微量稀土Ce对压铸模用钢组织及性能影响

周 菲, 吴日铭, 周光群, 陈雨飞, 项少松

(1.上海工程技术大学 材料工程学院, 上海 201620; 2.湖北日盛科技有限公司, 大冶 435100)

8418热作模具钢具有高强韧性、高耐磨性、良好抗热疲劳性等诸多性能优点,广泛应用于冲击载荷大的压铸模、热挤压模具等[1].随着制造业发展,热作模具钢使用条件更为苛刻,对模具钢性能提出更高要求.为提高8418模具钢服役寿命及扩大其适用领域,业内进行不同尝试,如热处理[2-3]、表面处理(激光处理,氧化处理等)[4-6]及添加微量合金元素等[7-8].

稀土元素有工业“维生素”之称[9].关于稀土元素对材料组织和性能的影响已有不少学者作出研究:在真空感应冶炼时加入一定稀土元素可以使钢液脱氧脱硫率达40%以上,同时稀土元素会与低熔点杂质(如P、Cu等)产生交互作用,从而起到净化作用[10];在合金中添加少量稀土元素后,合金热力学行为、晶粒尺寸、夹杂物形态大小种类都发生改变,力学性能得到提高[11-14].

为提高8418钢综合性能,可在8418钢中加入一定量稀土元素.本文制备含有微量稀土元素铈(Ce)的Ce-8418钢,并与8418钢进行对比,研究相同制备工艺下,Ce对压铸模用钢8418钢组织和综合性能的影响,并深入研究其微观机理.

1 试 验

采用真空感应熔炼炉制备20 kg/支试验钢锭,退火后去除表面氧化皮和头尾缩孔部分;采用天然气加热炉将其加热至(1 240±5)℃并保温2 h,三向锻打成厚×宽为24 mm×55 mm的一定长度钢条;从各钢条上切取8块尺寸为24 mm×30 mm×55 mm的钢块,对其进行真空淬火及加保护气氛回火处理.淬火工艺采取分级淬火方式,工艺为650 ℃×40 min+850 ℃×40 min+1 030 ℃×40 min,油冷;然后采用二次回火方式,工艺为560 ℃×10 h+600 ℃×10 h.试验钢成分(质量分数,全文同)见表1.

表1 试样钢成分Table 1 Composition of steels %

从钢块试样上截取10 mm×10 mm×10 mm的试样,对其截面进行人工研磨和机器抛光后,使用含量(质量分数,全文同)4%硝酸酒精溶液腐蚀试样,用TESCAN-VEGA3型扫描电子显微镜(SEM)及配套X射线能谱仪(EDS)观察并分析试样显微组织、元素分布及试样晶粒尺寸.

按照标准NADCA 207—2016从每组钢材上各制取5个尺寸为7 mm×10 mm×55 mm的冲击试样,在室温下利用摆锤冲击试验机进行测试,取平均值作为冲击功.

在保护气氛回火炉中,通过测试600 ℃下不同回火时间的硬度变化来表征合金钢回火稳定性,回火时间设定为10、20、30和40 h,采用洛氏硬度计进行测量硬度(HCR),每5个点取一个平均值.

采用美国阿美特克公司生产的普林斯顿电化学工作站(PARSTAT 4000)进行电化学测试,电化学测试采用三电极体系,8418钢和Ce-8418钢试样为工作电极,铂片为辅助电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,试验所测电极电位均相对SCE而言.极化曲线电位扫描范围为-1.6～1.6 V(vs开路电路),扫描速度为1 mV/s,连接示意图如图1所示,腐蚀溶液为含量3.5%NaCl溶液.

图1 电化学工作站连接示意图Fig.1 Connection diagram of electrochemical work station

2 试验结果

2.1 SEM及EDS分析

8418钢和Ce-8418钢SEM及EDS图如图2所示.由图可以看出,8418钢和Ce-8418钢组织均为回火板条马氏体+析出碳化物[15-16],8418钢组织中马氏体束和块并不清晰,局部存在由平行板条组成的微细区,原奥氏体晶界模糊不清[17].相对而言Ce-8418钢马氏体束和块区明显,原奥氏体晶界清晰.图中虚线标出区域为析出碳化物颗粒,如图可见,8418钢析出碳化物颗粒呈球状,在500 nm左右,分布不均匀;Ce-8418钢析出碳化物呈球状,尺寸在250 nm左右且均匀分布在晶界附近.由EDS图可知,稀土Ce主要分布在晶界附近且析出碳化物中含有稀土Ce.

图2 试样组织SEM及EDS分析Fig.2 SEM and EDS analysis of sample structure

2.2 力学性质和热稳定性

试样钢力学性能如图3所示.在常温下,8418钢冲击功为248 J;Ce-8418钢冲击功为292 J,提高17%.600 ℃回火10、20、30和40 h,Ce-8418钢硬度始终高于8418钢,且硬度始终保持在40以上.而8418钢在长时间回火过程中,硬度下降幅度始终大于Ce-8418钢,且在40 h回火后硬度下降至38.3.

图3 8418钢和Ce-8418钢力学性能Fig.3 Mechanical properties of 8418 and Ce-8418 steels

2.3 极化曲线分析

8418钢和Ce-8418钢电化学性能及腐蚀形貌如图4所示.如图所示,8418钢和Ce-8418钢都表现出明显钝化现象,即在试样表面出现一层钝化膜,一定程度上抑制试样腐蚀.如图4(a)和图4(b)所示,8418钢腐蚀类型为晶界腐蚀和均匀腐蚀,而Ce-8418钢腐蚀类型为均匀腐蚀.Ip为试样钝化电流密度,Ip越低意味着试样较容易形成钝化膜或腐蚀较为缓慢[18].如图4(c)所示,Ip2(8418钢)

图4 8418钢和Ce-8418钢电化学性能及腐蚀形貌Fig.4 Electrochemical properties and corrosion morphology of 8418 and Ce-8418 steels

3 结果分析与讨论

当添加少量Ce元素后,8418钢析出含Ce碳化物颗粒,且析出碳化物尺寸明显细化,多数均匀分布在晶界附近.这是由于Ce原子半径(1.824Å,1 Å=0.1 nm)较大(Mo原子半径为1.482 Å,Cr原子半径为1.35 Å),当Ce元素固溶于马氏体晶格时,容易产生较大畸变,从而促进析出物分布在晶界附近,一方面降低畸变能,另一方面减少有害元素在晶界的偏聚[19-20].

添加Ce元素使得8418钢冲击功和洛氏硬度分别提高17%和26%,这主要得益于两方面原因:一方面,Ce具有很强化学活性,在冶炼过程中,能与O、S等元素形成化合物从而提高钢液洁净度[21];另一方面,Ce稀土与钢中合金元素发生交互作用,使得钢凝固组织和析出物形态、大小、分布发生变化,从而使力学性能得到改善.

在电化学性能上,微量Ce元素添加,不仅可以提高Ce-8418钢自腐蚀电位,还可以降低钝化电流密度,整体上增强合金钢耐电化学腐蚀性能.这主要是因为Ce元素促进Ce-8418钢表面生成致密氧化层,阻碍离子在钢基体中运动,从而减缓电化学反应,提高钢耐腐蚀性[22-23].

4 结 论

1) 在压铸模具用钢中加入微量Ce可使碳化物颗粒尺寸细化近50%,析出含Ce碳化物颗粒,同时可抑制析出颗粒团聚的现象.

2) Ce元素明显提升压铸模具用钢冲击功、硬度及热稳定性,延长压铸模具使用寿命.

3) Ce元素性质活泼,在腐蚀条件下会促进钢材表面形成致密保护膜,提高自腐蚀电位和点蚀电位,改善耐腐蚀性能.