稀土元素在工模具鋼生產中的應用

王勇勝，孫盛宇，劉景欣

1.東北特殊鋼集團股份有限公司技術中心（遼寧大連 116105）

2.東特股份總工辦（遼寧大連 116105）

1 引言

稀土元素是指在元素周期表中位于原子序數57～71 的15 種鑭系元素及21鈧、39釔共計17 種元素的統(tǒng)稱，因18世紀發(fā)現(xiàn)的稀土礦物較少，只能用化學法制得少量不溶于水的氧化物而得名。

我國是世界上稀土資源較豐富的國家，已探明的稀土工業(yè)儲量為4,300 萬噸，約占世界已知儲量的80%，居世界首位。雖然自然界已發(fā)現(xiàn)的稀土礦物和含稀土元素的礦物有250多種，但適合使用的工業(yè)礦物僅有10余種。高純稀土一般通過濕法冶金的方法進行制備，稀土合金一般用火法冶金的方法進行制備，其特點是工藝過程簡單、生產率較高。

自從稀土在工業(yè)生產中的優(yōu)勢被證實以來，越來越多的工業(yè)領域通過加入稀土元素改善了產品的使用性能。例如在鋁工業(yè)生產中加入稀土，高壓輸電線路的強度和使用壽命得以延長，導電率也得以提高；在石油工業(yè)中，通過稀土分子進行石油裂化催化，可以增加汽油和柴油的產率；在汽車工業(yè)中，通過使用含稀土的尾氣凈化催化劑，可以有效減少汽車尾氣污染物排放等等。

據統(tǒng)計，我國目前的稀土年消費量超過2 萬噸，特別在新材料產業(yè)方面的消費量達到6,300 余噸，不但是世界最大的稀土資源國，也是最大的生產國、消費國。因此，稀土在我國的國民經濟建設中具有十分重要的地位。

2 特殊鋼稀土合金化的機理研究

稀土在鋼中的應用開始于20 世紀50 年代，工程師發(fā)現(xiàn)加入稀土后，不銹鋼的熱加工性能以及機械性能得到改善。從此后，稀土在特殊鋼中的作用不斷被發(fā)現(xiàn)，特殊鋼的稀土合金化及使用也逐漸得以推廣和擴大。

稀土元素和鐵元素的原子半徑相差約40%（鑭原子的金屬共價半徑為R0.1877nm，鐵原子的金屬共價半徑為R0.1210nm）。在精煉過程中，將微量稀土合金加入鋼中，其溶解在晶內造成的畸變能遠大于偏聚在晶界處引起的畸變能，因此稀土主要通過空位擴散機制，偏聚于奧氏體晶粒的界面處[1]，降低了晶界能，減小了晶粒長大的驅動力，阻礙了奧氏體晶粒的長大，從而細化奧氏體晶粒，提高綜合力學性能。

3 模具鋼的稀土合金化

模具被譽為工業(yè)之母，據統(tǒng)計，工業(yè)產品的80%需要模具成形（型）[2]。冷作模具鋼曾經是國內模具鋼行業(yè)產量最大品種，后來塑料行業(yè)的發(fā)展勢頭超過冷作模具鋼，使其成為產量第二的品種，再次為熱作模具鋼。

3.1 冷作模具鋼的稀土合金化研究

冷作模具鋼主要用于沖裁模、沖壓模、冷擠壓模、拉伸模等，主要使用的鋼種有Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、CrWMn 等。由于合金含量高，因此冷作模具鋼通常碳化物偏析嚴重，塑性較差，在鍛軋加工時易發(fā)生角部開裂等問題。模具服役時，在承受較大的沖擊載荷情況下，易發(fā)生模具的磨損、斷裂等失效形式。為改善鋼材的韌性，研究人員在冷作模具鋼中加入稀土進行改質。

Cr12MoV 模具扁鋼的生產工藝為：EAF＋LF＋VD+模鑄→開坯→扁鋼軋制→退火。為解決開坯過程中的邊部開裂問題，在VD 真空處理后加入0.5～0.7kg/t的鑭鈰稀土。通過對850℃、950℃下鋼材的高溫力學性能進行分析，加稀土的Cr12MoV 鋼850℃下抗拉強度比不加稀土的提高9.3%，屈服強度提高11.3%，斷后伸長率提高22.3%，面縮提高1.3%；在950℃下強度相同，但加稀土的斷后伸長率高提32%，面縮提高1.3%，如表1所示。

表1 Cr12MoV鋼高溫力學性能

另外，孫慎宏等人通過對模鑄Cr12Mo1V1進行真空后加入稀土操作[3]，其鑄態(tài)晶粒尺寸由70～100μm細化到50μm左右，鑄態(tài)結晶組織變化明顯。

諶南平等人通過對中頻感應爐熔煉的Cr12Mo1V1 添加稀土硅鐵[4]，其脫碳層顯微硬度趨勢變得緩慢，證實稀土具有降低脫碳敏感性的作用等。

3.2 熱作模具鋼的稀土合金化研究

熱作模具鋼要求具有良好的導熱性、紅硬性、韌性及抗熱疲勞性能，主要使用的鋼種有5CrNiMo、3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1（H13）、Dievar等。由于熱作模具通常使用在高溫環(huán)境下，服役條件惡劣，模具表面受到高溫高壓的交互作用，易出現(xiàn)表面龜裂和熱疲勞裂紋等缺陷。為提高鋼材的韌性和抗熱疲勞性能，研究人員通過對熱作模具鋼進行稀土微合金化，改善了鋼材的綜合性能。

電渣H13鋼的冶煉工藝為EAF+LF+RH+連鑄+電渣重熔。為進一步改善模具鋼的抗熱疲勞特性，在RH真空處理后向鋼液加入稀土鑭鈰合金進行微合金化（見圖1）。經過熱處理后，7×10mm無缺口試樣沖擊吸收功最大可達425J，平均值320J。用于鋁擠壓模具后，顯著降低了模具局部壓塌、裂紋缺陷的發(fā)生幾率，提高了模具壽命。

圖1 稀土合金化后H13鋼的組織形貌

另外，陳列等人通過對電爐冶煉的3Cr2W8V熱作模具鋼中加入0.048%的稀土合金[5]，改善了共晶碳化物的堆積現(xiàn)象，減輕了五害元素在晶界上的偏聚現(xiàn)象（見表2）。

表2 3Cr2W8V 鋼中晶內和晶界處殘余元素含量 %

4 稀土對工模具鋼冶金質量的影響研究

由于稀土元素具有強烈易氧化的性質，加入鋼中后，優(yōu)先與鋼中的氧、硫等元素發(fā)生反應，生成稀土夾雜物。稀土夾雜物以高熔點氧、硫化物為核心獨立形核長大，以較高的活性相結合，最后聚集長大成體積較大的夾雜物。稀土夾雜物若沒有上浮去除，將會在鋼中殘留大尺寸的稀土夾雜物。

4.1 碳素工具鋼斷裂分析

T9A是典型的碳素工具鋼，也可作為碳素彈簧鋼使用，是具有較大市場用量的產品[6]，該鋼種雖化學成分簡單，但經微量稀土元素處理后，其強度和韌性指標可以達到很高級別，除用于制造柴油發(fā)動機彈簧、冰箱壓縮機彈簧外，還用作常規(guī)武器的擊針簧、復進簧和擊錘簧等。

某廠使用經微量稀土處理的T9A 鋼絲（φ0.5～φ3.0mm）進行冷纏簧，該鋼絲的生產工藝為：EAF+LF+VD+模鑄→開坯→高速軋制線材→鉛浴淬火→冷拉。在制簧過程中，鋼絲發(fā)生斷裂。通過進行掃描電鏡及能譜進行分析后發(fā)現(xiàn)[7]，鋼中的稀土夾雜物經軋制、拉拔，在其周圍形成微裂紋（見圖2）。在制簧過程中，大角度的彎曲變形使裂紋迅速擴展，形成較大深度的縱向裂紋，并且在表面龜裂處撕裂，最終導致彈簧的脆斷。

4.2 冷作模具鋼非金屬夾雜物分析

Cr12MoV圓鋼用于制作滾絲?；蛲鼓＃渲圃旃に嚍椋篍AF+LF+VD+模鑄→開坯+退火→棒材軋制+退火。為改善棒材的綜合性能，對其進行稀土改質。通過對經稀土合金化后的Cr12MoV 進行冶金質量分析，發(fā)現(xiàn)鋼中存在的氧化物夾雜主要以稀土氧化物為主。對生產過程進一步調查發(fā)現(xiàn)，夾雜產生的原因主要是加入稀土合金后鋼包吹氬流量過大，稀土元素被氧化后形成的夾雜物沒有及時上浮所導致，如圖3所示。

5 結論

（1）稀土元素對于特殊鋼的有利作用已經得到證實，正確的加入稀土合金有助于改善冷作模具鋼、熱作模具鋼的性能，提高模具使用壽命。

（2）為了降低有害夾雜的形成，要求在加入稀土之前，鋼液要脫氧良好，將鋼中的硫含量降低到適宜的水平，以提高稀土的收得率，降低稀土氧化物夾雜含量。

圖2 T9A碳素鋼絲脆斷形貌及掃描電鏡分析

圖3 Cr12MoV棒材非金屬夾雜物及掃描電鏡分析

（3）為避免出現(xiàn)稀土添加后的水口結瘤問題，要在適宜的時機進行稀土合金化操作，例如在真空處理后添加稀土合金，同時應避免鋼包大氬氣攪拌。