微量稀土Ce對(duì)壓鑄模用鋼組織及性能影響

周 菲, 吳日銘, 周光群, 陳雨飛, 項(xiàng)少松

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院, 上海 201620; 2.湖北日盛科技有限公司, 大冶 435100)

8418熱作模具鋼具有高強(qiáng)韌性、高耐磨性、良好抗熱疲勞性等諸多性能優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于沖擊載荷大的壓鑄模、熱擠壓模具等[1].隨著制造業(yè)發(fā)展,熱作模具鋼使用條件更為苛刻,對(duì)模具鋼性能提出更高要求.為提高8418模具鋼服役壽命及擴(kuò)大其適用領(lǐng)域,業(yè)內(nèi)進(jìn)行不同嘗試,如熱處理[2-3]、表面處理(激光處理,氧化處理等)[4-6]及添加微量合金元素等[7-8].

稀土元素有工業(yè)“維生素”之稱[9].關(guān)于稀土元素對(duì)材料組織和性能的影響已有不少學(xué)者作出研究:在真空感應(yīng)冶煉時(shí)加入一定稀土元素可以使鋼液脫氧脫硫率達(dá)40%以上,同時(shí)稀土元素會(huì)與低熔點(diǎn)雜質(zhì)(如P、Cu等)產(chǎn)生交互作用,從而起到凈化作用[10];在合金中添加少量稀土元素后,合金熱力學(xué)行為、晶粒尺寸、夾雜物形態(tài)大小種類都發(fā)生改變,力學(xué)性能得到提高[11-14].

為提高8418鋼綜合性能,可在8418鋼中加入一定量稀土元素.本文制備含有微量稀土元素鈰(Ce)的Ce-8418鋼,并與8418鋼進(jìn)行對(duì)比,研究相同制備工藝下,Ce對(duì)壓鑄模用鋼8418鋼組織和綜合性能的影響,并深入研究其微觀機(jī)理.

1 試 驗(yàn)

采用真空感應(yīng)熔煉爐制備20 kg/支試驗(yàn)鋼錠,退火后去除表面氧化皮和頭尾縮孔部分;采用天然氣加熱爐將其加熱至(1 240±5)℃并保溫2 h,三向鍛打成厚×寬為24 mm×55 mm的一定長(zhǎng)度鋼條;從各鋼條上切取8塊尺寸為24 mm×30 mm×55 mm的鋼塊,對(duì)其進(jìn)行真空淬火及加保護(hù)氣氛回火處理.淬火工藝采取分級(jí)淬火方式,工藝為650 ℃×40 min+850 ℃×40 min+1 030 ℃×40 min,油冷;然后采用二次回火方式,工藝為560 ℃×10 h+600 ℃×10 h.試驗(yàn)鋼成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),全文同)見表1.

表1 試樣鋼成分Table 1 Composition of steels %

從鋼塊試樣上截取10 mm×10 mm×10 mm的試樣,對(duì)其截面進(jìn)行人工研磨和機(jī)器拋光后,使用含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),全文同)4%硝酸酒精溶液腐蝕試樣,用TESCAN-VEGA3型掃描電子顯微鏡(SEM)及配套X射線能譜儀(EDS)觀察并分析試樣顯微組織、元素分布及試樣晶粒尺寸.

按照標(biāo)準(zhǔn)NADCA 207—2016從每組鋼材上各制取5個(gè)尺寸為7 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣,在室溫下利用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試,取平均值作為沖擊功.

在保護(hù)氣氛回火爐中,通過測(cè)試600 ℃下不同回火時(shí)間的硬度變化來表征合金鋼回火穩(wěn)定性,回火時(shí)間設(shè)定為10、20、30和40 h,采用洛氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)量硬度(HCR),每5個(gè)點(diǎn)取一個(gè)平均值.

采用美國阿美特克公司生產(chǎn)的普林斯頓電化學(xué)工作站(PARSTAT 4000)進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試,電化學(xué)測(cè)試采用三電極體系,8418鋼和Ce-8418鋼試樣為工作電極,鉑片為輔助電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,試驗(yàn)所測(cè)電極電位均相對(duì)SCE而言.極化曲線電位掃描范圍為-1.6～1.6 V(vs開路電路),掃描速度為1 mV/s,連接示意圖如圖1所示,腐蝕溶液為含量3.5%NaCl溶液.

圖1 電化學(xué)工作站連接示意圖Fig.1 Connection diagram of electrochemical work station

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 SEM及EDS分析

8418鋼和Ce-8418鋼SEM及EDS圖如圖2所示.由圖可以看出,8418鋼和Ce-8418鋼組織均為回火板條馬氏體+析出碳化物[15-16],8418鋼組織中馬氏體束和塊并不清晰,局部存在由平行板條組成的微細(xì)區(qū),原奧氏體晶界模糊不清[17].相對(duì)而言Ce-8418鋼馬氏體束和塊區(qū)明顯,原奧氏體晶界清晰.圖中虛線標(biāo)出區(qū)域?yàn)槲龀鎏蓟镱w粒,如圖可見,8418鋼析出碳化物顆粒呈球狀,在500 nm左右,分布不均勻;Ce-8418鋼析出碳化物呈球狀,尺寸在250 nm左右且均勻分布在晶界附近.由EDS圖可知,稀土Ce主要分布在晶界附近且析出碳化物中含有稀土Ce.

圖2 試樣組織SEM及EDS分析Fig.2 SEM and EDS analysis of sample structure

2.2 力學(xué)性質(zhì)和熱穩(wěn)定性

試樣鋼力學(xué)性能如圖3所示.在常溫下,8418鋼沖擊功為248 J;Ce-8418鋼沖擊功為292 J,提高17%.600 ℃回火10、20、30和40 h,Ce-8418鋼硬度始終高于8418鋼,且硬度始終保持在40以上.而8418鋼在長(zhǎng)時(shí)間回火過程中,硬度下降幅度始終大于Ce-8418鋼,且在40 h回火后硬度下降至38.3.

圖3 8418鋼和Ce-8418鋼力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of 8418 and Ce-8418 steels

2.3 極化曲線分析

8418鋼和Ce-8418鋼電化學(xué)性能及腐蝕形貌如圖4所示.如圖所示,8418鋼和Ce-8418鋼都表現(xiàn)出明顯鈍化現(xiàn)象,即在試樣表面出現(xiàn)一層鈍化膜,一定程度上抑制試樣腐蝕.如圖4(a)和圖4(b)所示,8418鋼腐蝕類型為晶界腐蝕和均勻腐蝕,而Ce-8418鋼腐蝕類型為均勻腐蝕.Ip為試樣鈍化電流密度,Ip越低意味著試樣較容易形成鈍化膜或腐蝕較為緩慢[18].如圖4(c)所示,Ip2(8418鋼)

圖4 8418鋼和Ce-8418鋼電化學(xué)性能及腐蝕形貌Fig.4 Electrochemical properties and corrosion morphology of 8418 and Ce-8418 steels

3 結(jié)果分析與討論

當(dāng)添加少量Ce元素后,8418鋼析出含Ce碳化物顆粒,且析出碳化物尺寸明顯細(xì)化,多數(shù)均勻分布在晶界附近.這是由于Ce原子半徑(1.824?,1 ?=0.1 nm)較大(Mo原子半徑為1.482 ?,Cr原子半徑為1.35 ?),當(dāng)Ce元素固溶于馬氏體晶格時(shí),容易產(chǎn)生較大畸變,從而促進(jìn)析出物分布在晶界附近,一方面降低畸變能,另一方面減少有害元素在晶界的偏聚[19-20].

添加Ce元素使得8418鋼沖擊功和洛氏硬度分別提高17%和26%,這主要得益于兩方面原因:一方面,Ce具有很強(qiáng)化學(xué)活性,在冶煉過程中,能與O、S等元素形成化合物從而提高鋼液潔凈度[21];另一方面,Ce稀土與鋼中合金元素發(fā)生交互作用,使得鋼凝固組織和析出物形態(tài)、大小、分布發(fā)生變化,從而使力學(xué)性能得到改善.

在電化學(xué)性能上,微量Ce元素添加,不僅可以提高Ce-8418鋼自腐蝕電位,還可以降低鈍化電流密度,整體上增強(qiáng)合金鋼耐電化學(xué)腐蝕性能.這主要是因?yàn)镃e元素促進(jìn)Ce-8418鋼表面生成致密氧化層,阻礙離子在鋼基體中運(yùn)動(dòng),從而減緩電化學(xué)反應(yīng),提高鋼耐腐蝕性[22-23].

4 結(jié) 論

1) 在壓鑄模具用鋼中加入微量Ce可使碳化物顆粒尺寸細(xì)化近50%,析出含Ce碳化物顆粒,同時(shí)可抑制析出顆粒團(tuán)聚的現(xiàn)象.

2) Ce元素明顯提升壓鑄模具用鋼沖擊功、硬度及熱穩(wěn)定性,延長(zhǎng)壓鑄模具使用壽命.

3) Ce元素性質(zhì)活潑,在腐蝕條件下會(huì)促進(jìn)鋼材表面形成致密保護(hù)膜,提高自腐蝕電位和點(diǎn)蝕電位,改善耐腐蝕性能.