稀土钇对含铌D2钢中碳化物的影响

【作者】 曹阔； 赵爱民； 汪志刚； 王迪； 肖俊；

【机构】 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心； 江西理工大学材料冶金化学学部；

【摘要】 D2冷作模具钢属于典型的高碳高合金莱氏体模具钢,因具有高硬度和高耐磨性而被广泛用于汽车、家电等行业的冷加工模具。随着超高强(抗拉强度>800MPa)大尺寸零件对复合模具性能要求越来越高,传统D2钢已难以满足高耐磨、高韧和高服役寿命的性能需求。高铬(Cr)高碳(C)条件下的D2钢仍面临着富Cr共晶碳化物颗粒尺寸大、形状多棱角、沿晶网状分布以及基体马氏体板条宽、残余奥氏体含量高等组织问题,使其在服役过程中由于冲击韧性与耐磨性匹配不够,组织稳定性不够,和疲劳寿命偏低等导致模具磨损、崩刃和断裂。而碳化物的形态、数量、尺寸及分布对钢的性能和模具的使用寿命有着决定性的影响,改善钢中碳化物的形态和分布、控制最终基体组织是提高D2钢质量的一个重要途径。为开发国产新型高性能冷作模具钢,提高D2钢质量及性能。本文利用稀土钇优化含铌D2钢凝固组织,调控共晶碳化物的形态和分布,实现碳化物的细化、球化和均匀化。系统研究了碳化物析出回溶与铌、稀土的微合金化作用。主要研究结果有:(1)铌的加入形成NbC碳化物,可以作为M7C3共晶碳化物的异质形核位置,从而细化M7C3共晶碳化物。NbC的析出降低了液相中的碳含量,使初生M7C3碳化物的体积分数和尺寸减小。由于NbC颗粒比M7C3碳化物更硬,可以有效地保护基体组织。(2)随着铌含量的增加,钢的固相线温度逐渐升高,而液相线略有降低,NbC的析出温度逐渐升高,大块状NbC增多。(3) NbC的大尺寸和偏析特性削弱了NbC的非均质核心效应。而稀土钇的添加,可以形成Y2O2S复合夹杂物,可以作为异质核细化NbC,进而调控共晶碳化物形态。加钇后铸态D2钢硬度进一步提高,无钇钢硬度为37HRC,含钇钢硬度为40HRC。(4)稀土钇会改变钢中Nb的溶解度积,降低活度和増加溶解度,增大NbC在奥氏体中的固溶度积。(4)热变形过程中,稀土钇可以抑制奥氏体中NbC应变诱导析出,但会增加在铁素体中沉淀析出量,提高铌的沉淀析出强化能力。(5)热变形后,含钇钢比无钇钢基体中二次碳化物减少,但晶界处析出碳化物增多,主要为M7C3型碳化物。更多还原