Cr12MoV钢铸坯碳化物解析
郑鹏1，刘松涛1，徐翔宇1，刘斌1,2，付建勋1
(1.上海大学材料科学与工程学院先进凝固技术中心， 省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室， 上海 200444；2.鞍钢集团北京研究院有限公司， 北京 102200)
Cr12MoV钢是应用最广泛的冷作模具钢，属于高铬高碳莱氏体钢，钢中碳化物的形态、数量、大小和分布对Cr12MoV钢的性能有重要影响。采用金相显微镜、扫描电镜、夹杂物三维腐刻装置、X射线衍射仪和能谱分析仪对某厂生产的Cr12MoV模铸坯中碳化物类型、形态及分布情况进行解析，使用Thermo-Calc 2020b计算Cr12MoV冷作模具钢的相转变和碳化物析出行为。结果表明，Cr12MoV冷作模具钢碳化物类型为富铬富铁的M7C3型碳化物和M23C6型碳化物，M7C3型碳化物所含主要元素为铬、铁、碳、钼，M23C6型碳化物所含主要元素为铁、铬、钼、碳。铸坯中碳化物形貌主要可以分为4类，颗粒状碳化物、块状碳化物、棒状碳化物、网状碳化物。颗粒状碳化物尺寸为2~5 μm，块状碳化物尺寸为10~15 μm，棒状碳化物尺寸为30~40 μm，网状碳化物由颗粒状、块状、棒状碳化物聚集形成，其尺寸达80 μm。从边部到芯部碳化物形态的演变规律为颗粒状→块状→棒状→网状，边部到芯部碳化物不均匀性逐渐增强，边部碳化物呈颗粒状弥散分布，1/4处碳化物呈长棒状，芯部碳化物偏聚成网状；铸坯从边部到芯部，碳化物的平均等效直径由边部的5.7 μm增加到芯部的8.5 μm，碳化物面积比例由边部的8.2%增长到芯部的9.5%，碳化物的密度由边部的2 961个/mm2下降到芯部的1 189个/mm2。通过解析Cr12MoV钢铸坯中碳化物的类型、形态与分布，寻找碳化物在铸坯中的分布规律，为工厂调控钢中碳化物形态、优化钢的性能提供理论依据。
Cr12MoV； 冷作模具钢； 模铸坯； 碳化物； 三维腐刻
Cr12MoV钢是用量最大、应用最广泛的冷作模具钢，是一种高碳高铬的莱氏体钢，由于其具有高硬度、良好的淬透性和耐磨性以及优良的抗变形性等特点，主要被用于制造截面较大、形状复杂、工作条件繁重、高耐磨性要求的冷作模具，如切边模、拉丝模、滚边模、冷冲模、拉伸模等。Cr12MoV冷作模具在使用过程中需要承受循环应力的冲击，工作条件十分苛刻，模具往往会出现磨损。Cr12MoV钢是在优质Cr12钢基础上添加一定含量的Mo、V元素，Cr和Mo等合金元素在钢液凝固过程中会发生共晶反应形成硬而脆、熔点较高的铬铁复合M7C3型碳化物。Cr12MoV钢高碳高铬的特点使其显微组织中碳化物含量通常较高，易发生碳化物偏聚，而Mo、V元素的添加能够改善钢中碳化物不均匀程度，降低碳化物偏聚，提高钢的淬透性，还能提高冲击韧度并细化晶粒。钢中碳化物的形态、大小和分布会严重影响钢的耐磨性能。李伟等探究1Cr12MoV钢锻件力学性能不合格的原因时发现，基体组织中存在大尺寸、聚集分布的网状或带状共晶碳化物时，在承受较大载荷冲击力时往往会由于缺乏足够的韧性而发生脆断现象，裂纹沿着网状碳化物迅速扩展，出现断崖式撕裂。王宁等分析Cr12MoV钢刀具早期开裂原因发现，当材料中碳化物尺寸较大且呈角块状时，碳化物一侧或两侧的应力集中部位会形成微小孔洞，在较小的应力作用下就能扩展为微裂纹，引发脆断。钢中大块碳化物的存在会增加材料整体的脆性，降低材料强度，使材料在低应力作用下发生失效。冷作模具钢的耐磨性不仅受碳化物种类、大小和分布的影响，还受碳化物总量的影响，有研究发现，增加钢中二次碳化物的含量，减小二次碳化物的平均自由程，减小一次碳化物和二次碳化物的平均直径能显著提高钢的耐磨性。KABA M等研究D2钢(Cr12MoV钢)磨损微观机制时发现，磨损是通过初生碳化物的断裂发生，但较小尺寸的初生碳化物能通过限制裂纹的起始位点提高钢的耐磨性。KO D C等研究对比3种D2级钢的微观结构对抗磨损性能的影响发现，含有大量尺寸相对较小次生M23C6型碳化物的钢抗磨损性最好。碳化物的不均匀分布会引起组织成分的不均匀性，导致不同区域的硬度差异，从而产生内部应力，促使微裂纹的形成。此外，碳化物的不均匀分布还会导致在模具上的磨粒与加工材料接触之前，模具上的大块碳化物就已直接与加工材料基体相接触，在受到应力的作用时，会加剧磨粒的磨损程度，对基体造成损害。本研究以国内某钢厂生产的Cr12MoV冷作模具钢为研究对象，采用夹杂物三维腐刻装置获取碳化物的三维形貌，利用金相显微镜、扫描电镜和能谱分析仪对Cr12MoV冷作模具钢铸坯中碳化物的分布、形貌和成分进行了深入分析。同时，探讨了在Cr12MoV钢铸坯中碳化物从边部至芯部的形态分布变化规律，为调控Cr12MoV冷作模具钢中碳化物形态并提高耐磨性能提供了重要依据。
1) Cr12MoV钢中碳化物类型为M7C3型碳化物和M23C6型碳化物，其所含元素主要为铬、铁、碳、钼。2) Cr12MoV钢铸坯中碳化物形貌主要可以分为4类：颗粒状碳化物、块状碳化物、棒状碳化物、网状碳化物；模铸坯中碳化物的形貌从边部至芯部的变化规律为：颗粒状→块状→棒状→网状；边部碳化物主要呈颗粒状和块状弥散分布，1/4处碳化物为条状，芯部碳化物为连续网状。边部碳化物尺寸较小且均匀分布，芯部碳化物尺寸较大且偏析严重。3) 在Cr12MoV钢模铸坯的边部到芯部区域，观察到碳化物密度呈现下降的趋势，同时碳化物的平均等效直径和面积比例呈现增大的趋势，其中碳化物密度从2 961个/mm2下降到1 189个/mm2；平均等效直径由5.7 μm增长到8.5 μm；面积比例由8.2%逐步增长到9.5%。
