铈对模具钢晶粒度的影响

I铈对D6冷作模具钢晶粒度影响摘要本文研究了稀土Ce对D6钢的晶粒度和本质晶粒度（奥氏体晶粒长大倾向）的影响。取Ce质量分数分别为0.038%和0.073%的两种钢坯实验。D6钢为莱氏体钢，根据GBT6394-2002采用渗碳体网法测定了其本质晶粒度。用光学显微镜得到了金相图片。通过观察比较不同Ce含量晶粒度和本质晶粒度的大小，分析了Ce对D6冷作模具钢晶粒度的影响。关键词:冷作模具钢晶粒度本质晶粒度稀土Ce碳化物EffectofCeongrainsizeofD6cold-workingdiesteelAbstractThispaperstudiedtheeffectofCeongrainsizeandinherentgrainsize(thetendencyofausteniticgraingrowth)ofD6cold-workingdiesteel.TwokindsofsteelbilletwereusedinthisexperimentwithCemassfraction0.038%and0.073%respec--tively.BecauseD6belongstoledeburitesteel,thisexperimentwasconductedbasedonGB/T6394-2002(cementitenetsmethod),andinherentgrainsizewasobtained.Metallographicphotosweretakenbyopticalmicroscope.ThegrainsizeandinherentgrainsizeofD6withdifferentcontentsofRECewereobserved,andanalyzedtheeffectofCeonthesamples.Keyworks：diesteelgrainsizeinherentgrainsizeCecarbide1.1模具钢简介模具钢是用来制造冷冲模、热锻模压铸模等模具的钢种。模具是机械制造、无线电仪表、电机电器等工业部门中制造零件的主要加工工具。模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本、而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材料和热处理的影响。2.1晶粒度对钢的影响一般来说，钢的原始组织越细，碳化物弥散度越大，则奥氏体晶粒越细小。晶粒大小对金属的力学性能有很大的影响，在常温下金属的晶粒度越细小，强度和硬度则越高，同时塑性和韧性也越好。表2.1列出了晶粒大小对纯铁力学性能的影响。由表可见细化晶粒对提高金属材料的常温力学性能作用很大，这种用细化晶粒来提高材料强度的方法叫做细晶强化。但是，对于高温下工作的金属材料，晶粒过于细小性能反而不好，一般希望得到适中的晶粒度。对于制造电机和变压器硅钢片来说，晶粒反而越粗大越好。因为晶粒越大，则其磁滞损耗越小，效应越高。表2.1晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶粒平均直径/mm抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率（%）9.71654028.87.01803830.62.52114439.50.202635748.80.162646550.70.1027811650.9在高强度的钢种中，细化晶粒可以提高其韧性；有助于防止脆性断裂发生，可减低脆性转化温度，提高材料的适用范围。在低强度钢中（如低碳结构钢），利用细化晶粒来提高屈服强度有明显效果，尤其是超细晶组织对提高强度和韧性作用更突出。在超塑性变形时，细化晶粒可以得到理想的超塑性变形。因为超塑性变形的控制机理为晶间滑动机理，等轴细小晶粒更有利于晶间滑动变形。晶粒越细，屈服强度越高。因为晶粒越细，在一定体积内的晶粒数目越多，则在同样的变形量下、变形分散在更多的晶粒内进行，同时每个晶粒内的变形也比较均匀，而不至于产生过分集中的现象、晶粒越细，晶界曲折越多，更不利于裂纹的传播，使其断裂前可以承受较大的塑性变形，既表现出较高的塑性和韧性，因此生产上通常总是设法使金属获得细晶粒的组织。3.1Ce对钢性能的影响稀土Ce原子半径较大，也决定了它们在钢中的固溶微量性和合金化效果的特殊性。一般来说有以下几个作用3.1.1净化作用稀土在钢中主要是用来控制硫化物，且能脱氧、脱硫。根据热力学数据图3.1可知，稀土在钢液中与氧硫有很强的亲和力，其生成产物一般次序为：氧化物，氧硫化物和RExSy、RES,而后是稀土砷、铅、锑化合物、氮化物，最后是稀土碳化物[1]。图3.1稀土化合物的标准生成自由能与温度的关系图3.1.2微合金化作用①细化奥氏体晶粒、细化碳化物。RE元素溶入奥氏体，使钢的相变温度升高，C—曲线右移，促使奥氏体稳定，提高奥氏体晶粒粗化温度。②固溶度及固溶强化稀土元素在铁液中与铁原子是互溶的，但其在铁基固溶体中的分配系数极小，因为稀土原子半径比铁原子大，是表面活性物质，因而在铁液凝固过程中，被固/液界面推移最后富集于枝晶间或晶界，对固溶体能提供强化作用[2]。③影响杂质元素的溶解度和减少脱溶量稀土降低碳、氮的活度，增加碳、氮的溶解度，降低其脱溶量，使它们不能脱溶进入内应力区或晶体缺陷中去，减小了钉扎位错的间隙原子数目，因而提高了钢的塑性和韧性。另外，稀土影响碳化物的形态、大小、分布、数量和结构，提高了钢的机械等性能。4.1试验为了验证Ce对D6钢晶粒度的影响，在试样中加入不等的铈，试样成分表如下试样编号CCrWSiMnSPCe12.0311.350.660.310.350.0100.0210.03822.0311.350.660.310.350.0100.0210.073表4.1试样成分（质量分数，%）同时按照以下步骤进行进行观测金相组织：⑴取样。从试样1#和2#上分别切取10×10mm大小的试样；⑵热处理。将切取的试样放入加热炉中并记好所放位置，防止热处理后试样上的记号消失，使试样混淆。然后加热至820℃,然后保温1小时，再随炉冷至600℃，最后空冷至室温。5.1Ce对晶粒度的影响由实验观察得出的金相组织如下：a)1号晶粒度b)2号晶粒度图5.1晶粒度比较（×50）a)1号晶粒度b)2号晶粒度图5.2晶粒大小比较（×100）由图可以看出，试样2的晶粒度比试样1的晶粒度明显细小均匀。也就是说Ce的加入量对D6钢的晶粒度有明显的影响，在适当的范围内，且随着稀土Ce的逐渐添加，试样的晶粒越细小，成分分布也越均匀。一般的微合金元素对晶粒长大的抑制作用有两种机制[3]。一是形成细小弥散的难溶的析出物，分布在晶界上，降低了晶界的迁移速度，如添加Ti，Nb形成碳氮化物；另一种是大原子半径的元素固溶，在晶界偏聚，起到对晶界的拖拽作用。铈碳化物生成自由能高于铬的碳化物[4]，D6钢中Cr含量高，所以在体系中不能形成铈碳化物；在本实验中，氮的含量很低，达不到析出铈氮化物的浓度[5]。所以，本实验中添加的铈不能形成对晶界其钉扎作用的析出物，铈对晶粒细化的影响是铈原子对晶界拖拽作用的结果。铈原子对晶界能起到拖拽作用,抑制再结晶的进行,提高再结晶温度,所以在同样的热处理制度下,铈处理钢能得到更细小的晶粒[6]。随着铈含量的增加，铈固溶量也增加，在晶界的浓度也随着增大，对晶界的拖拽作用也得到加强，也就阻碍了晶粒的长大。6.1结论（1）稀土Ce可以细化D6钢放入晶粒，且在一定范围内随着稀土量的增加，钢的晶粒越细小分布越均匀。（2）D6钢中稀土的加入，稀土Ce以固溶的形式存在钢中，阻碍了晶粒的长大，同时也促进了碳化物的扩散。参考文献：[1]褚幼义主编.钢中稀土夹杂物鉴定[M].北京：冶金工业出版社,1985.[2]LinQin,YeWen,DuYuansheng，etal.BehaviorofRareEarthsinSolidSolutioninSteel[J].JournalofMaterialsScience&Technology,1990,6(6):415～420.[3]牧正志.细化钢铁材料晶粒的原理与方法[J].热处理,2006,21(1):1.[4]DavidRSigler.TheoxidationbehaviorofFe20Cralloyfoilsinasyntheticexhaustgasatmosphere[J].OxidationofMetals,1996,46:335.[5]杜挺,韩其勇,王常珍.稀土碱土等元素的物理化学及在材料中的应用[M].北京:科学出版社,1995.[6]林勤,姚庭杰,刘爱生,叶文,陈宁,余宗森,卢先利.稀土在石油套管中的应用研究[J].中国稀土学报,1996,14(2):160.[7]李亚波，王福明，李长荣.铈对低铬铁素体不锈钢晶粒和碳化物的影响[J].中国稀土学报,2009,27(1):123～127.