应用镁提高H13热作模具钢性能的机理研究.doc

应用镁提高H13热作模具钢性能的机理研究（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）： 1. 项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）由于传统制造业由欧美向中国的逐步转移，中国的模具及模具钢行业正处于高速增长时期。2007年国内模具钢使用量已接近70万吨、2010年达到100万吨，模具需求预计达到1000亿元左右。国内现有模具钢在成分、性能、使用范围等方面都难以满足市场需求，均还停留在十年或二十年前的水平，没有更好地发展，例如用量最大的H13热作模钢。为此，模具钢的使用企业对国产模具钢信心不足，为了保生产抓产量，部分可选用国内模具钢制造模具的，也选用了高价进口模具钢，宁可出高价买国外，不愿以低价买国内的。广东是制造业的强省，广东市场中约有40%以上的模具钢要依靠进口。进口模具钢价格约为国产同类产品的57倍，且需要大量的外汇。以H13为例，瑞典(乌德霍姆)生产的价格为9.6-10万元/t、德国(蒂森)生产的价格为7.5万元/t，我国生产的价格在2万元/t左右。从价格差距上反映出我国H13模具钢质量的落后。我国每年进口模具钢达2030万吨，高档模具用钢的进口量正在与日俱增，主要来自日本、德国、瑞典、奥地利、韩国等。进口模具钢中以H13钢为主的热作模具钢约为6万吨左右。近几年来，为了满足模具工业的发展需要，面对激烈的市场竞争，国外许多钢厂开发了不少高性能的模具钢，并向市场推出一批新牌号。随着模具工作条件的日益苛刻，对模具的质量，特别是钢的纯净度、等向性的水平提出了更高的要求。为达此目的，国外普遍采用电炉+炉外精炼工艺生产纯净度高的模具钢；对于纯净度要求更高的模具钢，大部分采用电渣重熔，以进一步提高钢的纯净度(致密度)、等向性和均匀性，减少偏析1-2。国内H13热作模具钢的生产绝大部分采用感应炉+电渣重熔工艺，在钢纯净度的提高及性能的改善方面有一定的局限性。国外模具钢的品质主要体现在：钢纯净、组织均匀细小、尺寸精确等方面。以H13模具钢为例,与进口的相比，国产H13模具钢夹杂物含量高、一次碳化物较多，退火组织中碳化物有明显的沿晶界分布现象；国产的H13 模具钢模块心部横向的冲击韧性只有纵向的0.120.13，进口的为0.160.18；进口H13模具钢中的硫、磷含量较国产H13钢低一个数量级；国产H13模具钢制的压铸模具寿命为35万模次，进口的可达20万次3。中国铝型材挤压企业约565 家，每年消耗大量的铝型材热挤压模；铝压铸企业约750 家，各种规格的压铸机一千多台以上，汽车、摩托车、电梯、家电和电子产品为压铸件需求大户，尤其是汽车行业使用的中、大型压铸件，如离合器、变速箱、转向器、齿轮箱等。铝型材生产的热挤压模具和压铸用的热作模具都是用H13模具钢制造的，年均消耗H13热作模具钢5万吨左右，可见H13热作模具钢的市场容量很大。结合国内模具钢市场实际，提高模具钢质量仍是模具行业近期及中期发展的重要任务。因此，为满足中国制造业发展的需要，开发高质量、长寿命、性能稳定的H13模具钢刻不容缓。镁在地壳中储量丰富，蕴藏量达2.7%。中国是世界上镁资源最丰富的国家之一，辽宁大石桥一带的菱镁矿储量约占世界的60%以上，矿石的品位高达40%，这为镁合金的发展及镁在钢铁中的应用提供了有力的保证。镁有很强的脱氧、脱硫及夹杂物变性能力。镁和其它脱氧元素做成合金用于炼钢脱氧，不仅可以降低镁的蒸汽压，并且脱氧时相互作用生成复合脱氧产物，在钢液中更易上浮排除。镁气泡的上浮对钢液起到很好的搅拌作用，改善了脱氧的动力学，加快了脱氧速度，故含镁脱氧剂的脱氧效果更好。单独用镁脱氧时，假定生成的氧化镁的活度为1，当钢中的溶解镁为15ppm左右时，溶解氧可以降到12ppm，钢中存在0.85ppm的Mg和0.05的Al时可以使钢中溶解氧降到34ppm，钢中能形成稳定的MgO.Al2O3夹杂物4，尺寸小于34m，并且不存在大于10m的夹杂物5。用镁处理铝脱氧钢液时，不仅可以进一步降低钢中的氧、硫含量，夹杂物数量也明显减少，还同时改善了夹杂物的形态和性质。钢中含有一定的镁，硫化物夹杂由线状硫化锰为主变为细小似球状的镁硫化物或镁硫氧化物为主的夹杂，均匀分布、尺寸较小6；镁还可以使簇状的Al2O3夹杂物变成小的随机弥散的尖晶石型(MgO.Al2O3)夹杂物，这种尖晶石夹杂物对钢的疲劳性能和其它性能无害。与钢中原有夹杂物相比，含镁复合夹杂物的存在对改善钢材机械性能是有益的。钢中含有一定的镁，能起分散和细化碳化物的作用，减轻钢中合金元素的偏聚，使基体组织中合金元素含量增加，共晶碳化物数量明显减少。复合轧辊高速钢中加入镁，明显减少了奥氏体和共晶碳化物的含量，改善了共晶碳化物的分布，网状碳化物明显细化7。镁还能改善钢材的性能，生产钢轨时采用SiCaVMg复合脱氧剂脱氧时，断裂韧性、疲劳性能比铝脱氧钢高8。轴承钢中随着镁含量的增加，抗拉强度和屈服强度都有所提高，塑性基本保持不变，当Mg含量增加到0.0025，屈服强度有一较高值，此后随着镁含量的增加，其屈服强度略有下降9。微量Mg对35CrNi3MoV钢的室温的拉伸性能和硬度无明显影响，而对其低温冲击功、冷脆转变温度、断裂韧性均有显著影响10。由于H13模具钢是高合金钢，钢中碳含量比较高，在电渣重熔及热加工过程中存在大量的碳化物、部分出现共晶碳化物，国内生产的模具钢纯净度又较低，极大地影响了模具的使用寿命和性能的稳定性。基于镁在实现纯净钢生产、钢材组织细化、碳化物细化、夹杂物球化等方面起重要作用，因此，开展“应用镁提高H13热作模具钢性能的机理研究”具有重要意义。主要参考文献1 杨贵根,朱祖昌.世界模具钢生产的现状和进展.热处理技术与装备,2006,12:513.2 CUI Xiang-hong, HAN Jun, YANG Zi-run,WE1 Min-xian, WANG Shu-qi, DONG Chuang.Alloying Design for High Wear-Resistant Cast Hot-Forging Die Steels. JOURNAL OF IRON AND STEEL RESEARCH, INTEAIIONAL,2008,15(4):6772.3 曹振平.国产模具钢存在的问题及其对策.模具工业,1997,6:4445.4 Jeong-DoSeo and Seon-Hyo Kim. Thermodynamic assessment of Mg deoxidation reaction of liquid iron and equilibria ofMg-Al-O and Mg-S-O .Steel Research, 2000,71(4): 101106.5 Dr S K.Saxena.Productong of Ultra-Clean Steels with Better Mechnaical Properties with Magnesium Treatment.1996 Steelmaking Conference Proceedings:8996.6 马幼平.钢中残余Mg量对SiMn型复相耐磨铸钢硫化物夹杂形态的影响. 西安建筑科技大学学报（自然科学版）,2002,34(1):9395.7 于新泉,关绍康.王利国等.变质处理对复合轧辊用高速钢组织和性能的影. 钢铁研究学报,2003,15(1):4651.8 朱丽慧等.关于钢用铝脱氧的再认识. 钢铁研究学报,1999,11(4):6569.9 周德光,傅杰,李晶等.轴承钢中镁的控制及作用研究.钢铁, 2002,37(7):2325.10 孙文山,丁桂荣,罗铭蔚等. 镁在35CrNi3MoV钢中的作用. 兵器材料科学与工程,1997,20(4):38.2. 项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题。（此部分为重点阐述内容）2.1 研究内容通过系统研究镁对H13模具钢夹杂物、碳化物、组织及性能的影响的机理，为镁应用于高性能H13模具钢的生产提供理论依据，主要进行以下几方面的研究：（1）H13模具钢中镁含量控制的基础理论研究镁元素具有很强的化学活性，镁原子易于失去电子成为Mg2+，在钢液中Mg对非金属元素有很强的亲和力。1873K时，镁在钢液中的质量溶解度和原子溶解度分别为0.1和0.2，高于钙、钡在钢液中的溶解度，因此当镁用于钢液的脱氧、脱硫时，比钙、钡的脱氧、脱硫潜力更大。但由于在1873K时，镁的蒸汽压为2.038MPa，比相同温度下Ca、Ba及Al的蒸汽压高很多，很少用于炼钢脱氧。如果镁用于H13热作模具钢的生产，由于镁在高温下易挥发，在镁的加入过程及电渣重熔过程都会造成镁的烧损或挥发，较难准确控制钢中镁含量，因此在确定钢中最佳镁含量的基础上，通过热力学计算，分析冶炼及电渣过程造成镁含量损失的机理，对准确控制钢中镁含量，发挥镁在钢中作用具有重要意义。（2）镁对H13模具钢夹杂物影响的机理研究钢液中加入一定的镁，镁会与钢液中溶解氧、硫反应，也会与钢液中的其它夹杂物反应生成复合夹杂物，进一步降低钢中硫及夹杂物含量。镁的加入量、钢中原有的夹杂物成分、氧及硫含量，都会对夹杂物形成的类型、数量、大小产生影响，因此明确镁加入钢液后，与钢液中元素的反应及对夹杂物的变性机理，对降低有害夹杂物，提高夹杂物评级有重要意义。电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法，其主要目的是提纯金属并获得洁净、组织均匀致密的钢锭。含镁的电极（电渣重熔材料）在电渣重熔过程中，通过电渣去除钢中的非金属夹杂物，不同的非金属夹杂物具有不同的物理化学特性，含镁夹杂物的去除及在钢中存在的形式不同于其它夹杂物。另外，钢液在凝固过程中，随着温度的降低，会析出硫化物等夹杂，由于镁的存在，一方面，析出的夹杂物成分会产生不同，另一方面，会影响到杂质元素的偏析。（3）镁对钢中碳化物析出及细化影响的机理研究碳化物分为一次碳化物和二次碳化物。其中一次碳化物是在钢液凝固的共晶反应阶段直接从液相中析出，二次碳化物是从奥氏体或马氏体中析出。铬是碳化物的形成元素，可以提高钢的淬透性，细小而均匀分布的碳化物可提高钢的耐磨性，强度，韧性和使用寿命。若钢中碳化物颗粒细小、形状多为球形或椭圆形、分布比较均匀，表明钢质量好；若钢中碳化物颗粒粗大、形状多为角状、分布不均，表明钢质量差。电渣重熔过程，由于钢液凝固结晶，最后在凝固部位会富集碳、钒、铬、钼等合金元素，容易形成一定量的碳化物，甚至会出现共晶碳化物，锻造后成条带状组织，各条带间化学成分有差异，即碳与合金元素分布不均，从而产生不同取向的结构，这种成分不均匀在随后的退火中不能完全消除，造成模块力学性能各向异性。由于成份的不均匀产生不同的结构，造成热加工困难，锻造时容易产生裂纹甚至开裂。钢中加镁就是为了避免或减轻上述现象的出现。锻造及热处理是细化晶粒、均匀组织的重要手段，锻造及热处理过程中，会进一步细化钢中原有的碳化物，也有可能会产生二次碳化物。钢中含有一定的镁，是否有利于抑制二次碳化物的产生，是否更有利于细化钢中原有的碳化物，这都有待于进一步的研究。因此，在测定热作模具钢的高温热塑性，指导锻造加工的基础上，研究电极材料及电渣重熔过程镁对碳化物形成的影响、镁对退火及热处理过程碳化物析出及细化作用的影响，包括碳化物的类型、数量、分布、尺寸和形状等，为有效地实现模具钢中碳化物的超细化处理提供理论。（4）镁对H13模具钢性能影响的机理研究热作模具钢的强度和塑性是模具设计中主要的参考指标；冲击韧性值能反映材料的缺口敏感性，能较正确地反映材料的表面状态、冶金缺陷和显微组织的变化；高温硬度能反映模具材料在使用温度范围的强度和耐磨性，是作为不同使用温度下热作模具选材的一个重要依据；热作模具要求钢在高温高压的条件下长期工作时，能保持其组织和力学性能的稳定性，热稳定性直接影响模具的使用寿命。通过对含镁模具钢强度与塑性、冲击韧性、高温硬度及热稳定性的检测分析研究，结合镁对钢中碳化物或碳氮化合物及氧化物影响的研究，从镁对H13模具钢组织、析出物的影响及镁在晶界存在的形式等方面的研究，提出镁影响H13模具钢性能的机理。2.2 研究目标本项目的研究目标是为应用镁降低H13模具钢中夹杂物含量及碳化物数量、细化碳化物及微观组织、提高钢性能，提供理论依据。2.3 拟解决的关键问题由于镁蒸汽压高的特点及参与钢液脱氧脱硫、夹杂物变性，镁的收得率不稳定，很难准确控制钢中的镁含量，因此稳定控制钢中镁含量技术是关键。3. 拟采取的研究方案及可行性分析。（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）3.1 拟采取的研究方案本项目将采用300kg感应炉熔炼300kg电渣重熔缓冷锻 造热处理各项性能检验的工艺路线。因此，涉及到特殊钢冶金、热处理工艺技术、金属材料的组织及性能分析。（1）镁对H13模具钢夹杂物影响的机理研究进行热力学计算，确定镁加入钢液后，与钢液中其它夹杂物及氧、硫的反应机理及形成夹杂物的成份。通过大样电解及金相分析方法，系统研究H13模具钢制备过程中，夹杂物含量的变化规律、观察夹杂物形态及大小、分析夹杂物成份，明确镁对H13模具钢中夹杂物影响的机理，提出合理控制H13模具钢夹杂物的措施。（2）镁对钢中碳化物析出及细化影响的机理研究采用光学显微镜和扫描电镜进行微观组织及析出物的观察，包括电渣重熔母材、电渣锭、锻造及热处理后的钢材中的碳化物、析出物的观察。通过能谱确定碳化物、碳氮化合物及氧化物等的组成，分析镁对碳化物数量及细化的影响。钢中最佳Mg含量与钢中夹杂物和碳化物的最佳状态相对应，并与最佳显微组织、断口形态和力学性能相对应。以合理的夹杂物成分及细小的碳化物析出为准，确定镁在H13模具钢的最佳含量。（3）镁对H13模具钢性能影响的机理研究对制备的H13热作模具钢，进行各项性能分析，从镁对H13模具钢的组织、夹杂物、碳化物及其它析出物的影响方面，研究镁对提高模具钢性能的作用机理。在扫描电镜上观察冲击断口，在体式显微镜下观察热疲劳裂纹及表面龟裂。采用X 射线衍射仪进行结构分析，采用透射电镜进行位错组态，碳、氮化物和显