半径的比值是决定碳化物结晶构造的主要因素之一。当碳原子和过渡族元素原子半径之比小于0.59时，形成的碳化物属于晶体结构简单型，其结构可以是面心立方点阵、体心立方点阵、密排六方结构，或简单六方点阵。这时碳原子填人金属立方晶格或六方晶格的空隙中，并使碳化物具有金属键，因而碳化物仍保留着明显的金属特性，属于此类碳化物的有

TiC、ZC、VC、NbC、WC等。这类碳化物的最大特点是高熔点和高硬度，它们是硬质合金、粉末高速钢、高温金属陶瓷材料的主要组成部分，也是工业用钢的重要合金相。当碳原子与过渡族元素原子半径的比值大于0.59时，简单金属原子点阵中的间隙小于碳原子直径，为了能容纳碳原子，金属原子点阵变形，形成

复杂结构的碳化物，这类碳化物包括M,C、M,C、M2C6、M,C,等。这类碳化物

也具有相当高的硬度，是合金钢中重要的强化相，但其熔点及硬度较前一类稍低。典型的简单结构和复杂结构碳化物介绍如下。

1.1.2.1MC型和M,C型简单结构碳化物

MC型碳化物主要出现在含有Ti、Nb、V等元素的钢中。MC型碳化物具有

L.1碳化物及其分析方法

·3·

面心立方结构，如图1-1所示，碳原子在晶体点阵中

占据八面体中心的位置。MC型碳化物一般呈点

状[2)、点条状和骨架状三种形态分布于枝晶间和晶

界。部分MC型碳化物呈现出片状、树枝状、八面体

状，如TC3,。碳化物的形貌与力学性能有密切关

系，粗骨架状的MC碳化物是高温合金疲劳裂纹的起

始部位，会大大降低合金的疲劳性能；小块状的MC

碳化物分布于晶界和枝晶间，有利于提高合金的持久性能。

。金属原子·碳原子

有的MC、M,C相在单位晶胞中包含3个金属原图1-1MC型碳化物结构

子(MC)或6个金属原子(MC)及3个非金属原子，例如MoC、WC、Mo,C、

W,C。其中，MoC、WC的点阵常数c/a值接近1，属于简单六方点阵；而Mo,C、

W,C的点阵常数c/a值接近1.6，属于密排六方点阵，主要存在于高速钢中，般呈层片状或者羽毛状5)。

1.1.2.2MC6型复杂结构碳化物

在不含b、Ti、V等强碳化物形成元素的钢中，MaC。型碳化物是最主要的碳化物。一般来说，M:C,型碳化物主要是Cr的碳化物，常写作Cr23C6。MC6型碳化物是一种复杂的面心立方结构，其结构如图1-2所示。每个单胞有116个原子，其中有92个金属原子和24个碳原子，点阵常数大约是奥氏体基体的3倍。由于合金成分和热处理工艺不同，MC6碳化物中的Cr可以部分地被Fe、

Mo、W、Ni等代替，其主要析出温度范围为400~900℃。

。金属原子

。碳原子

图1-2MC。型碳化物结构

·4…

1特殊钢中的碳化物

1.1.2.3M.C和M,C3型复杂结构碳化物

M,C型碳化物一般出现在含有Mo或Nb的钢中，并且总是在其他沉淀物

(碳化物或金属间化合物相)附近析出。M,C型碳化物也具有面心立方结构，如

图1-3所示。点阵常数与M3C6型碳化物相近，也是每个晶胞中含有96个金属原

子，但是碳原子的数目不固定，所以一般认为M,C型碳化物可能是一种电子化

合物相。

◆W或Mo原子oFe原子·C原子

图1-3M,C型碳化物结构

M,C型碳化物的析出受成分影响比较大，N、N、Mo和Ni是促进MC型碳化物析出的元素。一般地，对于Ni含量大于25%的合金，Mo、Nb、Ni的含量越

高，M,C型碳化物析出的倾向越大。

M,C3型碳化物具有复杂六方结构，主要金属元素是Cr和F,是高碳高铬钢

中的主要碳化物，硬度一般为HV1200~1800。这种碳化物是铬原子溶入铁碳系

不稳定碳化物Fe,C,形成的。Fe,C3晶体是一个六方点阵结构，每个碳原子与相邻的6个铁原子紧密接触，Cr,C3晶体属于斜方晶系，Cr,C,中的铬原子与Fe,C?中的铁原子排列方式很接近，铁原子与铬原子的尺寸也很接近，为铬原子大量取代铁原子形成(Fe,C),C3提供了条件。由于层错扩展方向大多平行于六方晶体棱柱面，导致(Fe,Cr),C3晶体不同取向上的硬度有所不同。对(Fe,Cr),C3晶

体的显微硬度测定表明，棱柱横断面硬度约为HV1700~1900,棱柱侧面硬度

般只有HV1400左右。碳化物的形态、类型和数量对高铬铸铁的耐磨性能和力学

性能都有影响6。

·6…

1特殊钢中的碳化物

物的形貌和分布如图1-5所示。由图1-5可知，一次碳化物呈深灰色，钢材基体呈浅灰色。电渣锭中原始的一次碳化物多为聚集的棒状，经过热轧开坯后，一次碳化物被明显地打碎并分散开来

图1-5热轧开坯后钢中一次碳化物

C透射电子显微镜(TEM)分析法

透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的

一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。透射电子显微镜利用穿透样品的电子束成像，要求被观察的样品对入射电子束是“透明”的，对于透射电镜常用的加速电压为100kV,要求试样厚度必须在20~200nm之间。做透射电镜高分辨像，要求样品厚度为15m。样品制备方法有两种：薄膜样品和碳（或金）萃取。为了使薄膜试样平整及放稳以便观察，通常将试样放置在支持网上。利用透射电子显微镜可对纳米级碳化物颗粒进行分析，得到其显微结构形貌及高分辨图像，但是对于萃取的大尺寸碳化物则由于其存在的蓬松结构，导致高分辨下流

变比较严重，效果不是很理想。MC6型碳化物在TEM下的形貌、衍射花样及

能谱分析如图1-6所示。MC6型碳化物的形貌呈现为不规则块状，尺寸在

1m左右，碳化物中铬原子分数为48.8%，另外碳化物中还含有少量的钼和钒。

D能谱仪(EDS)分析

能谱仪是借助X光量子能量的不同，对材料微区成分元素种类与含量进行分

析，通常配合扫描电子显微镜与透射电子显微镜使用。能谱仪可以对晶内进行点、线、面的扫描，获得各元素含量分布图像。高碳马氏体不锈钢中碳化物的

···试读结束···