PDF《科学技术进步奖 推荐书》

学科 代码与名称

4503520 炼钢 学科评审组 代码与名称

160 材料 申报等级 一等奖,二等奖 高等学校科学研究优秀成果奖 (科学技术) 科学技术进步奖 推荐书项目名称: 优质刀剪用特殊钢中碳化物和组织控制技术 的开发与应用 第一完成单位: 北京科技大学 通信地址: 北京市海淀区学院路

30 号

电话: 010-62332553 邮政编码:

100083 推荐时间: 2019-05-01 教育部科学技术司制

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3 2 高等学校科学技术进步奖推荐书 (2019 年度)

一、项目基本情况 学科评审组: 材料 1,2, 奖励类别: 技术开发 项目 名称 中文名 优质刀剪用特殊钢中碳化物和组织控制技术的开发与应用 英文名 Development and application of the technologies for controlling the carbides and structure of the steel used as high-grade kitchen knives and scissor 主要完成人 李晶,史成斌,李积回,张杰,李有维,郑顶立,黄军 主要完成单位 北京科技大学,阳江十八子集团有限公司 推荐单位(盖章) 北京科技大学 项目名称可否公布 是 项目密级 非密 定密日期 保密期限(年) 定密审查机构 主题词电渣重熔;

刀剪用不锈钢;

碳化物;

微观组织;

锋利度 学科分类 名称

1 炼钢 代码

4503520 2 代码 所属国民经济行业 制造业 所属科学技术领域 工业 任务来源 C-省、市、自治区计划;

D1-国家自然科学基金;

具体计划、基金的名称和编号:(限300 字) 本项目属于广东省省部产学研结合项目(项目编号:2008B090500147),与阳江十八子集团有限公 司合作研究完成的.

同时也得到了一项国家自然科学基金(项目编号:51444004)项目的资助. 发明专利(项) 授权:

3 申请:

3 其他知识产权/标准(项)3 项目起止时间 起始: 2008-12-10 完成: 2015-12-31

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二、项目简介 本项目属于钢铁冶金与材料领域,关键技术涉及电渣重熔、轧制和热处理三个方面.刀剪与人民的 日常生活密切相关.我国拥有上千年的厨刀制造历史,然而国内高档厨刀市场几乎被国外知名品牌垄 断.国外厨刀具有很高的锋利度,且使用数年后仍可保证锋利如初.国产刀具初始锋利度不佳,且使 用一年后刃口变钝.这主要是由刀剪用钢的性能决定的.国内外厨刀用钢微观组织的差异主要在于钢 中碳化物的控制水平.国外高档厨刀中几乎不存在一次碳化物,且二次碳化物细小、均匀、弥散地分 布在马氏体基体上;

而国内刀具中普遍存在一次碳化物,且二次碳化物数量多、尺寸大、分布不均匀. 本项目在广东省教育部产学研结合项目,以及国家自然科学基金项目的相继支持下,利用产学研全面 合作,实现了基础理论研究―关键技术开发―工业化应用―产业化全链条的研究创新,提升了我国优 质刀剪用特殊钢中碳化物和组织控制水平,主要创新成果如下: (1)开发了碳化物和刀剪刃部组织控制于一体的辊锻热处理综合调控技术.采用对刀刃部分施加 梯度变形量,实现高品质刀剪刃部晶粒和碳化物的细化;

通过延长回火时间,促进纳米级碳化物的析 出与弥散分布,实现低温回火的二次硬化效应,获得强韧兼具和锋利性能优异的刀刃. (2)开发了刀剪材料用不锈钢电渣重熔过程中一次碳化物控制技术.通过调控电渣重熔工艺参数 可以减少一次碳化物的析出量和尺寸,并改善其分布.通过动态控制电渣重熔过程中的熔速和冷却制 度,实现熔炼过程中熔池的浅平分布,从而使电渣锭中一次碳化物体积分数由 1.65%降低至 0.55%, 一次碳化物尺寸显著减小,且分布更加均匀,电渣锭凝固组织细化. (3)开发了基于高温扩散退火―终轧温度―轧制变形量综合调控一次碳化物的技术.通过热轧开 坯,之后进行高温扩散退火,促进一次碳化物溶解.精轧过程中控制终轧温度和累积变形量,使热轧 卷中一次碳化物体积分数进一步降低到 0.17%左右,单个一次碳化物平均面积控制在

8 μm2 左右. (4)开发了基于第一性原理计算,热力学动力学模拟,以及淬火时效工艺的刀剪材料用钢中二次 碳化物控制技术.确定了提高刀剪耐磨性和锋利度的碳化物类型;

明确了 M23C6 二次碳化物的溶解 温度和 M7C3 二次碳化物的析出温度及时间,获得合理的热处理工艺参数.通过控制热处理保温温度 和时间,促进了钢中二次碳化物类型的转变,获得强韧性兼具,且比表面积大的纳米级 M7C3 碳化物, 从而提高刀剪的耐磨性和锋利度. 该项目已产生

6 件技术发明专利、3 件实用新型专利,发表论文

24 篇(其中 SCI 论文

15 篇) . 高 品质刀剪用马氏体不锈钢中碳化物控制的关键技术 经由冶金和材料专家毛新平院士和陈蕴博院士等 组成的专家组鉴定为国际先进水平.本项目的关键技术已应用于高档厨刀生产,刀具锋利度和锋利耐 用度达到了国际先进水平, 打破了国外企业技术和市场的垄断. 2016-2018 年累计新增利润

2065 万元, 并产生了重要的社会效益.

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三、主要科技创新 1.主要科技创新(限5页) 本项目以8Cr13MoV马氏体不锈钢为例.高品质刀剪用钢的传统生产工艺为 原电极制备 →电渣重熔→热轧→球化退火→冷轧→再结晶退火→淬火+回火 .碳化物作为高品质刀剪用 钢中重要的第二相,其数量、类型、尺寸和分布等因素对高品质刀剪用钢的加工性能和使用 性能具有重要影响.碳化物按析出顺序可以分为一次碳化物和二次碳化物.一次碳化物是在 钢液凝固过程中,由液相中直接析出的;

二次碳化物是在轧制和热处理过程中,由奥氏体或 马氏体中析出的.本项目首先通过热力学计算,明晰高品质刀剪用钢中一次碳化物和二次碳 化物类型、析出温度以及稳定存在的温度区间.根据计算结果,对于高碳马氏体不锈钢 8Cr13MoV,钢液凝固过程中当固相率达到89.4%时必然会析出一次碳化物.因此确定,电渣 重熔过程是一次碳化物产生的源头.本项目通过调整电渣重熔工艺,减少一次碳化物析出并 细化一次碳化物.由于电渣重熔工艺不可能完全避免一次碳化物的生成,项目研究了热轧工 艺中一次碳化物控制技术,通过控制开坯工艺、高温扩散退火工艺、精轧终轧温度、轧制变 形量等工艺进一步减少并细化一次碳化物;

为了获得数量合理、尺寸小、分布均匀的二次碳 化物,本项目通过第一性原理、热力学和动力学计算指导热处理实验,提出了控制二次碳化 物细小、均匀、弥散分布的冷轧和热处理技术;

为了进一步细化刀刃部分碳化物和晶粒,提 高刀刃锋利性能,本项目提出在刀具最终热处理过程时对刀刃部分施加大变形量,并进行再 结晶退火,二次淬火和改进回火工艺,开发了新型辊锻热处理技术.项目研发技术路线图如 图1所示: 图1. 8Cr13MoV 钢研发技术路线图 (1)高品质刀剪用钢新型辊锻热处理技术 新型辊锻热处理的技术原理主要包括: ① 淬火冷却过程中, 对刀刃部分进行多道次辊锻, 进一步促进碳化物破碎并均匀分布;

② 对辊锻后的刀坯进行退火,使破碎或变形晶粒发生再 结晶后,进行二次淬火,通过细晶强化的方式,同时提高刀刃部分的强度和韧性;

③ 通过延 长回火时间,促进纳米级碳化物的析出与弥散分布,实现低温回火的二次硬化效应,获得强 韧兼具和锋利性能优异的刀刃. 传统工艺在刀刃磨薄过程中,损失的钢屑很难回收,造成刀刃部分钢材的浪费.另外, 刀刃部分硬度和耐磨性较高,在磨制难度较大,费时费力.为改善以上两种情况,并进一步 提高高品质刀剪的使用性能,本项目提出了一种新型的辊锻热处理技术,具体工艺为:将刀 刃部分加热到相应奥氏体化温度(1050℃) ,保温一段时间后,取出刀坯,当温度降到650℃

5 时,利用新研制的锻机对刀刃部分进行锻打,锻打到一定厚度后空冷淬火,将淬火后的刀坯 重新在780℃退火再结晶,进行二次淬火处理,随后进行长时间回火. 一般淬火并回火后的刀坯中,仍然存在大尺寸的一次碳化物.此类一次碳化物容易导 致使用过程崩刃的产生.辊锻工艺可以破碎大尺寸一次碳化物,使大颗粒一次碳化物细化, 一次碳化物的平均面积由 22.0μm2 降低到 16.4μm2 ,下降了 25%.辊锻热处理工艺对面积在 3μm2 以上的一次碳化物具有较好的细化作用,对于提高钢材的韧性和刃口锋利度保持能力 具有重要的作用. 未经辊锻工艺的刀刃部分,晶粒处于混晶状态,尺寸差别较大,对未辊锻的刀刃中尺 寸大于 2μm 的晶粒进行统计,平均晶粒尺寸为 5.3μm,其中最大晶粒尺寸为 40.0μm.经过 辊锻工艺的刀刃部分,晶粒尺寸相对均匀,尺寸大于 2μm 的晶粒平均尺寸为 3.4μm,其中 最大晶粒尺寸为 7.8μm.晶粒平均尺寸下降了 36%,最大晶粒尺寸下降了 80%.因此,辊 锻工艺可以有效细化晶粒,晶粒尺寸分布更加均匀. 传统的高碳高合金钢的低温回火往往是为了减小淬火后钢中的内应力.通过延长回火 时间,析出了大量尺寸在数十纳米左右的 MC 型碳化物,促进纳米级碳化物的弥散分布, 实现低温回火的二次硬化效应,获得强韧兼具和锋利性能优异的刀刃.刀刃硬度从传统回 火的 58.8HRC 提高到了 63.3HRC. (2)刀剪材料用马氏体不锈钢电渣重熔过程中一次碳化物控制技........