添加微量鈰對高碳馬氏體不銹鋼組織的影響

＊衛曉輝 韓嘯 喬西亞 莊振

（遼寧科技大學材料與冶金學院 遼寧 114051）

8Cr13MoV鋼是一種高碳馬氏體不銹鋼，其主要特點是強度高，耐磨性好，主要用于生產高檔刀剪、閥門、結構件等。由于其碳和鉻含量較高，在凝固過程中容易造成合金元素的偏析，形成大尺寸的鉻碳化物[1-2]，這些碳化物在隨后的加工過程中很難被去除，進一步導致最終產品質量和綜合力學性能的降低，進而影響鋼的使用壽命。為解決這個問題，通過調整電渣重熔的工藝參數、優化熱處理制度以及采用新的軋制工藝來控制8Cr13MoV鋼中的碳化物析出[3]。這些措施對控制大尺寸碳化物的析出有明顯效果，但在一定程度上增加了生產成本。

近年來，針對添加稀土元素以控制碳化物的析出、細化鋼鑄態組織和改善鋼的機械性能等已經有了一些進展[4-11]。Lan等人[5]通過研究發現稀土的加入抑制了枝晶邊界碳化物的析出，改善了AISI H13鋼的枝晶組織，鋼的沖擊韌性也得到了改善。Hamidzadeh等人[6]和Hufenbach等人[7]的研究表明，添加稀土元素后，鋼的鑄態組織得到了細化，碳化物的尺寸和面積比例減小，鋼的機械性能得到改善。Liu等人[8]發現加入適量的稀土元素后，細化了4Cr5MoSiV1模具鋼的共晶結構和共晶碳化物，提高了抗拉強度。盡管以往研究中對8Cr13MoV鋼等在組織細化、碳化物控制上有一些研究工作，但針對稀土元素鈰對8Cr13MoV鋼中碳化物控制的影響研究卻很少報道。本文設計制備了8Cr13MoV鋼，研究了添加微量稀土鈰對8Cr13MoV鋼鑄態組織的影響及碳化物析出尺寸、形狀等的變化，并結合晶格錯配度理論對組織細化進行了分析。

1.實驗材料與方法

實驗用8Cr13MoV鋼制備如下：采用工業純鐵和純合金原料，利用25kg真空感應爐在氬氣保護氣氛下完成熔煉。冶煉步驟如下：加料→抽真空→充氬氣→冶煉開始→保溫30min→完全熔化后加入稀土元素鈰→攪拌→澆注→空冷。采用光電直讀光譜儀（斯派克M10）測定鋼樣成分，見表1所示。

表1 8Cr13MoV鋼的化學成分（%）

在金屬棒的中心位置截取10mm×10mm×10mm的金相試樣，經機械研磨和拋光后，通過XRD物相分析（XRD，Dx-2000 X射線衍射儀，Palmer，Naco，荷蘭）確定相組成。采用FeCl3鹽酸乙醇溶液對鋼樣表面進行侵蝕，用光學顯微鏡（OM）觀察組織形貌，每個樣品隨機選擇20個不同區域，結合圖像分析軟件IPP（Image Pro Plus）對碳化物尺寸和面積等特征參數進行統計計算。使用掃描電子顯微鏡（SEM，德國ZeissRIGMA HD）來觀察和分析鑄態顯微組織。

通過陽極電解方式萃取鋼中的碳化物。用SEM觀察碳化物的三維形態。碳化物的類型由DX2000 X射線衍射確定。電解樣品被加工成φ10mm×60mm的圓棒，電解液為1%的四甲基氯化銨，5%的三乙醇胺，5%的甘油和89%的甲醇，電解時間為6h。

2.結果與分析

(1)添加鈰對鋼鑄態組織的影響分析

試樣處理后進行X射線衍射分析發現1號鋼樣的衍射圖譜顯示組織存在奧氏體和馬氏體，2號鋼樣的衍射圖譜中也得到了同樣的結果，說明加入稀土鈰后，鋼中沒有形成新的相。

圖1（a）～（d）為不添加和添加鈰的8Cr13MoV鋼鑄態組織。結合XRD結果和金相顯微鏡下不同結構的形態分析，從圖1（b）可以看出，鋼樣由馬氏體、殘余奧氏體和晶間碳化物組成。1號鋼樣的枝晶較粗，碳化物在枝晶邊界析出，呈網絡狀分布，并相互緊密連接。如圖1（d）所示，添加稀土鈰后，相比于1號鋼樣，2號鋼樣的枝晶得到了細化。利用IPP軟件測量二次枝晶間距，1號鋼的平均二次枝晶間距為81.63μm，2號鋼的平均二次枝晶間距為66.41μm，這表明添加鈰后，細化了8Cr13MoV鋼的枝晶組織，其細化機制將在以下部分討論。

圖1 （a）1號鋼鑄態組織；（b）1號鋼鑄態組織局部放大；（c）2號鋼鑄態組織；（d）2號鋼鑄態組織局部放大

通過FactSage熱力學軟件的Equilib模塊，分別計算稀土元素鈰在鋼凝固過程中夾雜物析出類型變化情況，結果如圖2所示。在1號鋼樣中，Al2O3、SiO2和MnSiO3是主要夾雜物，MnS夾雜物在980℃開始析出。在2號鋼樣中，夾雜物Ce2O3和AlCeO3在1600℃時析出。在1510℃時，鋼中的AlCeO3逐漸轉變為Ce2O3，在1420℃時完成轉變。同時，部分AlCeO3在熔融鋼的凝固過程中轉變為Al2O3。2號鋼中AlCeO3的最終含量減少，最后在960℃時，MnS夾雜物開始析出。從計算結果可以看出，加入稀土元素鈰對鋼中夾雜物起到了改性作用。

夾雜物是否能作為奧氏體成核核心，在很大程度上取決于它們之間的晶格錯配度[12]。根據Bramfitt[13]的理論，晶格錯配度通常被用來理論評估不同的包裹體作為原生奧氏體的異質成核核心的有效性。Bramfitt在一維錯配度的基礎上提出二維錯配度，能夠較好地反映晶格結構不同的情況下基底和晶核的點陣匹配。在本研究中，它們之間的晶格錯配度是通過二維晶格錯配度數學模型計算的。式（1）為立方晶系任意兩晶向指數[u1v1w1]和[u2v2w2]間的夾角計算公式，δ值為二維晶格錯配度，%。

式中：(hkl)s和(hkl)n分別為基體和成核相的低指數面；[uvw]s和[uvw]n分別為基體和成核相的低指數方向；d[uvw]s和d[uvw]n分別是沿[uvw]s和[uvw]n的原子間距，nm；θ是[uvw]s和[uvw]n之間的角度，°。

通過式（1）計算得出γ-Fe和Ce2O3、γ-Fe和Ce2O2S之間的晶格錯配度分別為5.92%,14.86%。(0001)Ce2O3和 (100)γ?Fe之間的晶格錯配度為5.92%，小于12%，這意味著Ce2O3在凝固過程中d[uvw]n可以作為初始γ-Fe的異質成核核心，有利于鋼的枝晶組織的細化。

圖2 （a）1號鋼中夾雜物沉淀類型；（b）2號鋼中夾雜物沉淀類型

(2)添加鈰對鋼中碳化物的影響分析

圖3（a）～（b）為碳化物在鑄態組織中的分布。1號鋼中的碳化物是沿枝晶邊界析出的，尺寸較大，且相互連接，而2號鋼中的碳化物在加入鈰后均勻地分布在鋼中。為了獲得碳化物特征參數，使用IPP軟件對鋼錠中的碳化物進行統計計算，在同一統計區域內，與1號鋼相比，2號鋼中碳化物的平均長度和寬度分別減少了2.77μm和3.41μm，碳化物的析出面積減少了138μm2。這一結果表明，鈰的加入可以細化碳化物的尺寸，其細化機制將在以下部分討論。

圖3 （a）1號鋼中的碳化物分布圖；（b）2號鋼中的碳化物分布圖

為了進一步研究添加鈰對鋼中碳化物的影響，對鋼的宏觀形態進行了觀察分析，如圖4（a）和（c）所示，1號鋼中碳化物的尺寸相對較大，單個碳化物的尺寸約為40μm，2號鋼中產生的大尺寸碳化物明顯減少且碳化物的尺寸在20～30μm之間，表明加入鈰后，鋼中析出的大尺寸碳化物被細化。

從圖4（b）可以看出，1號鋼中形成的碳化物多為復合棒狀結構。單個碳化物的尺寸較大，結構復雜。在圖4（d）中，鋼中的碳化物大部分是單片狀的，碳化物的長度、寬度和厚度都有所減少。加入鈰后，鋼中的碳化物從大尺寸的復雜棒狀結構轉變為小尺寸的單片狀結構。

圖4 （a）1號鋼中碳化物的宏觀形態觀察；（b）1號鋼中單個碳化物形態；（c）2號鋼中碳化物的宏觀形態觀察；（d）2號鋼中單個碳化物形態

凝固過程中析出的夾雜物可以作為異質成核的核心需滿足當夾雜物的熔點高于金屬的液相溫度時，基體和成核相之間的晶格錯配度必須足夠小[14]。根據Bramfitt的二維晶格錯配數學模型，和，以及和之間的晶格錯配度分別為1.60%和0.69%[7]。因此，Ce2O3可以作為M7C3碳化物的異質成核核心。加入稀土鈰后，抑制了碳化物的析出，改性后夾雜物Ce2O3可以作為異質成核的核心，增加碳化物的成核，減少了大尺寸碳化物的析出。

3.結論

（1）稀土元素鈰的加入細化了8Cr13MoV鋼的枝晶組織，平均二次枝晶間距從81.63μm下降到66.41μm。

（2）在鋼中加入稀土鈰后形成的稀土夾雜物成為碳化物的異質成核核心，8Cr13MoV鋼中碳化物的析出類型沒有改變，碳化物的析出面積從939μm2減少到801μm2，大尺寸碳化物數量明顯減少，碳化物的形貌則從大尺寸的復合棒狀結構變為小尺寸的單層結構。