镁对冷作模具钢碳化物及热塑性的影响

工程科学学报，第38卷，第4期：501-506,2016年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.4:501-506,April 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.008:http://journals.ustb.edu.cn 镁对冷作模具钢碳化物及热塑性的影响 王 承，龚伟，姜周华四，王海东 东北大学材料与治金学院，沈阳110819 ☒通信作者，E-mail:jiangzhe@smm.neu.edu.cn 摘要冷作模具钢C12Mo1V1因C含量和Cr含量高，铸态下在晶界析出大量网状共晶碳化物，锻造后仍会存在大量大块 长条状碳化物，且呈带状分布，使钢的热塑性降低，易产生裂纹，限制了其应用.本文研究添加Mg对C12MolV1钢碳化物及 热塑性的影响.随着钢中Mg含量增加，铸态下网状共晶碳化物被打断且被细化，使其在后期的锻造中更容易被打散.同时， 锻态下碳化物的平均尺寸随着Mg含量增加而减小，呈均匀弥散分布.碳化物尺寸和分布状态的改善提高了钢的热塑性 关键词冷作工具钢：镁：碳化物：热塑性 分类号TG142.45:TG142.22 Effect of magnesium on the carbide and thermoplasticity of cold working die steel WANG Cheng,GONG Wei,JIANG Zhou-hua,WANG Hai-dong School of Materials Metallurgy,Northeastem University,Shenyang 110819,China Corresponding author,E-mail:jiangzh@smm.neu.edu.cn ABSTRACT Due to high Cr and C contents,there are a mass of network eutectic carbides precipitating at grain boundaries in the as-east Cr12Mol VI cold working die steel.After forging,most of them are long strip-shaped and have a zonal distribution,leading to a decrease in thermoplasticity,easy formation of cracks,and thus the limit of application.The effects of Mg addition on the carbides and thermoplasticity of the Cr12MolVI steel were investigated in the present study.It is found that with increasing Mg content in the steel,network eutectic carbides in the as-cast steel are interrupted and refined,and can be shattered more easily during the later forg- ing procedure.Meanwhile,the average size of carbides in the forged steel decreases with increasing Mg content,and these carbides present a uniform diffuse distribution.The improvement in size and distribution of carbides enhances the thermoplasticity of the steel KEY WORDS cold working die steel:magnesium:carbides:thermoplasticity C12Mo1VI冷作模具钢应用广泛，消耗量在冷作不少研究-.稀土元素具有较强的脱氧脱硫能力，可 模具钢中居首位，具有高耐磨性、高淬透性、高热稳定 净化钢液，对改善碳化物形貌有一定作用.姜启川 性、高抗弯强度等特点.这种莱氏体钢铸态下存在大 等0研究稀土对铸造Cl2MolV1模具钢碳化物形貌 量的网状共晶碳化物，且偏析严重.这些网状共晶碳 及性能的影响，经稀土变质后共晶碳化物细化且均匀 化物非常稳定，经高温热处理也不能改变其形貌与分 分布. 布，严重割裂了基体，故热加工性能很差，变形阻力大， Mg在钢中具有和稀土相似的作用，且Mg具有资 脆性大，难成形，变形量稍大些即产生裂纹，因此应用 源优势.在炼钢温度下，Mg与氧和硫有很大的亲和 受到限制. 力，具有很强的脱氧脱硫能力.因此，不少治金工作者 近年来，关于改善高铬铸钢及铸铁性能方面做了对Mg在钢中的应用做了大量研究5.毛卫民和钟 收稿日期：2015-03-25 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51174050)：国家高技术研究发展计划资助项目(2012AA03A503):教有部基本科研业务费资助项目 (N110402010)

工程科学学报，第 38 卷，第 4 期: 501--506，2016 年 4 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 4: 501--506，April 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 04． 008; http: / /journals． ustb． edu． cn 镁对冷作模具钢碳化物及热塑性的影响 王 承，龚 伟，姜周华，王海东 东北大学材料与冶金学院，沈阳 110819  通信作者，E-mail: jiangzh@ smm． neu． edu． cn 摘 要 冷作模具钢 Cr12Mo1V1 因 C 含量和 Cr 含量高，铸态下在晶界析出大量网状共晶碳化物，锻造后仍会存在大量大块 长条状碳化物，且呈带状分布，使钢的热塑性降低，易产生裂纹，限制了其应用． 本文研究添加 Mg 对 Cr12Mo1V1 钢碳化物及 热塑性的影响． 随着钢中 Mg 含量增加，铸态下网状共晶碳化物被打断且被细化，使其在后期的锻造中更容易被打散． 同时， 锻态下碳化物的平均尺寸随着 Mg 含量增加而减小，呈均匀弥散分布． 碳化物尺寸和分布状态的改善提高了钢的热塑性． 关键词 冷作工具钢; 镁; 碳化物; 热塑性 分类号 TG142. 45; TG142. 22 Effect of magnesium on the carbide and thermoplasticity of cold working die steel WANG Cheng，GONG Wei，JIANG Zhou-hua ，WANG Hai-dong School of Materials ＆ Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China  Corresponding author，E-mail: jiangzh@ smm． neu． edu． cn ABSTＲACT Due to high Cr and C contents，there are a mass of network eutectic carbides precipitating at grain boundaries in the as-cast Cr12Mo1V1 cold working die steel． After forging，most of them are long strip-shaped and have a zonal distribution，leading to a decrease in thermoplasticity，easy formation of cracks，and thus the limit of application． The effects of Mg addition on the carbides and thermoplasticity of the Cr12Mo1V1 steel were investigated in the present study． It is found that with increasing Mg content in the steel，network eutectic carbides in the as-cast steel are interrupted and refined，and can be shattered more easily during the later forg￾ing procedure． Meanwhile，the average size of carbides in the forged steel decreases with increasing Mg content，and these carbides present a uniform diffuse distribution． The improvement in size and distribution of carbides enhances the thermoplasticity of the steel． KEY WOＲDS cold working die steel; magnesium; carbides; thermoplasticity 收稿日期: 2015--03--25 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51174050) ; 国家高技术研究发展计划资助项目( 2012AA03A503) ; 教育部基本科研业务费资助项目 ( N110402010) Cr12Mo1V1 冷作模具钢应用广泛，消耗量在冷作 模具钢中居首位，具有高耐磨性、高淬透性、高热稳定 性、高抗弯强度等特点． 这种莱氏体钢铸态下存在大 量的网状共晶碳化物，且偏析严重． 这些网状共晶碳 化物非常稳定，经高温热处理也不能改变其形貌与分 布，严重割裂了基体，故热加工性能很差，变形阻力大， 脆性大，难成形，变形量稍大些即产生裂纹，因此应用 受到限制． 近年来，关于改善高铬铸钢及铸铁性能方面做了 不少研究［1--3］． 稀土元素具有较强的脱氧脱硫能力，可 净化钢 液，对 改 善 碳 化 物 形 貌 有 一 定 作 用． 姜 启 川 等［4］研究稀土对铸造 Cr12Mo1V1 模具钢碳化物形貌 及性能的影响，经稀土变质后共晶碳化物细化且均匀 分布． Mg 在钢中具有和稀土相似的作用，且 Mg 具有资 源优势． 在炼钢温度下，Mg 与氧和硫有很大的亲和 力，具有很强的脱氧脱硫能力． 因此，不少冶金工作者 对 Mg 在钢中的应用做了大量研究［5--14］． 毛卫民和钟

·502· 工程科学学报，第38卷，第4期 雪友认为适量的Mg使晶内和晶界成条粗大的碳化 温2h,然后随炉冷却到730℃保温6h,最后随炉冷却 物细化，提高了钢的力学性能.Boa则认为Mg偏聚 到450℃出炉空冷 于晶界和相界来影响碳化物形态和大小. 1.2分析方法 本文尝试向Cr12MolV1冷作模具钢中添加不同 采用直读光谱测定钢中Si、Cr、Mn、V、Mo、Ni和P 含量的Mg,改善共晶碳化物的形态和分布，使碳化物 的含量，采用红外C/S分析仪测定钢中C和S的含 被细化，网状碳化物断裂且均匀分布，从而提高其热塑性 量，采用Leco TC500N2/0,分析仪测定钢中0和N的 1实验材料与方法 含量，采用iCAP6300ICP-OES分析仪测定钢中Mg的 含量.表1为实验钢的化学成分 1.1实验过程 为了保证钢样碳化物分布和形貌分析的准确性， 为了考察Mg处理对冷作模具钢碳化物及热塑性 所有钢样的分析面均在相同截面上切取10mm×10mm 的影响，以钢种Cl2MolV1为代表品种进行3炉实 的试样进行分析.铸态和锻态下的试样经过400~2000 验，其中2炉添加不同含量的Ni-Mg合金（镁的质量 号水砂纸逐级打磨抛光后利用CuCl2混合溶液(4g 分数为20.35%)进行Mg处理 CuCL2+20mL浓HCl+40mL乙醇)进行腐蚀，在Axio- 实验钢在50kg真空感应炉由工业纯铁和所需合 vet25型蔡司(ZEISS)金相显微镜下观察碳化物的形 金熔炼.熔炼时，除Si、Mn、A和Ni-Mg,其他的合金 貌和分布，并获得金相照片且利用PP6.0软件对碳 都和工业纯铁一起随炉加入，待其熔清后，充入A气 化物尺寸进行统计，然后利用SSX-550型扫描电镜对 至3kPa后依次加入Si、Mn和Al.待其再次完全熔清 碳化物的成分进行分析. 后，继续充入Ar气至9kPa后加入Ni-Mg合金，2min 每炉钢样进行高温拉伸试验.高温拉伸工艺为： 后浇铸成锭 试样在真空下以10℃·s加热至900℃，保温30min 铸锭去头去尾后，在每个铸锭上端切取部分试样 后，在恒温下对试样施加变形（拉速7.2mm·min). 分析铸态下碳化物的形貌，剩下的部分锻造成50mm 经冷却后进行试样的测量：伸长率以及断面直径.利 ×50mm的方棒.锻后红送退火，温度加热到850℃保 用扫描电镜观察分析高温拉伸断口. 表1实验钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the test steel 试样号 Si Mn Mo Mg T.0 No.I 1.51 0.42 0.34 11.72 0.96 0.94 0 0.0088 0.019 0.0025 0.0054 No.2 1.51 0.41 0.34 11.80 0.98 0.92 0.0020 0.0065 0.019 0.0014 0.0052 No.3 1.50 0.43 0.35 11.81 0.95 0.92 0.0043 0.0052 0.020 0.0011 0.0054 80%(0.002%Mg)和86.50%(0.0043%Mg),分别 2 实验结果 提高6.31%和14.95%.钢的收缩率由72.75%(0% 2.1Mg对锻态Cr12Mo1V1钢高温性能的影响 Mg)增加到84%(0.002%Mg)和86.5%(0.0043% 高温拉伸试验结果如图1所示.从图中可以看 Mg),分别提高15.46%和18.90%.可见，Mg的添加 出，随着Mg含量的增加，钢的强度略有增加，但是增 提高了钢的热塑性 加不明显.钢的伸长率由75.25%(0%Mg)增加到 图2为不同Mg含量试样的高温拉伸断口形貌. 128 124 85 0 之116 112 70 64 90 62 85 60 58 75 56 10 20 30 0 70 0 10 20 30 40 Mg的质量分数/10 Mg的质量分数10 图1不同Mg含量试样的高温拉伸试验结果 Fig.I Results of high temperature tensile tests of the steels with different Mg contents

工程科学学报，第 38 卷，第 4 期 雪友［15］认为适量的 Mg 使晶内和晶界成条粗大的碳化 物细化，提高了钢的力学性能． Bor［16］则认为 Mg 偏聚 于晶界和相界来影响碳化物形态和大小． 本文尝试向 Cr12Mo1V1 冷作模具钢中添加不同 含量的 Mg，改善共晶碳化物的形态和分布，使碳化物 被细化，网状碳化物断裂且均匀分布，从而提高其热塑性． 1 实验材料与方法 1. 1 实验过程 为了考察 Mg 处理对冷作模具钢碳化物及热塑性 的影响，以钢种 Cr12Mo1V1 为代表品种进行 3 炉实 验，其中 2 炉添加不同含量的 Ni--Mg 合金( 镁的质量 分数为 20. 35% ) 进行 Mg 处理． 实验钢在 50 kg 真空感应炉由工业纯铁和所需合 金熔炼． 熔炼时，除 Si、Mn、Al 和 Ni--Mg，其他的合金 都和工业纯铁一起随炉加入，待其熔清后，充入 Ar 气 至 3 kPa 后依次加入 Si、Mn 和 Al． 待其再次完全熔清 后，继续充入 Ar 气至 9 kPa 后加入 Ni--Mg 合金，2 min 后浇铸成锭． 铸锭去头去尾后，在每个铸锭上端切取部分试样 分析铸态下碳化物的形貌，剩下的部分锻造成 50 mm × 50 mm 的方棒． 锻后红送退火，温度加热到 850 ℃ 保 温 2 h，然后随炉冷却到 730 ℃ 保温 6 h，最后随炉冷却 到 450 ℃出炉空冷． 1. 2 分析方法 采用直读光谱测定钢中 Si、Cr、Mn、V、Mo、Ni 和 P 的含量，采用红外 C / S 分析仪测定钢中 C 和 S 的含 量，采用 Leco TC 500 N2 /O2分析仪测定钢中 O 和 N 的 含量，采用 iCAP 6300 ICP--OES 分析仪测定钢中 Mg 的 含量． 表 1 为实验钢的化学成分． 为了保证钢样碳化物分布和形貌分析的准确性， 所有钢样的分析面均在相同截面上切取 10 mm × 10mm 的试样进行分析． 铸态和锻态下的试样经过 400 ～ 2000 号水砂纸逐级打磨抛光后利用 CuCl2 混合 溶 液( 4 g CuCl2 + 20 mL 浓 HCl + 40 mL 乙醇) 进行腐蚀，在 Axio￾vert25 型蔡司( ZEISS) 金相显微镜下观察碳化物的形 貌和分布，并获得金相照片且利用 IPP 6. 0 软件对碳 化物尺寸进行统计，然后利用 SSX--550 型扫描电镜对 碳化物的成分进行分析． 每炉钢样进行高温拉伸试验． 高温拉伸工艺为: 试样在真空下以 10 ℃·s － 1加热至 900 ℃，保温 30 min 后，在恒温下对试样施加变形( 拉速 7. 2 mm·min － 1 ) ． 经冷却后进行试样的测量: 伸长率以及断面直径． 利 用扫描电镜观察分析高温拉伸断口． 表 1 实验钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the test steel % 试样号 C Si Mn Cr Mo V Mg S P T. O N No． 1 1. 51 0. 42 0. 34 11. 72 0. 96 0. 94 0 0. 0088 0. 019 0. 0025 0. 0054 No． 2 1. 51 0. 41 0. 34 11. 80 0. 98 0. 92 0. 0020 0. 0065 0. 019 0. 0014 0. 0052 No． 3 1. 50 0. 43 0. 35 11. 81 0. 95 0. 92 0. 0043 0. 0052 0. 020 0. 0011 0. 0054 图 1 不同 Mg 含量试样的高温拉伸试验结果 Fig． 1 Ｒesults of high temperature tensile tests of the steels with different Mg contents 2 实验结果 2. 1 Mg 对锻态 Cr12Mo1V1 钢高温性能的影响 高温拉伸试验结果如图 1 所示． 从图中可以看 出，随着 Mg 含量的增加，钢的强度略有增加，但是增 加不明显． 钢的伸长率由 75. 25% ( 0% Mg) 增加到 80% ( 0. 002% Mg) 和 86. 50% ( 0. 0043% Mg) ，分别 提高 6. 31% 和 14. 95% ． 钢的收缩率由 72. 75% ( 0% Mg) 增加到 84% ( 0. 002% Mg) 和 86. 5% ( 0. 0043% Mg) ，分别提高 15. 46% 和 18. 90% ． 可见，Mg 的添加 提高了钢的热塑性． 图 2 为不同 Mg 含量试样的高温拉伸断口形貌． · 205 ·

王承等：镁对冷作模具钢碳化物及热塑性的影响 ·503· 500m 500μm 500um 图2不同Mg含量试样的高温拉伸断口形貌.(a)0%Mg:(b)0.002%Mg:(c)0.0043%Mg Fig.2 High temperature tensile fracture morphology of the steels with different Mg contents:(a)0%Mg:(b)0.002%Mg:(c)0.0043%Mg 由图2(a)(0%Mg)中可以看出，断口形貌略显杯锥 明碳化物中主要元素为C、Mo和V. 状，约有110的剪切唇区，中间区域断口呈现无定形 2.3Mg对锻态Cr12Mo1V1钢中碳化物的影响 的粗糙表面，垂直于拉伸荷重，由此看出断裂介于脆性 图6为锻态试样中碳化物尺寸和分布的金相分析 断裂与韧性断裂之间：由图2(b)(0.002%Mg)中可 结果.从图中可以看出，试样No.1(0%Mg)中碳化物 以看出，宏观断口形貌为杯锥状，杯锥底垂直于主应 尺寸较大，大部分为长条状，并且整个碳化物呈“带 力，断口边缘剪切唇区面积大，热塑性提高；由图2(c) 状”分布：试样No.2(0.002%Mg)中碳化物明显被细 (0.0043%Mg)中可以看出，整体断口形貌与图2(b) 化，长条状的碳化物完全断裂，只有少量尺寸较大的碳 的相似，但断口更为平整且剪切唇区变大，从而表现出 化物：试样No.3(0.004%Mg)中碳化物变得更加细 更好的热塑性. 小均匀，几乎没有大尺寸的，并且呈弥散分布.加Mg 2.2Mg对铸态Cr12MolV1钢中碳化物的影响 后的碳化物形态多为小球状，试样No.3中几乎完全为 Mg作为一种变质剂，可以有效改善钢中碳化物的 球状.金相分析结果说明Crl2MolV1钢中添加Mg 形态和分布，从而改善钢的性能.图3为添加不同Mg 后，钢中长条碳化物被打散，带状分布消失，碳化物被 含量的铸态样中碳化物的形貌.从图中可以看出，在 球化，变得细小均匀，呈弥散分布 没添加Mg的No.1试样（图3(a))中，晶界上析出的 利用PP6.0软件对碳化物尺寸进行统计，不同 共晶碳化物粗大且基本是完全封闭的：在添加 Mg含量的碳化物的平均尺寸如图7所示.从图中可 0.002%Mg的No.2试样（图3(b)中，大部分的网状 以看出，随着Mg含量的增加，碳化物的平均尺寸逐渐 碳化物发生断开现象；在添加0.0043%Mg的No.3试 减小，从1.07m(0%Mg)依次减小到0.66μm 样（图3(）)中，网状碳化物被打断，且碳化物被细化. (0.002%Mg)和0.58μm(0.0043%Mg).这进一步 这说明向Crl2MolV1钢中添加Mg可改变铸态钢中共 说明添加Mg后，钢中碳化物的尺寸明显变小，Mg起 晶碳化物的分布形态，从而改善其热塑性 到细化碳化物的作用. 图4和图5为铸态样中碳化物的扫描电镜分析结 3讨论与分析 果.从图4看出，铸态的钢样析出“鱼骨状”碳化物，其 主要合金元素为Cr,同时含有少量的Mo和V,即析出 3.1Mg改善网状碳化物的机理 的碳化物主要为铬铁复合碳化物((Fe,Cr),C),该类 钢中添加Mg后，凝固时以低熔点的Mg为形核核 碳化物硬度很高，也极稳定.线分析结果（图5）表面 心而形成碳化物晶体，破坏了碳化物的连续性，使网状 Mg分布较均匀，基本没有在碳化物中偏聚，进一步说 碳化物被打断.其次，当溶质和基体二者的原子半径 100μm 1004m 100m 图3不同Mg含量铸态钢中碳化物的变化.(a)0%Mg:(b)0.002%Mg:(c)0.0043%Mg Fig.3 Variation of carbides in the as-cast steels with different Mg contents:(a)0%Mg:(b)0.002%Mg:(c)0.0043%Mg

王 承等: 镁对冷作模具钢碳化物及热塑性的影响 图 2 不同 Mg 含量试样的高温拉伸断口形貌 . ( a) 0% Mg; ( b) 0. 002% Mg; ( c) 0. 0043% Mg Fig． 2 High temperature tensile fracture morphology of the steels with different Mg contents: ( a) 0% Mg; ( b) 0. 002% Mg; ( c) 0. 0043% Mg 由图 2( a) ( 0% Mg) 中可以看出，断口形貌略显杯锥 状，约有 1 /10 的剪切唇区，中间区域断口呈现无定形 的粗糙表面，垂直于拉伸荷重，由此看出断裂介于脆性 断裂与韧性断裂之间; 由图 2( b) ( 0. 002% Mg) 中可 以看出，宏观断口形貌为杯锥状，杯锥底垂直于主应 力，断口边缘剪切唇区面积大，热塑性提高; 由图 2( c) ( 0. 0043% Mg) 中可以看出，整体断口形貌与图 2( b) 的相似，但断口更为平整且剪切唇区变大，从而表现出 更好的热塑性． 2. 2 Mg 对铸态 Cr12Mo1V1 钢中碳化物的影响 Mg 作为一种变质剂，可以有效改善钢中碳化物的 形态和分布，从而改善钢的性能． 图 3 为添加不同 Mg 含量的铸态样中碳化物的形貌． 从图中可以看出，在 没添加 Mg 的 No． 1 试样( 图 3( a) ) 中，晶界上析出的 共晶碳化物粗大且基本是完全封闭的; 在 添 加 0. 002% Mg 的 No． 2 试样( 图 3( b) ) 中，大部分的网状 碳化物发生断开现象; 在添加 0. 0043% Mg 的 No． 3 试 样( 图 3( c) ) 中，网状碳化物被打断，且碳化物被细化． 这说明向 Cr12Mo1V1 钢中添加 Mg 可改变铸态钢中共 晶碳化物的分布形态，从而改善其热塑性． 图 3 不同 Mg 含量铸态钢中碳化物的变化 . ( a) 0% Mg; ( b) 0. 002% Mg; ( c) 0. 0043% Mg Fig． 3 Variation of carbides in the as-cast steels with different Mg contents: ( a) 0% Mg; ( b) 0. 002% Mg; ( c) 0. 0043% Mg 图 4 和图 5 为铸态样中碳化物的扫描电镜分析结 果． 从图 4 看出，铸态的钢样析出“鱼骨状”碳化物，其 主要合金元素为 Cr，同时含有少量的 Mo 和 V，即析出 的碳化物主要为铬铁复合碳化物( ( Fe，Cr) 3 C) ，该类 碳化物硬度很高，也极稳定． 线分析结果( 图 5) 表面 Mg 分布较均匀，基本没有在碳化物中偏聚，进一步说 明碳化物中主要元素为 Cr、Mo 和 V． 2. 3 Mg 对锻态 Cr12Mo1V1 钢中碳化物的影响 图 6 为锻态试样中碳化物尺寸和分布的金相分析 结果． 从图中可以看出，试样 No． 1 ( 0% Mg) 中碳化物 尺寸较大，大部分为长条状，并且整个碳化物呈“带 状”分布; 试样 No． 2 ( 0. 002% Mg) 中碳化物明显被细 化，长条状的碳化物完全断裂，只有少量尺寸较大的碳 化物; 试样 No． 3 ( 0. 004% Mg) 中碳化物变得更加细 小均匀，几乎没有大尺寸的，并且呈弥散分布． 加 Mg 后的碳化物形态多为小球状，试样 No． 3 中几乎完全为 球状． 金 相 分 析 结 果 说 明 Cr12Mo1V1 钢 中 添 加 Mg 后，钢中长条碳化物被打散，带状分布消失，碳化物被 球化，变得细小均匀，呈弥散分布． 利用 IPP 6. 0 软件对碳化物尺寸进行统计，不同 Mg 含量的碳化物的平均尺寸如图 7 所示． 从图中可 以看出，随着 Mg 含量的增加，碳化物的平均尺寸逐渐 减小，从 1. 07 μm ( 0% Mg ) 依 次 减 小 到 0. 66 μm ( 0. 002% Mg) 和 0. 58 μm ( 0. 0043% Mg) ． 这进一步 说明添加 Mg 后，钢中碳化物的尺寸明显变小，Mg 起 到细化碳化物的作用． 3 讨论与分析 3. 1 Mg 改善网状碳化物的机理 钢中添加 Mg 后，凝固时以低熔点的 Mg 为形核核 心而形成碳化物晶体，破坏了碳化物的连续性，使网状 碳化物被打断． 其次，当溶质和基体二者的原子半径 · 305 ·

·504· 工程科学学报，第38卷，第4期 7 6 5 4 2 4 6 101214 能量eV 图4铸态试样中碳化物的扫描电镜照片和能谱 Fig.4 SEM image and EDS spectrum of carbides in the as-cast sample 180 150 120 0 20406080100120140160180200220 扫描长度m 400 2400 Cr 300 2000 1600 200 pWW峰 1200 800 400 twwyhtpjp-liyytuppe7e 020406080100120140160180200220 204060 80100120140160180200220 扫描长度如m 扫描长度m 350 500 300 400 300 150 林保W 200 100 To0 0 20406080100120140160180200220 020406080100120140160180200220 扫描长度m 扫描长度/m 图5铸态试样中碳化物的扫描电镜和能谱线扫描分析结果 Fig.5 SEM image and EDS line scanning profiles of carbides in the as-cast sample 20 um 20m 20μm 图6不同Mg含量锻态钢中碳化物的尺寸和分布变化 Fig.6 Change in size and distribution of carbides in the forged steels with different Mg contents 相差较大时，由于进入基体的溶质引起较大的晶格畸 3.2Mg细化碳化物的机理 变而产生的畸变能使系统的自由能升高，大半径的溶 利用扫描电镜能谱分析对碳化物的成分进行分 质原子为了保持最低的系统自由能则在晶界偏聚☑ 析，不同Mg含量试样的碳化物中C的平均含量变化 Mg的原子半径为0.16nm,比基体原子铁原子要大，因 如图8所示.镁的添加使碳化物中C的质量分数增 此Mg在晶界上偏聚，从而消除晶界中易于析出碳化 加，从40.45%(0%Mg)增加到48.54%(0.002% 物的位错与空位等缺陷，减少网状碳化物的析出. Mg)和49.62%(0.0043%Mg)

工程科学学报，第 38 卷，第 4 期 图 4 铸态试样中碳化物的扫描电镜照片和能谱 Fig． 4 SEM image and EDS spectrum of carbides in the as-cast sample 图 5 铸态试样中碳化物的扫描电镜和能谱线扫描分析结果 Fig． 5 SEM image and EDS line scanning profiles of carbides in the as-cast sample 图 6 不同 Mg 含量锻态钢中碳化物的尺寸和分布变化 Fig． 6 Change in size and distribution of carbides in the forged steels with different Mg contents 相差较大时，由于进入基体的溶质引起较大的晶格畸 变而产生的畸变能使系统的自由能升高，大半径的溶 质原子为了保持最低的系统自由能则在晶界偏聚［17］． Mg 的原子半径为 0. 16 nm，比基体原子铁原子要大，因 此 Mg 在晶界上偏聚，从而消除晶界中易于析出碳化 物的位错与空位等缺陷，减少网状碳化物的析出． 3. 2 Mg 细化碳化物的机理 利用扫描电镜能谱分析对碳化物的成分进行分 析，不同 Mg 含量试样的碳化物中 Cr 的平均含量变化 如图 8 所示． 镁的添加使碳化物中 Cr 的质量分数增 加，从 40. 45% ( 0% Mg) 增 加 到 48. 54% ( 0. 002% Mg) 和 49. 62% ( 0. 0043% Mg) ． · 405 ·

王承等：镁对冷作模具钢碳化物及热塑性的影响 ·505· 1.2 共晶碳化物会导致脆性断裂：而镁处理后，钢样的碳化 物断网孤立，碳化物变得细小且均匀分布，因此钢的热 塑性提高. 氧是钢中有害元素，氧含量增加对钢的性能有 0.8 不利的影响，钢的强度、塑形、韧性等随着钢中氧含 量增加而降低.如图9所示，钢中加入Mg后，Mg 0.6 与0作用，大幅度降低钢中氧含量，改善了钢的热 塑性.另外，有害元素的偏聚、脆性相的出现等会 使材料的脆性断裂趋势增大.钢中加入镁后，镁与 0.4 0 10 20 30 40 50 S偏析元素作用，脱硫效果明显，钢中S含量降低 Mg的质量分数/小0 (如图9)，对脆性相变质；并且镁能够在晶界偏聚， 图7不同Mg含量钢中碳化物的平均尺寸变化 能够抵消其他有害杂质元素、碳氮化物等第二相的 Fig.7 Change in average size of carbides in the steels with different 聚集，净化晶界，使得晶界的磷偏聚大为减弱，减缓 Mg contents 沿晶断裂的敏感性，也在一定程度上改善和提高了 55 钢材的热塑性. 100 50 80 45 60 40 35 10203040 50 20 M的质量分数/10 图8不同Mg含量钢中碳化物的Cr含量变化 102030 40 50 Fig.8 Cr content variation of carbides in steels with different Mg Mg的质量分数/10 content 图9不同Mg含量钢中0和S含量变化 Fig.9 Change in O and S contents of the steels with different Mg 文献8]中指出，在相同的退火制度下，碳化物 contents 中C的含量随着钢样中Mg的含量增加而增加，因为 Mg改善了Cr在碳化物中扩散速率.Cr在碳化物中是 4 结论 一种稳定元素，可以降低含C渗碳型碳化物的退火聚 (1)铸态的Cr12MolV1钢凝固时析出大量的网 集倾向，从而阻止条状碳化物的形成，使碳化物球状化 状共晶碳化物，锻态下仍有大块的、长条的碳化物呈带 或近球状化.这清楚地解释了Mg的添加使碳化物被 状分布.添加Mg后，铸态下网状碳化物被打断，并且 细化且分布均匀的原因. 被明显细化.同时，锻态下碳化物被球状化或近球状 另外，碳化物的形态与母相一碳化物相界面的单 化，碳化物的平均尺寸从1.07μm(0%Mg)依次减小 位自由能和界面张力有关.当基体晶界能与碳化物同 到0.66μm(0.002%Mg)和0.58m(0.0043%Mg), 基体间相界能之比为0~1时，碳化物以一定的长宽比 且呈弥散分布. 析出.比值越大，碳化物越细长：反之则呈细小块状或 (2)Cr12MolV1钢添加Mg后，使钢的强度略有 球状.钢中加入Mg使碳化物的表面自由能提高，从而 提高，而钢的热塑性提高15.46%和18.90%.因为添 使基体晶界能与碳化物同基体间的相界能比值σ一/ 加Mg后，钢中碳化物的形态和分布都发生变化，碳化 σ，降低，因而分割碳化物，形状得以块化，使碳化物 物变得细小均匀，且以弥散状分布，使钢的强度略有提 被细化，同时碳化物变得弥散分布四 高，塑形明显提高 3.3Mg改善热塑性的机理 (3)Mg的添加对钢起到明显的脱氧和脱硫能 Crl2MolV1钢属于高碳高铬莱氏体钢，由于C和 力，钢中0含量的降低减弱了氧对塑形的不利影响， C的大量存在，在钢的凝固过程中，成分偏析使含有 S含量的降低对脆性相变质，从而使钢的热塑性显著 较高碳和合金元素的钢内出现网状共晶碳化物，网状 提高

王 承等: 镁对冷作模具钢碳化物及热塑性的影响 图 7 不同 Mg 含量钢中碳化物的平均尺寸变化 Fig． 7 Change in average size of carbides in the steels with different Mg contents 图 8 不同 Mg 含量钢中碳化物的 Cr 含量变化 Fig． 8 Cr content variation of carbides in steels with different Mg content 文献［18］中指出，在相同的退火制度下，碳化物 中 Cr 的含量随着钢样中 Mg 的含量增加而增加，因为 Mg 改善了 Cr 在碳化物中扩散速率． Cr 在碳化物中是 一种稳定元素，可以降低含 Cr 渗碳型碳化物的退火聚 集倾向，从而阻止条状碳化物的形成，使碳化物球状化 或近球状化． 这清楚地解释了 Mg 的添加使碳化物被 细化且分布均匀的原因． 另外，碳化物的形态与母相--碳化物相界面的单 位自由能和界面张力有关． 当基体晶界能与碳化物同 基体间相界能之比为 0 ～ 1 时，碳化物以一定的长宽比 析出． 比值越大，碳化物越细长; 反之则呈细小块状或 球状． 钢中加入 Mg 使碳化物的表面自由能提高，从而 使基体晶界能与碳化物同基体间的相界能比值 σγ--γ / σγ--C降低，因而分割碳化物，形状得以块化，使碳化物 被细化，同时碳化物变得弥散分布［19］． 3. 3 Mg 改善热塑性的机理 Cr12Mo1V1 钢属于高碳高铬莱氏体钢，由于 C 和 Cr 的大量存在，在钢的凝固过程中，成分偏析使含有 较高碳和合金元素的钢内出现网状共晶碳化物，网状 共晶碳化物会导致脆性断裂; 而镁处理后，钢样的碳化 物断网孤立，碳化物变得细小且均匀分布，因此钢的热 塑性提高． 氧是钢中有害元素，氧含量增加对钢的性能有 不利的影响，钢的强度、塑形、韧性等随着钢中氧含 量增加 而 降 低． 如 图 9 所 示，钢 中 加 入 Mg 后，Mg 与 O 作用，大幅 度 降 低 钢 中 氧 含 量，改 善 了 钢 的 热 塑性． 另外，有 害 元 素 的 偏 聚、脆 性 相 的 出 现 等 会 使材料的脆性断裂趋势增大． 钢中加入镁 后，镁 与 S 偏析元 素 作 用，脱 硫 效 果 明 显，钢 中 S 含 量 降 低 ( 如图 9) ，对脆性相变质; 并且镁能够在晶界偏聚， 能够抵消其他有害杂质元素、碳氮化物等第二相的 聚集，净化晶界，使得晶界的磷偏聚大为减弱，减缓 沿晶断裂的敏感性，也在一定程度上改善和提高了 钢材的热塑性． 图 9 不同 Mg 含量钢中 O 和 S 含量变化 Fig． 9 Change in O and S contents of the steels with different Mg contents 4 结论 ( 1) 铸态的 Cr12Mo1V1 钢凝固时析出大量的网 状共晶碳化物，锻态下仍有大块的、长条的碳化物呈带 状分布． 添加 Mg 后，铸态下网状碳化物被打断，并且 被明显细化． 同时，锻态下碳化物被球状化或近球状 化，碳化物的平均尺寸从 1. 07 μm ( 0% Mg) 依次减小 到 0. 66 μm ( 0. 002% Mg) 和 0. 58 μm ( 0. 0043% Mg) ， 且呈弥散分布． ( 2) Cr12Mo1V1 钢添加 Mg 后，使钢的强度略有 提高，而钢的热塑性提高 15. 46% 和 18. 90% ． 因为添 加 Mg 后，钢中碳化物的形态和分布都发生变化，碳化 物变得细小均匀，且以弥散状分布，使钢的强度略有提 高，塑形明显提高． ( 3) Mg 的添加 对 钢 起 到 明 显 的 脱 氧 和 脱 硫 能 力，钢中 O 含量的降低减弱了氧对塑形的不利影响， S 含量的降低对脆性相变质，从而使钢的热塑性显著 提高． · 505 ·

·506· 工程科学学报，第38卷，第4期 参考文献 [11]Ge HL,Youdelis W V,Chen G L.Effect of interfacial segrega- tion magnesium high carbon (18%Cr)cast steel.Mater Sci [1]Dong Z,Chen S Y,Fu T S,et al.A process for improving quality Technol,1989,5(12):1207 of EPC cast grinding balls.Mod Cast Iron,2002(4):60 [12]Yu Y G.Fu J.Wang A R,et al.Effect of Mg on mechanical (董振，陈三元，付通顺，等。提高消失模铸造磨球质量的工 properties of 35CrNi3MoV steel.J Mater Sci Technol,1998,14 艺研究.现代铸铁，2002(4)：60) (2):104 Kim K,Lee K.Effect of process parameters on porosity in alumi- [13]Fu J,Yu Y G,Wang A R,et al.Inclusion modification with Mg mum lost foam process.I Mater Sci Technol,2005,21(5):681 treatment for 35CrNi3MoV steel.J Mater Sci Technol,1998,14 B3]Wang SQ,Jiang QC,Zhao YG,et al.Cast Crl2MoV die steel (1):53 with granular carbide modified by Re-Mg compound.J Mater Sci [14]Yang J,Zhu K,Shen J G,Mamoru K.Improvement of steel Let,1996,15(3):256 cleanliness by deoxidation with Mg vapor /Proceedings of the 4]Jiang Q C,Wang S Q,Cui X Y,et al.Effect of RE on carbide 4th International Conference on Continuous Casting of Steel in De- morphology and properties of cast Crl2MoV die steel.J Chin Rare veloping Countries.Beijing,2008:675 Earth Soc,1996,14(1):43 15] Mao W M,Zhong X Y.Effect of the trace magnesium in M2 high (姜启川，王树奇，崔向勇，等.稀土对铸造C12MoV模具钢 speed steel.Acta Metall Sin,1993,29(11):492 碳化物形貌及性能的影响.中国稀土学报1996,14(1)：43) (毛卫民，钟雪友.微量Mg在M2高速钢中的作用.金属学 [5]YangJ.Tatsuhito Y,Mamoru K.Behavior of inelusions in dexi- 报，1993,29(11)：492) dation process of molten steel with in situ produced Mg vapor.ISI/ [16]Bor H Y,Chao C G,Ma C Y.The influence of magnesium on mt,2007,47(5):699 carbide characteristics and creep behavior of the MARM247 su- 6]Ryousuke T,Yang J,Mamoru K.Characteristics of inclusions peralloy.Scripta Mater,1998,38(2):329 generated during Al-Mg complex deoxidation of molten steel.IS/ [17]Xu Z C,Ma PL.The Control and Effect of Trace Elements in Su- /mt,2007,47(10):1379 peralloy.Beijing:Metallurgical Industry Press,1987 7]Isobe K.Effect of Mg addition on solidification structure of low (徐志超，马培立.高温合金中微量元素的控制及作用.北 carbon steel.IS//Int,2010,50(12)1972 京：治金工业出版社，1987) [8]Yang J,Mamoru K,Sakai T,et al.Simultaneous desulfurization [18]Liu J,Lu Q L,Li Z,et al.Study on the mechanism of trace and deoxidation of molten steel with in situ produced magnesium magnesium improving carbide in bearing steel.J fron Steel Res, vapor.S0lnt,2007,47(3):418 2011,23(5):39 ]Zhu K.Yang ZG.Effect of magnesium on the austenite grain (刘军，陆青林，李铮，等。轴承钢中微量镁改善碳化物作用 growth of the heat-affected zone in low-earbon high-strength steels. 机理研究.钢铁研究学报，2011,23(5)：39) Metall Mater Trans A,2011,42(8):2207 [19]Lu Q L,Zheng S B,Qiu X D,et al,Effect of trace Mg in steel [10]Liu L,Xiao L,Feng JC,et al.The mechanisms of resistance on carbide of bearing steel.Shanghai Met,2008,30(6):28 spot welding of magnesium to steel.Metall Mater Trans A,2010, (陆青林，郑少波，裘旭迪，等.钢中微量Mg对轴承钢中碳 41(10):2651 化物的影响.上海金属，2008,30(6)：28)

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