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1、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IEffect of Ce on grain size of D6 cold-working die steel Abstract This paper studied t
2、he effect of Ce on grain size and inherent grain size (the tendency of austenitic grain growth) of D6 cold-working die steel. Two kinds of steel billet were used in this experiment with Ce mass fraction 0.038% and 0.073 % respec- -tively. Because D6 belongs to ledeburite steel, this experiment was c
3、onducted based on GB/T6394-2002 (cementite nets method), and inherent grain size was obtained. Metallographic photos were taken by optical microscope. The grain size and inherent grain size of D6 with different contents of RE Ce were observed, and analyzed the effect of Ce on the samples.Key works：
4、die steel grain size inherent grain size Ce carbide1.1 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
5、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
6、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
7、总是设法使金属获得细晶粒的组织。3.1 Ce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。固溶度及固溶
8、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。 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CCrWSiMnSP Ce12.0311.3
9、50.660.310.350.0100.0210.03822.0311.350.660.310.350.0100.0210.073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： 取样。从试样1#和2#上分别切取1010mm大小的试样； 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。5.1 Ce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（10
10、0）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
11、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 Lin Qin , Ye We
12、n ,Du Yuansheng，etal . Behavior of Rare Earths in Solid Solution in Steel J. Journal of Materials Science & Technology,1990,6(6): 415420.3 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 David R Sigler. The oxidation behavior of Fe20Cr alloy foils in a synthetic exhaust gas atmosphere J . Oxidation of Metals,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):123127.
