张永军等：石墨化钢石墨化过程的金相分析及其动力学方程 229. KEY WORDS graphitized steel;graphite;ferrite;metallographic analysis;JMAK(Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov)equation 当钢中出现石墨时，人们习惯将其视为材料 钢材 内部的“缺口”，其塑性加工常常存在问题.然而， 石墨化过程是形成石墨化钢石墨粒子的过程， 近年来科研工作者却利用渗碳体分解的石墨化技 其石墨粒子的形成主要是通过渗碳体分解来实 术，开发出了石墨化钢，当该钢中存在细小、弥散 现.对其进行了解，有助于调控该钢的组织与性能， 分布的石墨粒子时，其线棒材因具有良好的切削 目前对该钢的报道多侧重于其组织特点及其切削 性能和冷镦性能而逐渐受到人们的关注，并对其 性能.为此，本文以碳质量分数为0.66%的淬火高 进行了研制，如英国利兹大学-)、日本新日铁集 碳钢为例，对其在650、680和710℃3个不同温度 团公司、日本FE川崎制铁公司6，伊朗马什哈 下石墨化过程的组织进行金相分析：并绘制其石 德菲尔多西大学和阿萨德大学-81、伊朗旁遮普大 墨化过程的动力学曲线，建立相应的动力学方程. 学、韩国京浦国立大学和浦项制铁0，以及我国 1 实验用钢制备及其实验方法 的中南大学山、昆明理工大学2-)、辽宁科技大学 北京科技大学和首钢技术研究院、武汉钢铁 实验用石墨化钢的化学成分（质量分数）为 公司0-2等.据报道，日本JFE川崎钢铁公司率先 0.66%C.1.60%Si.0.46%Mn,0.003%B.0.008% 研制出在汽车零件与机械结构用钢方面应用的 N的碳钢.利用真空感应炉熔炼、铸锭和热锻等方 “石墨钢”棒材和线材，并已列入日本FE规范问， 法来制备实验直径为6mm的实验用圆钢，之后利 除此之外，石墨化高碳钢板材，也具有一定的冲压 用线切割将其切割成厚度为3mm的圆形试样（即 成形性能而引起人们的兴趣2-2，如日本住友金 试样尺寸为6mm×3mm),然后将其组织淬火成 属工业公司研究成功一种加工成形性与低碳钢板 马氏体，如图1(a)所示；C和Fe元素在淬火马氏 相同的新材料一石墨化高碳冷轧钢板2，以及福 体中的分布如图1(b)所示.由图1可见，淬火马氏 井等人把冷轧后的石墨化钢板再次回炉退火时， 体为典型针叶状高碳马氏体组织（场发射扫描电 得到了质地软且板厚方向性系数y值较大的高碳 子显微镜观察)；C和Fe元素在马氏体中的分布较 钢板2当该钢中的石墨粒子溶于基体之后，其强 为均匀（电子探针测试）.之后，分别对组织为淬火 度指标大幅度提高.因此，石墨化钢被认为是一种 马氏体的圆柱形试样进行不同温度(650、680、 同时具有较高冷成形、切削性能，以及较高强度的 710℃)和不同等温时间的石墨化处理 8000 (b) Fe 7000 6000 5000 4000 3000 C 2000 1000 15 um 0 6 810121416182022 Distance/um 困1用于石墨化处理试样的原始金相组织及其元素分布曲线.(a)金相组织：(b)C、Fe元素分布 Fig.1 Original structure and element distribution curve of the graphitized sample:(a)metallographic structure,(b)distribution of C and iron Fe 利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射 n值，进而推断该钢石墨化过程中的形核率特点 电子显微镜(TEM)、X-射线衍射仪(XRD)、电子探 2实验结果与分析 针(EPMA)等仪器，对石墨化处理试样的金相组织、 以及C、F元素的分布规律进行金相分析，进而确定 2.1实验用钢石墨化过程的金相分析 石墨化过程的组织演变特点：以及根据组织转变 在温度为680℃等温石墨化处理过程中，随 动力学理论，建立其动力学方程，并确定其方程中的 着等温时间延长，首先是碳原子的短距离迁移、在KEY WORDS    graphitized steel；graphite；ferrite；metallographic analysis；JMAK (Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov) equation 当钢中出现石墨时，人们习惯将其视为材料 内部的“缺口”，其塑性加工常常存在问题. 然而， 近年来科研工作者却利用渗碳体分解的石墨化技 术，开发出了石墨化钢，当该钢中存在细小、弥散 分布的石墨粒子时，其线棒材因具有良好的切削 性能和冷镦性能而逐渐受到人们的关注，并对其 进行了研制，如英国利兹大学[1–3]、日本新日铁集 团公司[4]、日本 JFE 川崎制铁公司[5–6] ，伊朗马什哈 德菲尔多西大学和阿萨德大学[7–8]、伊朗旁遮普大 学[9]、韩国京浦国立大学和浦项制铁[10] ，以及我国 的中南大学[11]、昆明理工大学[12–13]、辽宁科技大学[14]、 北京科技大学和首钢技术研究院[15–19] 、武汉钢铁 公司[20–21] 等. 据报道，日本 JFE 川崎钢铁公司率先 研制出在汽车零件与机械结构用钢方面应用的 “石墨钢”棒材和线材，并已列入日本 JFE 规范[5] ； 除此之外，石墨化高碳钢板材，也具有一定的冲压 成形性能而引起人们的兴趣[22– 24] ，如日本住友金 属工业公司研究成功一种加工成形性与低碳钢板 相同的新材料—石墨化高碳冷轧钢板[22] ，以及福 井等人把冷轧后的石墨化钢板再次回炉退火时， 得到了质地软且板厚方向性系数 γ 值较大的高碳 钢板[23] . 当该钢中的石墨粒子溶于基体之后，其强 度指标大幅度提高. 因此，石墨化钢被认为是一种 同时具有较高冷成形、切削性能，以及较高强度的 钢材. 石墨化过程是形成石墨化钢石墨粒子的过程， 其石墨粒子的形成主要是通过渗碳体分解来实 现. 对其进行了解，有助于调控该钢的组织与性能， 目前对该钢的报道多侧重于其组织特点及其切削 性能. 为此，本文以碳质量分数为 0.66% 的淬火高 碳钢为例，对其在 650、680 和 710 ℃ 3 个不同温度 下石墨化过程的组织进行金相分析；并绘制其石 墨化过程的动力学曲线，建立相应的动力学方程. 1    实验用钢制备及其实验方法 实验用石墨化钢的化学成分（质量分数）为 0.66% C， 1.60% Si， 0.46% Mn， 0.003% B， 0.008% N 的碳钢. 利用真空感应炉熔炼、铸锭和热锻等方 法来制备实验直径为 6 mm 的实验用圆钢，之后利 用线切割将其切割成厚度为 3 mm 的圆形试样（即 试样尺寸为 ϕ6 mm×3 mm），然后将其组织淬火成 马氏体，如图 1（a）所示；C 和 Fe 元素在淬火马氏 体中的分布如图 1（b）所示. 由图 1 可见，淬火马氏 体为典型针叶状高碳马氏体组织（场发射扫描电 子显微镜观察）；C 和 Fe 元素在马氏体中的分布较 为均匀（电子探针测试）. 之后，分别对组织为淬火 马氏体的圆柱形试样进行不同温度 （ 650、 680、 710 ℃）和不同等温时间的石墨化处理. 8000 4 7000 6 6000 8 5000 10 4000 12 3000 14 2000 16 1000 18 0 20 22 Count of element Distance/μm Fe C (a) (b) 15 μm 图 1    用于石墨化处理试样的原始金相组织及其元素分布曲线. （a）金相组织；（b）C、Fe 元素分布 Fig.1    Original structure and element distribution curve of the graphitized sample: (a) metallographic structure; (b) distribution of C and iron Fe 利用场发射扫描电子显微镜 (FESEM)、透射 电子显微镜 (TEM)、X-射线衍射仪 (XRD)、电子探 针 (EPMA) 等仪器，对石墨化处理试样的金相组织、 以及 C、Fe 元素的分布规律进行金相分析，进而确定 石墨化过程的组织演变特点；以及根据组织转变 动力学理论，建立其动力学方程，并确定其方程中的 n 值，进而推断该钢石墨化过程中的形核率特点. 2    实验结果与分析 2.1    实验用钢石墨化过程的金相分析 在温度为 680 ℃ 等温石墨化处理过程中，随 着等温时间延长，首先是碳原子的短距离迁移、在 张永军等： 石墨化钢石墨化过程的金相分析及其动力学方程 · 229 ·