（材料加工工程专业论文）新型复合变质处理对铸造cr12钢组织和性能的影响.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 c r l 2 冷作模具钢属于高碳高铬类莱氏体钢，这类钢含有较高的c ( 1 4 - - 2 1 ) 和大量的 c r ( 1 1 1 3 ) 。晶界上粗大网状共晶碳化物存在使钢的强度和韧性明显降低，严重缩短了 模具使用寿命。因此，破碎沿晶界连续分布的网状碳化物是提高c r l 2 钢综合性能的有效 途径。 本文在实验室条件下，采用a 1 f e z n s i 复合变质剂对c r l 2 钢进行复合变质处理，并 运用高倍视频显微镜( h s v m ) 、s e m 、x r d 等测试手段分析了复合变质处理对c r l 2 钢 的组织及性能的影响。实验结果表明：复合变质处理能够提高碳的活度，生成异质核心， 并能增大过冷，降低氧、硫及磷含量，从而使c r l 2 钢枝晶明显细化，粗大板条状碳化物 减少，碳化物网络产生破碎倾向，且碳化物分布均匀性得到提高；复合变质剂加入量为 0 8 时，c r l 2 钢的组织最好。 高温热处理表明，普通c r l 2 钢中共晶碳化物在1 0 8 0 以下很难断网和粒化， a 1 f e z n s i 复合变质剂的加入提高了c r l 2 钢中c 元素的活度，使其扩散能力增强，促使 淬火过程中长条状碳化物熔断及加速其尖角部分的溶解，从而使孤立块状、粒状碳化物数 量增加，碳化物形态及分布均得到明显改善。经1 0 8 0 加热即可实现铸态下的断网，并 弥散分布。 性能测试结果表明：复合变质处理后，c r l 2 钢硬度变化不明显，而韧性有较大提高， 使其耐磨性能也明显改善。 关键词：复合变质，c r l 2 模具钢，共晶碳化物，韧性 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sak i n do fh i g h - c a r b o nh i l 曲一c h r o m i u ml e d e b u r i t es t e e l ，c r l2s t e e lc o n t a i n sh i g h e r c o n t e n to fc ( i 4 - 2 1 ) a n da m o u n to fc r ( 1 l - 1 3 ) t h en e t w o r ke u t e c t i cc a r b i d e se x i s t i n gi n t h ec a s t i n gs t e e li sh a r m f u lf o r t h es t r e n g t ha n dd u c t i l i t yo fi tw h i c hs e r i o u s l ys h o r t e n st h eu s i n g t i m e o ft h es t e e l s ob r e a k i n gt h i sn e t w o r kc a r b i d ei so n eo fm e t h o d st oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h i ss t e e l i no u rw o r k t h ea 1 f e z n s im o d i f i e rw a su s e dt om o d i f yt h ec r l2s t e e l t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fi tw e r es t u d i e db yh s v m ，s e m x r da n ds oo n t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ea 1 f e z n s im o d i f i e rc a ne f f e c t i v e l yr e f i n et h ed e n d r i t eo ft h es t e e l r e d u c et h e a m o u n to ft h ec o a r s ep l a t e 1 i k ec a r b i d e b r e a kt h en e t 1 i k ec a r b i d ea n di m p r o v ei td i s t r i b u t i o n i t i sb e c a u s et h a tt h ea d d i t i o no ft h em o d i f i e ri m p r o v e st h ea c t i v i t yo ft h ec a r b o na n dp r o v i d e st i l e n u c l e i i na d d i t i o n ，i tc a na l s oi n c r e a s et h eu n d e rc o o l i n ga n dd e c r e a s et h ec o n t e n to fo ，sa n dp i ti sf o u n dt h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo fs t e e l i st h eb e s tw h e nt h ea d d i t i o nl e v e lo ft h em o d i f i e ri s o 8 t h eh i g ht e m p e r a t u r eh e a t t r e a t m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m m o nc r l2s t e e ji sd i f f i c u l tt o c h a n g et h en e t w o r ke u t e c t i cc a r b i d ei n t od i s p e r s e dp a r t i c l e 1 i k ec a r b i d eu n d e rt i l e l0 8 0 t r e a t m e n t b u tt h en e t 1 i k ee u t e c t i cc a r b i d ec a nb ee a s i l yb r o k ea n db e c o m et h ep a r t i c l e 1 i k e u n d e rt h es a m eh e a t t r e a t m e n ta f t e rb e i n gm o d i f i e db yt h ea 1 f e z n s i i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h e i m p r o v e m e n to ft h ea c t i v i t yo fcw i t ht h ea d d i t i o no ft h em o d i f i e ri st h er e a s o nf o rt h i s t r a n s f o r m a t i o n t h ed i f f u s i o no fci sb o o s t e da st h ea c t i v i t yb e i n gi m p r o v e dw h i c ha c c e l e r a t e s t h eb u mo u to ft h en e t 1 i k ec a r b i d ea n dt h es o l u t i o no ft h ea c u a t ep a r t t h ep r o p e r t i e se x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h er i g i d i t yi sn o ti m p r o v e dv e r ym u c hb u tt h e d u c t i l i t ya n dw e a r - r e s i s t a n c ea r eo b v i o u s l yi m p r o v e d k e yw o r d s ：m u l t i - m o d i f i c a t i o n ，c r l2s t e e l ，e u t e c t i cc a r b i d e s ，t o u g h n e s s u 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：召骓丛动 日 期：迎2 ： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：戳导师签名：棒日 期：2 丛l 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 c r l 2 钢作为一种很重要的冷作模具钢，自从问世以来，一直得到了广泛应用。尽管 后来又不断有新的钢种问世，如美国的d 2 等相似类型的钢，但在我国，c r l 2 钢仍然占有 不可替代的地位，具有广阔的市场前景。 在c r l 2 钢的凝固过程中，c 及碳化物形成元素c r 在钢的晶界处偏析，形成大量粗大 的呈连续网状分布的共晶碳化物。这种网状共晶碳化物严重割裂基体，还可作为模具钢断 裂时的裂纹源和裂纹扩展途径，从而使得模具钢的晶界严重脆化，韧性很低，在铸态下几 乎不能使用，必须通过在高温下反复锻造将模具钢铸锭中的网状共晶碳化物打碎，使碳化 物呈粒状、弥散分布。但是，在锻造过程中，由于受到锻造比的限制，对于大尺寸铸坯， 其心部的共晶碳化物很难打碎，所以在锻造后的模具钢组织中经常存在带状碳化物偏析， 使模具钢的性能出现各向异性。而且由于网状共晶碳化物的存在，在锻造过程中容易出现 开裂和过烧等引起的废品。 如果能使c r l 2 模具钢铸态下的碳化物形态得到改善，则在锻打时就能以较小的锻造 比获得较大的变形量，也就是说可以使得碳化物在相同锻造比的情况下获得更好的分布， 甚至对于某些要求不太高的零件，可以在铸态下直接使用。这样不但可以简化生产工艺， 降低模具生产成本，还可以实现模具钢废料的重熔利用，具有巨大的经济效益和使用价值。 然而，由于铸态c r l 2 模具钢的共晶碳化物难以消除，模具钢在铸态下基本不能使用。尽 管有研究者试图用变质、合金化和热处理等方法改善c r l 2 钢碳化物的形态和分布，对其 团球化方面做了一些工作，但还不够深入。因此，综合采用变质和热处理等处理手段减轻 c r l 2 钢凝固过程中合金元素的偏析，改善铸态c r l 2 钢中共晶碳化物的形态和分布，在铸 态下实现基本断网，对于丰富c r l 2 钢的变质和合金化理论，减轻c r l 2 钢的锻造负担，提 高c r l 2 钢的使用寿命，都具有重大的理论意义和实际应用价值。 1 2 模具钢的生产现状 模具钢是制造模具的主要材料，在现代工业中得到广泛应用。模具直接关系到产品 的质量、性能、生产率及成本，而模具的质量与使用寿命与制造模具的钢材及工艺又有直 l 山东大学硕士学位论文 接的关系。第一次世界大战期间，作为高速钢切削刀具的代用品，首次进行了高碳高铬钢 的商业性生产，但它们没有足够的高温硬度并且脆性过高，因此仅能在有限范围内使用【1 1 。 然而，由于大量硬的碳化物质点产生的高耐磨性并配合变形小的特性使这些钢非常适用于 模具生产。本文研究的是c r l 2 冷作模具钢，但在介绍c r l 2 模具钢时，首先介绍一下模具 钢的基本情况。因为在评述模具钢的特性时，既要正确考虑其使用性能，又要考虑其工艺 性能。 1 2 1 模具钢在使用性能上主要考虑的因素 l 、硬度和红硬性( 热稳定性) 硬度是模具钢的重要性能指标，模具在使用过程 中应能在压应力的作用下，保持其形状和尺寸不会迅速发生变化。因此经过热处理后的模 具应具有足够的硬度，如冷作模具硬度一般在h r c 6 0 以上。红硬性是指在受热或高温工 作条件下，能够保持组织和性能稳定，具有抗软化能力，在5 0 0 6 0 0 条件下，仍保持足 够高的硬度2 1 。钢的红硬性主要取决于钢的化学成分和热处理制度，是模具钢的重要性能 指标之一。 2 、 耐磨性模具在工作中承受相当大的压应力和摩擦力，且这种摩擦主要为滑动 摩擦，其摩擦情况非常复杂，要求模具在这种条件下仍能保持尺寸和形状不变。模具的耐 磨性不仅取决于钢的成分、组织和性能，而且与工作温度、载荷( 压力) 状态、润滑介质 等有较大的关系。提高钢的硬度，有利于提高钢的耐磨性，但到了一定硬度值之后，再提 高硬度对提高耐磨性所起的意义就不显著了【3 1 。 3 、 强度和韧性模具在工作中承受较大负荷及冲击、震动、扭转和弯曲等复杂应 力，重负荷的模具往往由于强度不够、韧性不足，造成模具边缘或局部断裂而提前损坏。 因此，使模具钢保持足够的硬度和韧性，有利于延长模具寿命。同时，钢的晶粒度和钢中 碳化物的数量、大小及分布情况以及残余奥氏体量等，均对钢的强度和韧性有很大的影响。 例如，随着钢中晶粒的长大和碳化物分布不均匀度的增加，钢的强度下降，而对韧性的削 弱更为明显【4 】。 1 2 2 模具钢在实用性能上主要考虑的因素 1 加工性 是指锻、轧热加工性以及切削、研磨等形式的冷加工性能，它们与钢的 化学成分、冶金质量、组织形态及含硫、磷量等有关。模具钢大部分都是含有多种合金元 素，而且这些合金含量较高的钢种，尤其是高碳、高合金钢，在进行热加工时要严格控制 加热制度及冷却方式，以避免或减少热加工废品，而在冷加工之前，应改善组织状态，以 2 山东大学硕士学位论文 减少冷加工过程中刀具的磨损，提高模具的表面质量。 2 热处理变形和淬火温度制成的模具，进行最终热处理时要求模具的尺寸与形状 愈稳定愈好，因此，在热处理时对模具所产生的变形程度要求很严，同时，要求淬火温度 范围足够宽，以减少过热现象的产生。 3 淬硬性和淬透性淬硬性主要与钢的化学成分特别是含碳量有关。淬透性除了决 定于钢的化学成分外，还与钢在淬火前的原始组织有关。模具钢对这两种性质的要求，根 据不同模具的使用条件各有侧重，例如，对于要求表面具有高硬度的冲切模具和拉伸模具 用钢，淬硬性显得重要；而对于要求整个截面具有均匀一致性能的热锤锻模具，淬透性则 显得重要。 4 脱碳敏感性模具表面发生脱碳，会使模具表面层的机械性能降低，因此，要求 模具钢的脱碳敏感性愈低愈好。但是，在相同的加热条件下，钢的脱碳敏感性决定于钢的 化学成分，特别是含碳量。 冷作模具钢用于制造冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模、滚丝模等类型的模具，一 般要满足以下几个性能要求：高硬度、高耐磨性和足够的韧性。这类钢的含碳量较高，一 般属于莱氏体或过共析钢。而其中的高碳高铬钢，它的成分特点是含有1 3 2 3 的碳和 1 1 1 3 的铬，最常用的钢号是c r l 2 和c r l 2 m o v 等。在这两类钢中由于铬含量高达1 2 ， 使钢的相图发生明显的变化：铬是缩小铁碳平衡相图中y 区的合金元素，并使s 点和e 点向左移：钒、钼也有类似的作用，因此这两类钢均属于莱氏体类型钢。 1 2 3 国外发展现状 在工业发达的国家，都有一家或几家有名的模具钢生产厂，如西德的蒂森特殊钢厂、 瑞典的u d d e h o l m 钢厂、美国的c a r p e n t e r 钢厂、日本的日立、大同钢厂等。这些钢厂都将 模具钢产品放在一定的重要位置，把科研开发与生产还有为用户服务相结合，针对用户提 出的要求，为模具行业的发展不断开发出新的材料。 国外非常重视冲模的标准化，常用的材料有：美国的a 5 、a 6 、d 2 、h 4 2 等，日本的 s k s 3 s k s 3 1 、s k d l s k d l 2 等，另外，还有新开发的冲模材料及加工方法等。 1 、采用粉末冶金方法制造高合金c r l 2 模具钢，特点是：碳化物分布均匀，热处理变形仅 为普通钢材的1 2 l 5 ，加工方法与普通c r l 2 模具钢相同，合金含量可以根据需要调 整。品种有美国的a s p 系列，同本的h a p 系列。淬火硬度可达h r c 5 8 7 0 。 3 山东大学硕士学位论文 2 、预硬钢的调质态硬度为h r c 4 0 - 4 5 ，可进行切削加工，可用于制造卸料板、固定板等。 牌号有：美国的4 1 3 0 4 1 4 0 系列，日本的h p m l h p m l 7 等钢种。 3 、火焰淬火钢，其特点是适应于局部硬化，无脱碳，主要型号如日本的s x 4 、s x 5 等。 4 、硬质合金n i 方面，采用热等静压技术，可以使孔隙度从o 1 一1 降低到0 0 0 0 1 ，几 乎达到理论密度，组织结构均匀，性能显著提高。 5 、模具表面处理，主要采用镀铬、气体软氮化、离子氮化、c v d 、p v d 、t d 法、激光轰 击法等，以提高模具寿命【5 】o 1 2 4 国内存在问题 1 9 9 2 年统计，全国模具钢年需要量为3 0 万吨到1 9 9 5 年则达到4 0 万吨，国内各类模 具钢号有7 0 余种，分别适应于热挤压、热锻模、塑料模、压铸模、塑料模、冲模等各类 模具。我国模具企业对模具钢材需求量小，品种、规格多，需要单位分散，不易集中供应。 表1 1 模具钢材品种与年需要型6 l t a b l e1 1v a r i e t ya n da n n u a ld e m a n do fd i es t e e l 历年来我国生产的模具钢中，圆棒材的产量占9 0 以上，扁钢、模块、中厚板产量很低， 与国外差距很大( 如日本合金工具钢总产量中圆棒只占6 0 ，扁钢、钢板、钢带等占4 0 ) ， 4 山东大学硕士学位论文 而且大多是用棒料锻打改制，造成能源、加工工时浪费，成材率低，同时也影响了模具制 造周期。我国1 9 9 5 年调查的模具钢需要量中，7 0 5 5 m m 的中厚板占5 5 ，圆钢占4 0 ， 这与日本钢产量的规格品种比例很相同。表1 1 为我国模具钢材品种与年需要量。 1 2 5 新的提高模具寿命的方法 l 、表面强化处理，通过调整一般热处理工艺改善钢的强度和韧性，获得强韧性的良 好配合，是提高模具寿命的有效途径之一，采用不同的表面强化处理工艺，并赋以适宜的 心部性能相配合，可以使模具表面具有高硬度、耐磨、耐蚀、耐热、抗咬合和低摩擦系数 等优良综合性能，使模具寿命提高几倍甚至几十倍7 1 。 2 、化学气相沉积( c v d ) ，美国将c v d 技术应用于紧固件模具，使其寿命提高3 5 倍。为了利用t i c 的高硬度及t i n 的高润滑性，采用这两种材料的复合涂层，日本将这项 技术应用于拉深凹模，使其寿命提高8 倍，国内的应用也使寿命得到了成倍的提高【引。 3 、超低温处理是常规淬火工艺后的后续过程，淬火后的工件经1 0 0 左右低温回火 后，立即放入以液氮做致冷剂的超低温处理设备中进行超低温处理。d 2 钢经1 6 0 1 4 0 超低温处理后，残余奥氏体量为1 5 3 0 左右，组织明显细化，并有大量的微细碳化物沿 原奥氏体晶界及马氏体晶界和马氏体晶粒内弥散析出【9 】。 1 2 6 冷作模具钢的发展方向 1 、发展综合性能较好的冷作模具钢。为了适应高效率、高精度冷作模具的要求，必须 发展耐磨性高、红硬性好，又具有较高韧性的模具钢基体钢，如日本大同特殊钢公司 的m h 2 5 钢( 5 c r m 0 4 w 2 v 1 ) 等。 2 、高耐磨性冷作模具钢，成分特点是高碳、高钒，如美国的v a s c o 公司的c 2 7 ， c r 8 2 5 ，m 0 1 1 2 ，v 4 5 等，这类钢由于内部形成大量高硬度的碳化钒，故具有优良 的耐磨性：但由于韧性、可磨削性、可切削性等显著下降，从而限制了其应用和推广。 3 、空淬微变形冷作模具钢，具有临界点低、淬火温度低、淬透性强、淬火变形小、可 切削性和可磨削性好等特点，适用于制造精密冲压模具和精密工件。 4 、火焰淬火冷作模具钢，适于制造容易产生淬火变形的大型冷作模具，如下料模、冲 裁模【10 1 。 山东大学硕士学位论文 5 、为了提高冷作模具的耐磨性、耐热性和抗腐蚀能力，在c r l 2 类型的冷作模具钢中 加入3 左右的钴，以达到氮化处理后同时保持模具内部的硬度和提高模具钢的抗回火稳 定性的目的。 1 3cr l2 钢的研究现状 1 3 1c r l 2 钢的凝固过程和凝固组织 铸态c r l 2 钢有明显的晶内偏析，也就是说在每一个晶粒的中心部分的碳和铬含量较 晶粒的外面部分要低得多。围绕每一个晶粒的是奥氏体和碳化物的共晶混合物，这类钢的 凝固组织和高速钢非常相似。 由于c r l 2 钢和c r l 2 m o v 钢是含有较多合金元素的高合金钢，因此很难用一种二元相 图精确的表示模具钢的凝固过程，可以把c r 、m o 、v 等合金元素作为c r 的等效元素，那 么它的凝固过程可以用f e - m - c 三元相图加以近似的描述，其中m 代表m o 、c r 、v 等合 金元素。铬是缩小铁碳平衡相图中y 区的合金元素，并使s 点和e 点向左移，m o 、v 也 有类似的作用。 c r l 2 钢常用的碳含量为2 左右，所以凝固过程和高速钢的不同，它在凝固一开始时， 首先析出的是奥氏体，温度继续降低则析出碳化物，c r l 2 钢的凝固组织包括奥氏体及其 转变产物( 在冷速较快时，部分奥氏体转变为马氏体) 、分布在晶界上的网状共晶碳化物。 6 山东大学硕士学位论文 一一 p 越 赠 ! ：? 。i 一- “+ 永 l 、v 卢 l4 - o+ y q l + y y y ，一 、一 、 l - l 一一十乃 二+ 卅+ o ： 冬 y + k ： ， f y + k 1k 。 ”l 。y + i+ lp ： f这 、 ary 一。 口1 i - - 、 + k k， a + l ， l + p +k 。 a + k t k2 碳含量， 图1 1f e - c c r 系平衡图含1 3 的铬的垂直截面 f i g 1 1v e r t i c a ls e c t i o no f f e c c re q u i l i b r i u mp h a s ed i a g r a mc o n t a i n i n g13 c h r o m i 啪 当铬含量与碳含量的比值小- y - 3 ：1 时，( f e c r ) 3 c 是唯一出现的碳化物；当比值超过 3 ：1 时，富铬碳化物( c r f e ) 2 3 c 6 和( c r f e ) 7 c 3 都出现。尽管在只含1 0 0 c 的d 1 钢中 有少量( c r f e ) 2 3 c 6 碳化物，但高碳高铬钢中( c r f e ) 7 c 3 碳化物则是主要的。碳化物的 成分随合金的全部成分而变化。( c r f e ) 7 c 3 是高碳高铬钢在l 0 0 0 奥氏体化后仅有的一 种碳化物。 c r l 2 钢凝固组织的共晶碳化物主要是m 7 c 3 ，其中m 代表c r 、f e 等合金元素。c r l 2 钢中共晶碳化物成分常随模具钢的成分和冷却速度的不同而变化。 7 图i 2 铁- 碳铬系在1 2 9 0 的等温截面图( 美工具钢p 2 2 1 ) t a b j e l 2l s o t h e r m a lp h a s e d i a g r a m 。f f e c c rs y s t e m 在图上指出了三种高碳高铬模具钢( d 2 ) 、( d 3 ) 和( 。1 ) 钢的近似成分 1 3 2c r l 2 钢的合金元素 1 、铬 奥氏墓黧三= 分黧篓耋竺连续固溶体，相变时对碳原子的迁移起阻碍作用，推迟 髫薯黧耋竺裟籼蝴等最诺茹患麓 篡黧黧黧黧竺啾煳撬磊嵩蒜，焉 中碳的极限浓度都比碳钢低，因而能使钢中共析体量及二次；左笏：；：? 镢里、哭氏体 在蠢翼：兰警! 华锄。眦 黼。i - l - i - r i 形成一系列靛的铬碳化讹 羔4 扑0 一 1 糊10 0 = 翟芝娑c 晓哪嘟啪，；者i 蒜嚣嚣 眦。, 期栅讯臌揪枞阵，硬蒜淤i 戮嚣 点温善篡裟竺熏竺霎竺点温度和钢的回火稳定性。蜘铬含量使钢的三! 竺篡气= 竺竺懒棚淬火二纛磊i = 篡急薯般要耋兰高竺兰度回火。中温回火h 二：i 芝意目篓吴茎黧吴 氏体在冷却时分解，使钢产生二次硬化现象。 、 。叫州出1 灭莺残余奥 山东大学硕士学位论文 铬增加钢的回火脆性倾向。高铬钢尤其明显。回火脆性往往使钢不能承担工件所承受 的冲击裁荷。 2 、碳的作用 7 彳：c i ， ， u j b j m7 c3 ： ，一气 m c 7 4 ，哆j p ，7 形 夕夕 弧? j7 3 垃髟 ) 5l0l5 己02530 二：540 碳， 图1 3 不同碳化物含量与钢中含碳量的关系 f i g 1 3t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ev a r i e dc a r b o nc o n t e n ta n dt h ec o n t e n to fc a r b i d e s 甚爿寸 夕 亨广 长步 l 丝 ：念苎9 二 一 a + m a c 246 c ，z 图1 4 碳和铬含量对相的组成的影响 f i g 1 4e f f e c to f c a r b o na n dc h r o m i u mc o n t e n to nc o m p o s i t i o no fp h a s e 9 5 0 5 0 5 3 琵 玑 巧 m 5 o 毋零8 谨 山东大学硕士学位论文 碳化物总含量 i 。h | 1 l ， a f l 7| 、。一 f 7 、 h e c h 2 c h j j ：j ， 、 ； 、 0 7、 、1卜c | 图1 5 碳含量对c r l 2 m o v 钢中铸态共晶碳化物的影响 f i g 1 5e f f e c to fc a r b o nc o n t e n to nt h ea s - c a s tc a r b i d e si nc r i2 m o vs t e e l 1 4 改善c r12 钢组织及性能的主要途径 在过去的一段时间中，人们在改善c r l 2 钢组织及性能方面做了大量工作，下面简要 介绍一下改善c r l 2 钢组织及性能的主要途径。 1 4 1 合金化 为了改善c r l 2 模具钢的组织、工艺性能和力学性能，除了调整铬、碳含量外，在生 产上还经常需要添加一些辅助合金元素，如钼、钒、锰等。 钼显著提高钢的淬透性，固溶强化基体；促使c 曲线中珠光体区和贝氏体区分离并对 珠光体区的推移较大，有利于淬火贝氏体的形成。钼与铬、锰等导致回火脆性的元素配合 使用，能抑制和降低钢的回火脆性。钒能显著细化钢的晶粒，提高钢的综合力学性能【1 1 1 。 锰能改变初生奥氏体的析出温度和合金凝固温度范围。由于锰对凝固过程的这些影响，使 得含锰较高的c r l 2 初生奥氏体枝晶细化，数量增加【1 2 1 。 1 4 2 变质处理 变质处理是改善c r l 2 钢组织和性能最为经济有效也是最常用的一种方法。加入n b 、 t i 等强碳化物形成元素，可以和金属液中的c 、n 等元素反应形成大量弥散的碳氮化物质 1 0 山东大学硕士学位论文 点，作为奥氏体的异质核心，细化奥氏体枝晶组织：同时，大量孤立块状的一次碳化物的 形成又可以改善碳化物的形貌和分布1 1 3 】。 文献 1 4 1 7 】研究了稀土变质对于低合金白口铸铁中共晶碳化物的影响，发现，稀土 变质可以使网状m 3 c 共晶碳化物变为板块状，断开分布，使白口铁的韧性大大提高。文 献 1 8 】的研究表明，c r l 2 白口铸铁经稀土变质后，共晶碳化物细化成孤立的短杆状，冲击 韧性提高3 6 。 用碱金属如n a 、k 、m g 等的金属盐对c r l5 m 0 3 进行变质处理，可使共晶碳化物细 化、孤立化与团块化，其中经钾盐变质和热处理后，其硬度可达h r c 6 5 ，冲击值大于 1 0 j c m 2 【1 9 2 1 1 ，文献 2 2 】的研究发现用m g 对c r 2 6 变质，可使其冲击值稳定在1 0 - - , 1 2 j c m 2 。 其他合金元素如a l 、z n 等对含铬钢铁也有变质作用。在中铬铸铁中加入0 2 o 3 的 舢，铝的氧化物可以作为初生奥氏体的的结晶核心，增加形核率，细化初生奥氏体和共晶 碳化物，提高力学性能，但过量的铝将引起共晶碳化物的粗化【2 3 1 ；文献【2 4 】在高铬铸铁中 加入o 1 的z n ，使共晶碳化物变得细小、孤立、尖角圆钝，经热处理后效果更加明显， 强度和韧性均得到显著提高。 人们通过实验证实，采用多元复合变质剂对c r l 2 钢进行变质处理，其效果要大大优 于单元素或双元素变质。文献 2 5 一- 2 6 采用含稀土、镁等多元复合变质剂，对c r l 2 模具钢 进行变质处理，配合热处理，使网状共晶碳化物断网并呈粒状均匀分布。 1 5 研究目标及内容 1 5 1 研究目标 本文以c r l 2 模具钢为研究对象，在实验室条件下采用a 1 、z n 、s i 对c r l 2 钢进行复合 变质处理，并配以热处理，以在铸态下就能使碳化物的形态得到改善，减轻c r l 2 钢的锻 造负担，提高c r l 2 钢的使用寿命。 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 通过分析不同化学成份对c r l 2 钢组织及性能的影响，确定合适的复合变质剂成份。 ( 2 ) 研究复合变质处理对c r l 2 钢组织中枝晶及碳化物形态和分布的影响，并分析其变质 机理。 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 研究热处理对复合变质处理c r l 2 钢组织的影响。 ( 4 ) 研究复合变质处理及热处理对c r l 2 钢性能的影响。 参考文献 l 、g a 罗伯茨，r a 卡里著，徐进等翻译。工具钢 m i 。北京：冶金工业出版社，1 9 8 7 ：2 2 0 。 2 、冶金工业部钢铁研究院。合金钢手册上册( 第一分册) 【m 】。北京：中国i ：业出版社，1 9 7 1 。 3 、姜祖赓等。模具钢【m 】。北京：冶金工业部出版社，1 9 8 8 。 4 、曹振平。国产模具钢存在的问题及其对策 j 】。模具工业，1 9 9 7 ，( 6 ) ：4 4 。 5 、王伟。国内外模具表面处理技术概况【j 】。模具上业，1 9 9 8 ：2 。 6 、董宝林。模具钢材的情况介绍及建议【j 】。模具工业，1 9 9 4 ：n o 5 。 7 、张春水。国内外冷冲模技术现状及发展趋势【j 】。模具技术，1 9 9 1 ( 1 ) ：8 。 8 、杨裕雄。模具表面处理技术发展概况【j 】。模具技术，1 9 9 1 ( 1 ) ：1 1 。 9 、尹延国，黄录官。超低温技术在提高工模具寿命方面的应用【j 】。模具技术，1 9 9 7 ( 5 ) - p 3 4 。 1 0 、浙江大学等。钢铁材料及热处理工艺【m 】。上海：上海科学技术出版社，1 9 7 8 。 1 1 、谢敬佩，李卫，宋延沛，陈全德。耐磨铸钢及熔炼【m 】。北京：机械工业出版社，2 0 0 3 ：2 4 6 。 1 2 、郝石坚。高铬耐磨铸铁【m 】。北京：煤炭工业出版社，1 9 9 3 ：1 9 0 。 1 3 、a s a w a m o t o ，k o g i ，k m a t s u d a s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo ff e c - c r ( v - n b - w ) a l l o y j a f s t r a m 1 9 8 6 ，9 4 ：4 0 3 - 4 1 6 1 4 、王兆昌，低合金白口铸铁的合金化和变质处理研究【j 】。北京钢铁学院学报，1 9 8 6 ( 2 ) ：2 2 。 15 、w a n gz h a o c h a n g ，h s uh o n gt s u n ，m aq i a n f o r m a t i o no fs p h e r i c a lc a r b i d ei nv a n a d i u mw h i t ec a s t i r o nb yr a r ee a r t hm o d i f i c a t i o n j m a t e r i a l ss c i e n c ea n dt e c h ，1 9 9 0 ，6 ：9 0 5 。 1 6 、王兆昌。抗磨白口铸铁的合金化和变质处理的研究【j 】。北京钢铁学院学报，1 9 8 2 ( 1 ) ：2 3 。 1 7 、 王兆昌，马前。稀土变质处理中锰白口铸铁的研究【j 】。铸造，1 9 8 9 ，( 1 1 ) ：p i 。 1 8 、符寒光，凡定胜。稀土变质处理改善c r l 2 钢的组织和性能【j 】。热加工工艺，1 9 9 0 ，( 6 ) ：6 。 1 9 、张景辉，李大军。应用键参数选择变质剂及其在高铬铸铁上应用的实验研究【刀。铸造，1 9 8 9 ，( 1 1 ) ： 7 2 0 、张景辉，傅继贵。变质高铬铸铁组织与性能的研究【j 】。铸造，1 9 9 3 ，( 8 ) ：7 。 2 l 、李大军。变质高铬铸铁的组织与性能的研究【c 】。哈尔滨工业大学硕士学位论文，1 9 8 9 1 2 山东大学硕士学位论文 2 2 、阴世河，姜炳烷。变质处理改善c r 2 6 白口铸铁性能的研究【j 】。铸造1 9 8 7 ，( 7 ) ：1 7 。 2 3 、张永维，赵学礼。微量锌对高铬铸铁组织和性能的影响【j 】。热加l 二工艺，1 9 9 0 ，( 3 ) ：2 0 。 2 4 、何奖爱。钒钛稀土对低铬耐磨铸铁性能的影响【j 】。铸造，1 9 9 0 ，( 9 ) ：1 5 。 2 5 、王树奇，姜启川，赵宇光，何振明。铸造c r l 2 模具钢共晶碳化物的粒化【j 】。金属学报，1 9 9 5 ， 3 1 ( 1 1 ) ：5 2 3 - 5 2 6 。 2 6 、王树奇，崔向红，王寿珍。铸造高铬钢变质处理研究【j 】。新技术新工艺，1 9 9 5 ，4 - 2 4 - - 2 5 。 1 3 山东大学硕士学位论文 第二章实验材料及实验方法 2 1 实验材料及变质剂的选择 2 1 1 实验用材料的选择 考虑到材料的通用性，本实验选用重量分数约2 0 的废旧c r l 2 模具钢作为回炉料， 其余熔炼原料为废钢、生铁以及铬铁，废旧c r l 2 模具钢成分( 质量分数，) 为：c1 8 2 ， c r1 2 0 3 ，m n0 5 0 ，s io 6 8 ：主要原料成分如表2 1 所示。 表2 1 主要原料化学成分，w t t a b l e2 1c h e mi c a lc o m p o s i t i o n so fm a i ne x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s - w t cm n s ispc r 生铁 4 o l0 5 61 2 6 0 0 4 o 0 5 废钢 0 2 l0 5 5o 3 7 0 0 5 0 0 5 铬铁 o 2 01 0 30 0 2 86 0 2 1 2 变质剂的选择 ( 1 ) 锌锌对碳化物端部的钝化起着重要的作用。它一方面形成了含锌的复合碳化物， 增加了碳化物晶核的数量，细化了碳化物。另一方面，锌是低熔点合金元素，随着凝固过 程的不断进行，锌富集在碳化物周围的液相中，增加了碳化物生长端部表面的自由能，从 而导致碳化物的生长受阻，端部变得圆钝。此外，锌也能提高碳原子的活度，结合热处理 时碳的扩散能力增强，使条状碳化物熔断并加速其尖角部分的溶解，孤立的碳化物变得圆 钝以致球化【1 1 。 ( 2 ) 铝、硅、s i 在铁液中均有提高碳元素活度的作用，促进碳化物的形核和断网， 铝有细化奥氏体枝晶的作用【2 1 ，硅促进碳化物的形成，文献【3 】发现，随硅量的增加，钢的 液相线温度、包晶反应温度均降低，当硅量超过3 时，奥氏体从铁素体的中析出与共晶 反应几乎同时发生。硅在c r l 2 钢中进入m 7 c 3 晶格，并使m 7 c 3 晶格常数降低。 本实验选用自制砧f e z n s i 变质剂进行复合变质处理，实验中采用不同成分配比， 1 4 山东大学硕士学位论文 以期达到最佳变质效果。 2 2 实验用钢的熔炼及试样的制备 2 2 1 熔炼 将废旧c r l 2 模具钢及其他原料在2 0 k g 中频感应炉中熔炼，在熔炼过程中，考虑到c 元素的烧损，向炉中加入少量电极石墨，补充碳量。用红外线测温仪测量钢水的温度，当 达到1 5 0 0 时，加铝出钢，钢水成分控制在( 坝) 1 1 - 1 3 c r ；1 7 - - 1 9 c ； 0 8 s i ： 0 8 m n 范围内。采用包内冲入法进行变质处理，变质剂加入量分别为( 叭) 0 1 ；0 3 ；0 5 ： 0 8 ：1 0 。 2 2 2 试样的制备 在砂型中铸出巾5 0 1 0 0 m m 和巾7 0 2 0 0 m m 的试样，经9 0 0 1 0 0 0 。c ，3 h 退火，淬火 及回火后，加工成1 0 1 0 x 5 5 m m 无缺口冲击试样和1 0 x 2 0 x 8 5 m m 的断裂韧性试样。 2 3 分析和测试方法 冲击实验在在j b 2 3 0 型冲击试验机上进行，试样的尺寸为1 0 1 0 x 5 5 m m ，测定试样 的qk 值。在电磁共振式高频疲劳实验机上测定试样的断裂韧性k l c 值，试样尺寸为1 0 2 0 x8 5 m m 。 将试样分别在9 5 0 c ，1 0 0 0 c ，1 0 5 0 。c ，1 0 8 0 。c ，1 1 0 0 c ，1 1 3 0 。c ，1 1 5 0 。c 淬火，2 5 0 ，3 5 0 ，4 5 0 ，5 5 0 ，5 5 0 c 回火，每次1 小时，用h r s 1 5 0 型硬度计测试试样的 回火硬度曲线。 2 4 微观组织的检测与成分分析 采用光学显微镜、k h 2 2 0 0 高倍视频显微镜，j s m 6 3 8 0 l a 扫描电镜对试样进行组织 观察和相分析。使用d s c 4 0 4 高温差式扫描量热仪对试样进行相变温度分析，采用 j x a 8 8 0 0 r 电子探针分析仪对试样的元素分布及微区成分等进行分析，运用x 射线衍射 仪对试样的相组成进行标定。试样中的氧及硫、磷元素含量由i r o i i 型红外定氧仪及 s p e t r m 7 型直读光谱仪测得。 为了便于观察试样中枝晶及碳化物形态，分别采用4 硝酸酒精及自制硫酸铜氯化铁 溶液对试样进行腐蚀。 1 5 山东大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章介绍了实验材料及变质剂的选择、熔炼方法、试样制备、组织分析与性能测试方 法等，为后续研究分析提供了保障。 参考文献 l 、吴晓俊，邢建东，符寒光，智小慧。高铬白口铸铁初生碳化物细化的研究进g g j 。铸造，2 0 0 6 ，5 5 ( 1 0 ) ：9 9 9 1 0 0 3 。 2 、h o y l eg ，h i g hs p e e ds t e e l s 【m 】，l o n d o n ：b u t t e rw o r t h s ，19 8 8 ：31 3 、潘复生。周守则，潘复生，硅对低合金钢二次硬化的影响【j 】。钢铁，1 9 9 0 ，2 5 ( 5 ) ：3 8 。 1 6 山东大学硕士学位论文 第三章复合变质处理对cr12 钢凝固组织的影响以及作用 机理 3 1 引言 c r l 2 钢中铸态共晶碳化物的种类、形貌和分布直接影响钢的热处理后共晶碳化物的 形貌和分布以及各种力学性能。而铸态下的各种性能又主要取决于钢的成分、凝固速度、 共晶体的生长方式以及奥氏体枝晶的形态、大小等。采用变质及合金化的方法可以改善 c r l 2 钢凝固过程中合金元素的偏析、奥氏体枝晶生长的过冷度、共晶碳化物形成的热力 学条件及生长方式等，从而改善共晶碳化物的种类、形貌和分布。本章主要研究c r l 2 钢 中共晶碳化物的种类、形貌、分布和生长方式，以及复合变质处理对c r l 2 钢凝固组织的 影响规律。 3 2c r l2 钢中的铸态共晶碳化物 c r l 2 中的铸态共晶碳化物是在凝固末期，由于c 及c r 等元素的偏析，当奥氏体枝晶 间和晶界的钢液熔池中达到共晶成分时，在钢液中发生共晶反应而形成的。如图3 1 所示， 在铸造c r l 2 的凝固组织中，大量共晶碳化物呈网状分布在晶界上。x 射线衍射和透射电 镜实验表明，c r l 2 的铸态共晶碳化物的类型主要为m 7 c 3 ，另外还有少量的m 2 3 c 6 型碳化 物。 m 7 c 3 型碳化物是一次碳化物( 由奥氏体析出) ，也可能是共晶型碳化物( 在凝固时 形成) 。含有m 7 c 3 的共晶体是由片状碳化物( 通过枝晶的截面) 和交叉