《高均勻性工模具鋼合金碳化物調(diào)控研究》項目總結(jié)報告

PAGE——8-《高均勻性工模具鋼合金碳化物調(diào)控研究》項目總結(jié)報告一、項目概況1、項目基本情況 項目名稱：高均勻性工模具鋼合金碳化物調(diào)控研究 立項時間：2014年7月 項目編號：BY2014127-03 項目負責人：周雪峰 合作企業(yè)：江蘇天工工具有限公司2、經(jīng)費情況經(jīng)費投入（萬元）經(jīng)費支出（萬元）來源投入數(shù)科目支出數(shù)其中：省撥款投入合計135支出合計130.135725.13571、省撥款30（一）直接費用126.535721.53572、部門、地方配套1、設備費12.66990.66993、承擔單位自籌（1）設備購置費0.66990.66994、其他來源105（2）設備試制費（3）設備改造與租賃費122、材料費77.85012.85013、測試化驗加工費7.18747.18744、燃料動力費185、差旅費4.94044.94046、會議費7、國際合作與交流費8、出版/文獻/信息傳播/知識產(chǎn)權(quán)事務費3.04533.04539、勞務費2.81262.812610、專家咨詢費11、其他支出0.030.03（二）間接費用3.63.6其中：績效支出經(jīng)費結(jié)余4.86423、主要研究內(nèi)容（1）高均勻性工模具鋼合金碳化物尺寸與分布控制研究 研究了凝固冷卻工藝和微合金元素（Re、Ca、Al）對工模具鋼合金碳化物形成過程的影響規(guī)律，探索了碳化物尺寸及分布的調(diào)控技術(shù)。通過改變凝固冷卻工藝，增加過冷度，提高碳化物均勻形核率，改善合金碳化物分布狀態(tài)。通過復合微合金化、控制凝固冷卻等手段，影響合金碳化物長大過程，改變碳化物不同晶面的長大速率，控制形成內(nèi)部無缺陷的纖維狀碳化物；進而采用高溫退火方法處理，使上述碳化物發(fā)生分解和球化，達到分離、細化碳化物的目的。（2）高韌性工模具鋼合金碳化物力學性質(zhì)及結(jié)構(gòu)調(diào)控研究針對一次碳化物開裂引起的高速鋼韌塑性損傷問題，本報告開展了合金碳化物力學性質(zhì)及結(jié)構(gòu)調(diào)控研究工作。采用納米壓痕儀分析了不同類型合金碳化物（MC、M6C、M7C3）碳化物硬度、彈性模量和斷裂韌性等力學性質(zhì)，確定了綜合力學特性較好的合金碳化物類型。研究了M2C碳化物相變微觀過程及影響機制，利用碳化物相變熱處理，控制碳化物晶體結(jié)構(gòu)，獲得硬度和韌性較好的合金碳化物類型。（3）高塑性工模具鋼合金碳化物退火調(diào)控研究研究了退火過程中二次碳化物析出行為及其對高速鋼塑性的影響規(guī)律。通過研究重結(jié)晶退火工藝，優(yōu)化奧氏體化溫度及時間，控制二次碳化物數(shù)量、分布、尺寸及結(jié)構(gòu)，改善形變過程材料內(nèi)部應力分布狀態(tài)，提高高速鋼形變塑性。（4）高品質(zhì)工模具鋼在線工藝試驗在實驗研究基礎上，進一步在線開展碳化物控制研究工作，開發(fā)高品質(zhì)工模具鋼產(chǎn)品。通過改變鑄錠錠型大小，控制冷卻速度，控制碳化物分布及尺寸；通過相變熱處理，控制碳化物結(jié)構(gòu)，提高材料塑性。最終達到提高工模具鋼組織質(zhì)量和性能的目的。二、項目實施情況1、校企聯(lián)合研發(fā)團隊的組織圍繞高均勻性工模具鋼制備技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)，學校和企業(yè)組成了一支主要由教授、副教授、企業(yè)技術(shù)工程師、博士及碩士研究生組成的研究團隊，核心研發(fā)成員12人。團隊發(fā)揮各自優(yōu)勢，確保完成項目目標任務：學校主要完成高均勻性工模具鋼碳化物尺寸、分布及結(jié)構(gòu)調(diào)控應用基礎工作，形成高均勻性工模具鋼碳化物調(diào)控技術(shù)；企業(yè)主要負責高均勻性工模具鋼在線試制工作，將新技術(shù)應用于產(chǎn)品開發(fā)，完成工藝完善優(yōu)化。2、實施計劃的制定與落實（1）2014年7月—2014年12月：研究凝固冷卻工藝對合金碳化物形成過程的影響規(guī)律；研究微合金元素（RE、Ca、Al）對合金碳化物形成的影響，揭示碳化物微合金調(diào)控機理；發(fā)表學術(shù)論文1-2篇。（2）2015年1月—2015年6月：研究合金碳化物的分解和球化行為及其對工模具鋼組織和性能的影響規(guī)律；研究不同合金碳化物結(jié)構(gòu)類型對工模具鋼韌塑形的影響規(guī)律；研究合金碳化物的形變行為，闡明合金碳化物晶體結(jié)構(gòu)與形變塑形之間的關(guān)系；發(fā)表學術(shù)論文2-3篇；申請專利1-2項。（3）2015年7月—2015年12月：研究高溫相變處理和微合金化對合金碳化物晶體結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律；高品質(zhì)工模具鋼在線試制；高品質(zhì)工模具鋼工藝優(yōu)化試驗；發(fā)表學術(shù)論文2-3篇。（4）2016年1月—2016年6月：優(yōu)化工藝參數(shù)，形成高品質(zhì)工模具鋼碳化物控制技術(shù)；申請專利1-2項；形成高均勻性工模具鋼合金碳化物調(diào)控研究報告.3、企業(yè)研發(fā)人員的培養(yǎng)培訓通過本項目實施，為企業(yè)培養(yǎng)6名技術(shù)骨干成員。在項目實施過程中，學校和企業(yè)研發(fā)人員定期進行技術(shù)交流，針對技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)試驗中出現(xiàn)的問題進行聯(lián)合攻關(guān)，切實提高了企業(yè)技術(shù)人員的技術(shù)水平和創(chuàng)新能力。公司以上述人員為骨干的江蘇省工模具鋼工程技術(shù)研發(fā)中心在2015年度研發(fā)工作績效考核中被省科技廳評為“優(yōu)秀”。4、項目完成情況評價通過研發(fā)，形成高性能工模具鋼碳化物調(diào)控技術(shù)，顯著提高產(chǎn)品組織質(zhì)量，技術(shù)指標達到預期目標，并取得了良好的經(jīng)濟效益。發(fā)表SCI/EI論文5篇，中文核心期刊論文2篇。申請發(fā)明專利5項，其中已授權(quán)2項。獲得鎮(zhèn)江市產(chǎn)學研合作一等獎1項。培養(yǎng)碩士研究生3名。對照合同，已完成了項目研究任務，各項指標均達到了合同要求。5、預算執(zhí)行情況項目擬投入130萬元，其中省撥經(jīng)費30萬元，合作企業(yè)出資100萬元。項目實施過程中，企業(yè)實際投資105萬元，主要用于高品質(zhì)工模具鋼在線試制試驗產(chǎn)生的材料費、能源動力費及設備改造費；省撥經(jīng)費30萬元，基本執(zhí)行完畢，分別用于測試化驗加工費、設備費、材料費、會議費、專利申請維護費、論文版面費差旅費以及勞務費等。三、項目技術(shù)情況1、研究方法及技術(shù)路線本項目擬通過控制凝固冷卻工藝、復合微合金化（RE、Ca、Al）等手段，影響工模具鋼合金碳化物形成過程，預制出分布良好、具有特定形態(tài)和精細結(jié)構(gòu)的合金碳化物，進而采用高溫退火方法，利用碳化物分解與球化雙重作用，實現(xiàn)碳化物尺寸細化，改善組織均勻性，提高工模具鋼硬度和耐磨性。擬利用微合金化和碳化物熱處理相變反應，控制碳化物晶體結(jié)構(gòu)，形成滑移系較多、形變塑性較好的合金碳化物類型，從而提高工模具鋼韌塑性。（1）工模具鋼合金碳化物形成過程及控制研究：擬采用改變凝固冷卻工藝和復合微合金化方法，影響合金碳化物的形成過程，獲得分布良好、具有特定形態(tài)（表面曲率半徑差異明顯，球化動力學驅(qū)動力大）和特定精細結(jié)構(gòu)（產(chǎn)生晶體缺陷，增強分解熱力學驅(qū)動力）的合金碳化物。（2）工模具鋼合金碳化物高溫分解和球化行為研究：對上述合金碳化物進行高溫退火處理，使碳化物分解和球化，實現(xiàn)碳化物細化，提高工模具鋼組織均勻性。（3）工模具鋼合金碳化物形變行為與晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系研究：分析不同結(jié)構(gòu)合金碳化物的形變行為，確定形變能力較好的合金碳化物類型，為合金碳化物結(jié)構(gòu)調(diào)控指明方向。（4）工模具鋼合金碳化物結(jié)構(gòu)調(diào)控研究：利用微合金化和碳化物熱處理相變反應，控制碳化物晶體結(jié)構(gòu)，獲得變形能力較好的合金碳化物類型，從而提高工模具鋼韌塑性。2、解決的關(guān)鍵技術(shù)（1）高均勻性工模具鋼碳化物尺寸與分布調(diào)控技術(shù)。通過改變凝固冷卻工藝，增加過冷度，提高碳化物均勻形核率，改善合金碳化物分布狀態(tài)。通過復合微合金化、控制凝固冷卻等手段，影響合金碳化物長大過程，改變碳化物不同晶面的長大速率，控制形成內(nèi)部無缺陷的纖維狀碳化物；進而采用高溫退火方法處理，使上述碳化物發(fā)生分解和球化，使碳化物細化。（2）高韌性工模具鋼碳化物結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)。通過研究M2C碳化物相變微觀過程及影響機制，開發(fā)形成碳化物相變熱處理技術(shù)，控制碳化物晶體結(jié)構(gòu)及成分，獲得硬度和韌性較好的合金碳化物類型，提高工模具鋼韌性。（3）高塑性工模具鋼碳化物退火調(diào)控技術(shù)。通過研究重結(jié)晶退火過程中二次碳化物析出行為及其對高速鋼塑性的影響規(guī)律，優(yōu)化奧氏體化溫度及時間，控制二次碳化物數(shù)量、分布、尺寸及結(jié)構(gòu)，改善形變過程材料內(nèi)部應力分布狀態(tài)，提高高速鋼形變塑性。3、取得的突破性進展（1）實現(xiàn)工模具鋼組織額高均勻性：通過研發(fā)采用工模具鋼合金碳化物尺寸及分布控制技術(shù)，突破了碳化物尺寸粗大、分布不均勻的技術(shù)難題，有效控制碳化物尺寸及分布。（2）高韌塑性工模具鋼開發(fā)：通過研發(fā)工模具鋼碳化物結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)和退火組織調(diào)控技術(shù)，克服材料韌塑性不足的技術(shù)難題，有效提升工模具鋼韌性和塑性。4、創(chuàng)新點（1）系統(tǒng)揭示了高速鋼合金碳化物的形成規(guī)律，闡明了凝固冷卻工藝和微合金元素對碳化物生長過程的影響機制，形成了合金碳化物調(diào)控理論，為高品質(zhì)工模具鋼技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)提供了指導。（2）形成了高均勻性工模具鋼合金碳化物尺寸及分布控制技術(shù)、高韌塑性工模具鋼碳化物結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)，率先開發(fā)出高品質(zhì)工模具鋼組織調(diào)控技術(shù)，產(chǎn)品組織質(zhì)量達到指標要求。四、合同任務指標完成情況1、研究內(nèi)容完成情況研究了凝固冷卻工藝和微合金元素（Re、Ca、Al）對工模具鋼合金碳化物形成過程的影響規(guī)律，形成了高均勻性工模具鋼合金碳化物尺寸及分布的調(diào)控技術(shù)。研究了晶體結(jié)構(gòu)和化學成分對碳化物力學性質(zhì)的影響規(guī)律，形成了高韌性工模具鋼合金碳化物力學性質(zhì)及結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)。研究了退火過程中二次碳化物析出行為及其對高速鋼塑性的影響規(guī)律，形成了高塑性工模具鋼合金碳化物退火調(diào)控研究。在實驗研究基礎上，進一步在線開展碳化物控制研究工作，優(yōu)化工藝參數(shù)，開發(fā)高品質(zhì)工模具鋼產(chǎn)品。對照合同，完成了預期研究任務。2、技術(shù)指標完成情況開發(fā)出高品質(zhì)工模具鋼，性能指標達到合同要求。以M2鋼為例：碳化物平均粒徑約8μm，最大粒徑小于11μm，分布不均勻度1.5級；硬度HRC65.5；延伸率29%。3、工作指標完成情況申請發(fā)明專利5項，其中2項獲得授權(quán)。發(fā)表SCI/EI論文5篇，核心期刊論文2篇。獲得鎮(zhèn)江市產(chǎn)學研合作一等獎1項。培養(yǎng)研究生3名。五、項目績效分析1、經(jīng)濟效益分析該項目實施以來，試制出高品質(zhì)工模具鋼560噸，累計實現(xiàn)銷售收入2100萬元，新增利稅420萬元，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。2、社會效益分析本項目產(chǎn)品為高端裝備制造提供了優(yōu)質(zhì)的工模具鋼材料，有助于推進我省裝備制造業(yè)向產(chǎn)業(yè)鏈高端環(huán)節(jié)攀升，加快我省制造業(yè)升級換代，提升制造業(yè)整體水平，鞏固我省在全國制造業(yè)的領(lǐng)先地位。本項目開發(fā)的合金碳化物調(diào)控理論與技術(shù)是高合金特鋼的共性技術(shù)，不僅適用于工模具鋼，還可推廣應用于其他以碳化物為強化相的合金鋼，進一步提升我省特鋼行業(yè)的技術(shù)水平。3、市場應用前景分析本項目產(chǎn)品—高品質(zhì)工模具鋼是高端裝備制造所需的關(guān)鍵基礎材料。隨著我國高端裝備制造業(yè)快速發(fā)展，高品質(zhì)工模具鋼需求量不斷增長，市場前景廣闊。由于采用新技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量得到提高，主要指標與進口實物水平相當，可替代進口，且由于生產(chǎn)成本有效控制，產(chǎn)品市場競爭力強。六、存在問題、有關(guān)建議及下一步研究設想項目實施兩年來，完成了預定研究任務，達到了預期研究目標。新技術(shù)的成功開發(fā)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，增強了產(chǎn)品競爭力，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。通過產(chǎn)學研合作研發(fā)，為企業(yè)培養(yǎng)鍛煉了一批技術(shù)骨干人員，增強了