冷作模具钢D2的显微组织和冶金质量分析

 长期以来我国广泛使用的冷作模具钢Cr12MoV和Cr12，由于一直采用电炉单炼工艺生产，钢的纯净度和碳化物均匀性与国外同类模具钢相比有一定差距。D2（Cr12Mo1V1）钢是一种高碳高铬冷作模具钢，它的成分和Cr12MoV相似，但Mo、V含量高得多，因而D2钢是目前世界上广泛采用的一种性能较好的冷作模具钢。然而对D2钢的显微组织和冶金质量还缺乏较深入的分析研究，同国外生产的D2钢的对比分析也缺乏深入的工作。

   试料和试验

      试验用料分别为电炉和电渣生产的冷作模具钢D2，直径为φ120mm锻材改成的直径为φ35mm棒材上切取试样。此外还从日本高周波公司生产的19mm×305mm和40mm×305mmSKD11扁钢切样。试样化学成分列于表。

      上述试样经1020℃保温15min空冷（AC）淬火，200℃回火2h。测定各试样的6个样品的硬度HRC。测定气体含量和不同回火温度（150～550）℃下的冲击韧度。观察各试样的低倍组织。在MS46电子探针上对夹杂物面积百分数进行观察测定。在CambridgeQ-970图像仪上测定各试样夹杂物面积百分数，直径在φ1～φ5μm的氧化物颗粒数；测定碳化物平均面积、平均面密度和平均面积分数。在Philips-PW1700粉末衍射仪上对碳化物相进行结构分析。采用光学显微镜和Philips-SEM505扫描电子显微镜分别观察D2电炉钢和电渣钢试样的金相试片和冲击断口上碳化物的分布。制备D2电炉、电渣钢金相试片的二次碳复型和金属薄膜，用Philips-CM12电子显微镜观察显微组织并进行选区电子衍射分析。

      试验结果

      各试样的6个样品硬度测定结果见表。由表可以看出：电渣钢的淬回火硬度都在59HRC以上（按国标规定≥59HRC合格）100％合格；而电炉钢仅2个试样达到59HRC，并且前者硬度均匀，上下波动仅1.5HRC，而后者波动2.2HRC。日本两种SKD11扁钢与D2电渣钢硬度相近。

      D2电炉钢和电渣钢的冲击韧度值见图。很明显，电渣钢的冲击韧度比电炉钢好。经电渣重熔后的钢材，其低倍组织明显改善。

      氧化物和氧含量

      D2电炉钢、电渣钢和SKD11扁钢氧含量的测定结果如表。由可见D2电渣钢中氧含量比电炉钢低40％。日本SKD11扁钢氧含量明显低于D2钢；电子探针测量结果表明，D2电炉钢中的氧化物主要是CaO·Al₂O₃和（CaMg）O₂·Al₂O₃复相夹杂，而D2电渣钢中的氧化物主要是Al₂O₃·SiO₂复相夹杂。D2电渣钢的氧化物和点状夹杂比电炉钢少，SKD11更少；D2电炉钢氧化物尺寸多数为2～3μm，D2电渣钢多数在3μm左右。但D2电渣钢的氧化物为电炉钢的50％‚而且点状不变形夹杂少20％。日本SKD11钢氧化物和点状夹杂比D2钢明显低。

      SEM和TEM观察表明：D2电渣钢淬火回火后，碳化物分布比电炉钢均匀弥散，且后者中的大尺寸碳化物较多。各试样碳化物的平均面积、平均面密度和平均面积百分数见表。由表可见，D2电炉钢和电渣钢试样碳化物平均面积百分数相近，但后者碳化物的平均面积比前者小。这说明D2电渣钢中的碳化物比电炉钢中的碳化物尺寸小、密度大‚与SEM和TEM观察结果一致；SKD11钢40mm×305mm扁钢的碳化物平均面积、面密度和平均面积百分数均与D2电炉钢相近，但19mm×305mm扁钢的平均面积、面密度和平均面积百分数的测量结果表明，与D2钢相比，其中碳化物的总量少，尺寸大，密度小。

      D2电炉钢、电渣钢淬回火试样碳化物的X射线结构分析得知：D2钢的碳化物主要为M7C3型碳化物。

      D2电炉钢和电渣钢淬回火试样金属薄膜的电子衍射像中观察到，尺寸为0.2~0.4μm的粒状碳化物均匀分布在块状碳化物之间。在马氏体片间有一种边缘模糊的灰条，选区电子衍射表明，灰条为残留奥氏体。

      结果讨论

      非金属夹杂物是影响模具寿命的重要因素之一，对模具用钢要求尽可能高的纯净度可以说是共同的观点。以上试验结果表明：经电渣重熔后的钢材，其低倍组织明显改善，并且钢中气体含量比电炉钢低40％，氧化物和点状夹杂也分别为电炉钢的50％和80％。由此说明，电渣重熔是提高纯净度十分有效的过程。由于固体钢中氧的溶解度很低，钢中的氧基本上以夹杂物形式存在所以氧含量较低的电渣重熔钢中氧化物夹杂就较少。D2钢属莱氏体钢，铸态组织中的鱼骨状共晶碳化物在热加工过程中被破碎。这种碳化物分布的不均匀性将降低钢的力学性能，虽然电渣重熔钢和电炉钢中块状M7C3型碳化物数量相近，但由于电渣钢中碳化物的尺寸间距较小，分布较均匀，其中易成为裂纹萌生所处的大块碳化物也较少，非金属夹杂物可以看作是一个孔洞，它们破坏了钢基体的连续性。因此，电渣钢中冲击韧度和其它力学性能优于电炉钢。

      D2钢中马氏体片间的残留奥氏体片的尺寸很小，对钢的硬度影响不大，反而在马氏体形变过程中可起到缓冲应力的作用，因而有利于冲击韧度的提高。日本SKD11（40mm×305mm）扁钢的碳化物平均尺寸、间距和面积百分数与D2电炉钢相当，而且其19mm×305mm扁钢中碳化物特别粗大，平均面密度和面积百分数也显著低于D2钢。但是如前所述，日本两种规格的扁钢硬度HRC均优于D2电炉钢，与D2电渣钢相近。日本扁钢的碳含量与D2钢相近而碳化物的面积百分数明显低。显然马氏体中碳过饱和度较高。另一方面日本扁钢中氧含量和夹杂物比D2钢明显低。由此可见，要获得这类钢较高硬度值和较长使用寿命，提高马氏体中碳含量，降低氧含量和夹杂物数量显得十分重要。因此除了尽可能降低D2钢氧含量，获得碳化物的均匀弥散分布外，使块状碳化物含量适当降低将有利于提高硬度、强度和耐磨性。

      （1）采用电渣重熔工艺可以明显改善低倍组织，降低氧含量，减小氧化物和点状夹杂，从而大幅度提高D2冷作模具钢的冶金质量。

      （2）电渣重熔工艺生产的D2钢的M7C3型碳化物尺寸和间距较小，分布均匀，其冲击韧度和硬度明显优于电炉钢。

       （3）日本SKD11钢氧含量、氧化物和点状夹杂比D2钢明显低，虽然SKD11（19mm×305mm）扁钢碳化物特别粗大，平均面密度和面积百分数也显著低于D2钢，但两种规格的扁钢硬度均优于D2电炉钢。因此提高马氏体中的碳含量，降低钢中的氧含量，对提高这类钢的硬度、强度和耐磨性显得十分重要。