＊衛(wèi)曉輝 韓嘯 喬西亞 莊振

（遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院 遼寧 114051）

8Cr13MoV鋼是一種高碳馬氏體不銹鋼，其主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高，耐磨性好，主要用于生產(chǎn)高檔刀剪、閥門、結(jié)構(gòu)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(jìn)一步導(dǎo)致最終產(chǎn)品質(zhì)量和綜合力學(xué)性能的降低，進(jìn)而影響鋼的使用壽命。為解決這個(gè)問題，通過調(diào)整電渣重熔的工藝參數(shù)、優(yōu)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(duì)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(chǎn)成本。

近年來，針對(duì)添加稀土元素以控制碳化物的析出、細(xì)化鋼鑄態(tài)組織和改善鋼的機(jī)械性能等已經(jīng)有了一些進(jìn)展[4-11]。Lan等人[5]通過研究發(fā)現(xiàn)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(tài)組織得到了細(xì)化，碳化物的尺寸和面積比例減小，鋼的機(jī)械性能得到改善。Liu等人[8]發(fā)現(xiàn)加入適量的稀土元素后，細(xì)化了4Cr5MoSiV1模具鋼的共晶結(jié)構(gòu)和共晶碳化物，提高了抗拉強(qiáng)度。盡管以往研究中對(duì)8Cr13MoV鋼等在組織細(xì)化、碳化物控制上有一些研究工作，但針對(duì)稀土元素鈰對(duì)8Cr13MoV鋼中碳化物控制的影響研究卻很少報(bào)道。本文設(shè)計(jì)制備了8Cr13MoV鋼，研究了添加微量稀土鈰對(duì)8Cr13MoV鋼鑄態(tài)組織的影響及碳化物析出尺寸、形狀等的變化，并結(jié)合晶格錯(cuò)配度理論對(duì)組織細(xì)化進(jìn)行了分析。

1.實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)用8Cr13MoV鋼制備如下：采用工業(yè)純鐵和純合金原料，利用25kg真空感應(yīng)爐在氬氣保護(hù)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(xué)成分（%）

在金屬棒的中心位置截取10mm×10mm×10mm的金相試樣，經(jīng)機(jī)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(duì)鋼樣表面進(jìn)行侵蝕，用光學(xué)顯微鏡（OM）觀察組織形貌，每個(gè)樣品隨機(jī)選擇20個(gè)不同區(qū)域，結(jié)合圖像分析軟件IPP（Image Pro Plus）對(duì)碳化物尺寸和面積等特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。使用掃描電子顯微鏡（SEM，德國ZeissRIGMA HD）來觀察和分析鑄態(tài)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(tài)。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(shí)間為6h。

2.結(jié)果與分析

(1)添加鈰對(duì)鋼鑄態(tài)組織的影響分析

試樣處理后進(jìn)行X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)1號(hào)鋼樣的衍射圖譜顯示組織存在奧氏體和馬氏體，2號(hào)鋼樣的衍射圖譜中也得到了同樣的結(jié)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(tài)組織。結(jié)合XRD結(jié)果和金相顯微鏡下不同結(jié)構(gòu)的形態(tài)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(hào)鋼樣的枝晶較粗，碳化物在枝晶邊界析出，呈網(wǎng)絡(luò)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(hào)鋼樣，2號(hào)鋼樣的枝晶得到了細(xì)化。利用IPP軟件測量二次枝晶間距，1號(hào)鋼的平均二次枝晶間距為81.63μm，2號(hào)鋼的平均二次枝晶間距為66.41μm，這表明添加鈰后，細(xì)化了8Cr13MoV鋼的枝晶組織，其細(xì)化機(jī)制將在以下部分討論。

圖1 （a）1號(hào)鋼鑄態(tài)組織；（b）1號(hào)鋼鑄態(tài)組織局部放大；（c）2號(hào)鋼鑄態(tài)組織；（d）2號(hào)鋼鑄態(tài)組織局部放大

通過FactSage熱力學(xué)軟件的Equilib模塊，分別計(jì)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(jié)果如圖2所示。在1號(hào)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(hào)鋼樣中，夾雜物Ce2O3和AlCeO3在1600℃時(shí)析出。在1510℃時(shí)，鋼中的AlCeO3逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃e2O3，在1420℃時(shí)完成轉(zhuǎn)變。同時(shí)，部分AlCeO3在熔融鋼的凝固過程中轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2O3。2號(hào)鋼中AlCeO3的最終含量減少，最后在960℃時(shí)，MnS夾雜物開始析出。從計(jì)算結(jié)果可以看出，加入稀土元素鈰對(duì)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(cuò)配度[12]。根據(jù)Bramfitt[13]的理論，晶格錯(cuò)配度通常被用來理論評(píng)估不同的包裹體作為原生奧氏體的異質(zhì)成核核心的有效性。Bramfitt在一維錯(cuò)配度的基礎(chǔ)上提出二維錯(cuò)配度，能夠較好地反映晶格結(jié)構(gòu)不同的情況下基底和晶核的點(diǎn)陣匹配。在本研究中，它們之間的晶格錯(cuò)配度是通過二維晶格錯(cuò)配度數(shù)學(xué)模型計(jì)算的。式（1）為立方晶系任意兩晶向指數(shù)[u1v1w1]和[u2v2w2]間的夾角計(jì)算公式，δ值為二維晶格錯(cuò)配度，%。

式中：(hkl)s和(hkl)n分別為基體和成核相的低指數(shù)面；[uvw]s和[uvw]n分別為基體和成核相的低指數(shù)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(jì)算得出γ-Fe和Ce2O3、γ-Fe和Ce2O2S之間的晶格錯(cuò)配度分別為5.92%,14.86%。(0001)Ce2O3和 (100)γ?Fe之間的晶格錯(cuò)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(zhì)成核核心，有利于鋼的枝晶組織的細(xì)化。

圖2 （a）1號(hào)鋼中夾雜物沉淀類型；（b）2號(hào)鋼中夾雜物沉淀類型

(2)添加鈰對(duì)鋼中碳化物的影響分析

圖3（a）～（b）為碳化物在鑄態(tài)組織中的分布。1號(hào)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(hào)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(shù)，使用IPP軟件對(duì)鋼錠中的碳化物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，在同一統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)，與1號(hào)鋼相比，2號(hào)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(jié)果表明，鈰的加入可以細(xì)化碳化物的尺寸，其細(xì)化機(jī)制將在以下部分討論。

圖3 （a）1號(hào)鋼中的碳化物分布圖；（b）2號(hào)鋼中的碳化物分布圖

為了進(jìn)一步研究添加鈰對(duì)鋼中碳化物的影響，對(duì)鋼的宏觀形態(tài)進(jìn)行了觀察分析，如圖4（a）和（c）所示，1號(hào)鋼中碳化物的尺寸相對(duì)較大，單個(gè)碳化物的尺寸約為40μm，2號(hào)鋼中產(chǎn)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(xì)化。

從圖4（b）可以看出，1號(hào)鋼中形成的碳化物多為復(fù)合棒狀結(jié)構(gòu)。單個(gè)碳化物的尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)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(fù)雜棒狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樾〕叽绲膯纹瑺罱Y(jié)構(gòu)。

圖4 （a）1號(hào)鋼中碳化物的宏觀形態(tài)觀察；（b）1號(hào)鋼中單個(gè)碳化物形態(tài)；（c）2號(hào)鋼中碳化物的宏觀形態(tài)觀察；（d）2號(hào)鋼中單個(gè)碳化物形態(tài)

凝固過程中析出的夾雜物可以作為異質(zhì)成核的核心需滿足當(dāng)夾雜物的熔點(diǎn)高于金屬的液相溫度時(shí)，基體和成核相之間的晶格錯(cuò)配度必須足夠小[14]。根據(jù)Bramfitt的二維晶格錯(cuò)配數(shù)學(xué)模型，和，以及和之間的晶格錯(cuò)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(zhì)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(zhì)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(jié)論

（1）稀土元素鈰的加入細(xì)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(zhì)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(shù)量明顯減少，碳化物的形貌則從大尺寸的復(fù)合棒狀結(jié)構(gòu)變?yōu)樾〕叽绲膯螌咏Y(jié)構(gòu)。