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 工模具鋼用于制作刃具、模具、量具等工具，具有高耐磨性、高淬透性、高抗彎強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于精密設(shè)備的生產(chǎn)加工。工模具鋼在凝固過程中由于合金元素的偏析非常容易生成大尺寸的一次碳化物，碳化物的尺寸、數(shù)量、形貌、類型是影響其硬度、韌性、耐磨性等性能的關(guān)鍵因素。因此，研究工模具鋼中的碳化物的類型與析出溫度，形成機(jī)理及控制方法至關(guān)重要。深入研究形成機(jī)理及控制方法，可以找到減少合金元素偏析的途徑，從而減少大尺寸碳化物的生成。

鋼錠中心的共晶M7C3碳化物由大塊顆粒和纖維狀聚集組成，而鋼錠邊緣則主要為纖維顆粒和球狀碳化物，而另一實驗表明，高溫高鉻鑄鐵中的M7C3碳化物為六角形晶格，并生長為長棒狀。這表明同一種類的碳化物在不同種類的鋼中形貌表現(xiàn)出顯著差異。同時，不同種類碳化物析出機(jī)理的研究也存在著一些爭議，盡管普遍認(rèn)為碳化物的形成機(jī)理與凝固過程中的元素偏析有關(guān)，但對于偏析的細(xì)節(jié)、不同合金元素的作用以及如何精確控制碳化物的形成等方面，還存在著不同的觀點(diǎn)和研究結(jié)果，因此，有必要將工模具鋼中常見的碳化物的形成機(jī)理與生長過程進(jìn)行分析。

目前對于生產(chǎn)大尺寸鋼錠的過程中元素偏析、分布不均和尺寸粗大等問題的控制方法分為兩種：（1）添加稀土元素或微合金元素來影響碳化物形核從而改善碳化物形貌。（2）通過冶金工藝和后續(xù)處理來控制碳化物。盡管兩種方法都可以對工模具鋼中的碳化物進(jìn)行有效地控制，但在實際應(yīng)用上仍存在著一些問題與爭議。稀土元素或微合金化對碳化物的調(diào)控作用機(jī)制尚不明確，稀土元素或微合金化元素添加量的確定也是一個挑戰(zhàn)。此外，合理的冷卻速度，合適的電磁攪拌成本問題，以及機(jī)械攪拌的轉(zhuǎn)速，熱加工及熱處理工藝參數(shù)的設(shè)定都是目前需要解決的問題。

為了闡述和解決上述問題，本文中總結(jié)了不同種類鋼中碳化物的析出溫度、類型以及碳化物的形成機(jī)理，討論了不同的改善方法及其對工模具鋼中碳化物的影響效果，提出了目前對于工模具鋼碳化物形成機(jī)理和控制方法仍需要繼續(xù)探索和研究的問題。

 

1 碳化物的類型、析出溫度

碳化物是指碳與電負(fù)性比它小的或者相近的元素（除氫外）所生成的二元化合物。在鋼中，一部分碳元素進(jìn)入基體起固溶強(qiáng)化作用，另一部分將與合金元素結(jié)合形成碳化物。工模具鋼中碳化物的形成元素一般為過渡區(qū)元素，且其電子結(jié)構(gòu)D層未填滿程度強(qiáng)于鐵，如Si、Al、Cu等幾乎不會形成合金碳化物。鋼中碳化物可細(xì)分為一次碳化物與二次碳化物兩大類別，一次碳化物，亦稱“初生碳化物”，主要由MC、M2C、M6C等類型構(gòu)成。而二次碳化物則是在凝固過程結(jié)束后于冷卻階段從固相基體中逐漸析出的合金化合物，其種類更為豐富，涵蓋了MC、M2C、M6C、M7C3、M23C6等多種形態(tài)。工模具鋼中主要的碳化物類型及其結(jié)構(gòu)如表1所列。

表 1 工模具鋼中主要的碳化物類型及其結(jié)構(gòu)特征
Table 1 Main carbide types and structural characteristics in tool steel and die steel

在明確工模具鋼中碳化物類型及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步關(guān)注析出溫度的差異。幾種常見鋼中碳化物的析出溫度如表2所列。 

表 2 不同鋼中碳化物的析出溫度
Table 2 Precipitation temperatures of carbide in different steel species

 

碳化物類型	Cr12MoV(銅[2])		PM60高速鋼[2]			H13熱作模具鋼[2]
	M?C?	M??C?	MC	M?C	M??C?	M?C	MC	M?C?
主要化學(xué)成分	(Cr,Fe)?C?	VC、NbC、TiC	Fe?W?C、Fe?Mo?C	(Cr,Fe)??C?	(Mo,W)?C	VC	Cr?C?
開始析出溫度/℃	1 263	708	1 438	1 249	1 060	830	1 130	1 050

由于工模具鋼的成分復(fù)雜，不同的合金元素會與碳結(jié)合形成不同類型的碳化物。不同類型的碳化物在硬度、強(qiáng)度、韌性等方面發(fā)揮著不同的作用，高硬度的碳化物可以使工模具鋼在使用過程中保持較好的形狀和尺寸精度。細(xì)小且均勻分布的碳化物能夠阻礙位錯運(yùn)動，增加鋼的屈服強(qiáng)度。因此在后續(xù)的熱加工、熱處理過程中要根據(jù)碳化物的特性來制定工藝參數(shù)。

 

2 碳化物的形成機(jī)理

碳化物是決定工模具鋼硬度和強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一，了解其形成機(jī)理有助于精確控制碳化物的類型、數(shù)量、尺寸和分布，從而使工模具鋼獲得所需的高硬度和高強(qiáng)度。通過研究碳化物的形成機(jī)理，可以優(yōu)化材料的性能，控制合金元素的添加量以及熔煉溫度、時間等參數(shù)，優(yōu)化鑄造工藝，為進(jìn)一步優(yōu)化工模具鋼性能提供基礎(chǔ)。

2.1 片層狀碳化物的形成機(jī)理

片層狀碳化物通常指具有層狀結(jié)構(gòu)的金屬碳化物，金屬和碳原子按一定比例排列。以M2C型碳化物為例，在釩質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高或冷卻速率較慢時容易形成片層狀的M2C型碳化物。隨著凝固的進(jìn)行，奧氏體液相獲得足夠的形核驅(qū)動力，M2C開始形核并與奧氏體交替結(jié)晶，最終形成穩(wěn)定的片層狀共晶碳化物。這種交替結(jié)晶的過程雖然復(fù)雜，但最終形成的共晶碳化物具有優(yōu)異的性能和穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)。片層狀碳化物生長示意圖如圖1所示。

2.2 彎曲短棒狀碳化物的形成機(jī)理

在凝固過程中，彎曲棒狀碳化物的形成受競相生長機(jī)制影響，界面前沿會形成溶質(zhì)富集區(qū)，難以橫向遷移，只能縱向擴(kuò)散?？焖倮鋮s加劇界面前沿的成分過冷，促使奧氏體過度生長并引發(fā)界面失穩(wěn)，改變碳化物生長狀態(tài)。隨著冷卻速率增加，凝固過冷度增大，溶質(zhì)元素擴(kuò)散時間減少，奧氏體前沿的溶質(zhì)元素富集，增加奧氏體成分過冷，推動奧氏體生長。例如，M2C因為缺少晶核長大所需要的溶質(zhì)元素而使自身的生長受到限制，為了獲得這些溶質(zhì)元素，自身生長狀態(tài)發(fā)生彎曲，最終形成彎曲短棒狀碳化物，如圖2所示。

2.3 空心棒狀碳化物的形成機(jī)理

典型的空心棒狀碳化物是M7C3型碳化物，具有復(fù)雜的六方晶體結(jié)構(gòu)，主要金屬元素為Cr和Fe，易在含碳量高的鋼中產(chǎn)生。定向凝固過程中，初生的M7C3碳化物展現(xiàn)出獨(dú)特的中空六方結(jié)構(gòu)。隨著冷卻速率的提升，這一結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦?guī)則的對稱六方形態(tài)。且碳化物生長區(qū)域的端面可見臺階狀溝壑，這些特征進(jìn)一步豐富了M7C3碳化物的微觀形貌。M7C3碳化物空心結(jié)構(gòu)的形成是由于冷卻速度加快時碳化物體積收縮，未充分發(fā)展的空洞被奧氏體填充所致。李磊基結(jié)合CALPHAD熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫建立了Fe-Cr-C三元合金相場模型，所提出的相場方法可以很好的再現(xiàn)M7C3碳化物微觀形貌的演變?？招陌魻钐蓟锏纳L過程如圖3所示。

2.4 樹狀碳化物的形成機(jī)理

在部分高合金鋼的凝固進(jìn)程中，合金元素的介入引起了顯著的成分過冷現(xiàn)象，較慢的擴(kuò)散速率使碳化物傾向于樹狀形態(tài)的生長。隨著凝固的進(jìn)行，H13鋼中一次碳化物析出并生長，Cr、Mo、Ti、V和C從固相轉(zhuǎn)移到鋼液中。在達(dá)到成核條件時，Ti、C和S沉淀形成Ti4C2S2，其隨后發(fā)展成魚骨狀結(jié)構(gòu)。隨著溫度的降低，富Mo碳化物開始獨(dú)立或部分析出，以Ti4C2S2為形核核心。同時，富V碳化物以Al2O3夾雜物和Ti4C2S2為形核核心析出。在冷卻過程結(jié)束時，Ti4C2S2相轉(zhuǎn)化為富Ti-V的樹狀碳化物，見圖4。

國內(nèi)外學(xué)者對工模具鋼碳化物形成機(jī)理的研究已初步取得成果。研究表明，鋼的化學(xué)成分會影響鋼中碳化物的形成。例如，CrWMn鋼在冶金過程中碳化物偏析較嚴(yán)重，熱加工時容易形成網(wǎng)狀碳化物，導(dǎo)致韌性較差。Cr12MoV鋼鑄坯中主要為富鉻富鐵的M7C3型碳化物和M23C6型碳化物，前者中含有鉻、鐵、碳、鉬等。還有研究表明，Cr含量較高的鋼中M23C6碳化物的相對數(shù)量較多且形狀較細(xì)。此外，加熱溫度和保溫時間對碳化物的形成也有影響。在高溫加熱過程中，Cr12Mo1V1冷作模具鋼的碳化物將發(fā)生溶解及形狀的改變。隨著加熱溫度升高，大顆粒碳化物含量逐漸減少，小顆粒碳化物含量逐漸增大，碳化物產(chǎn)生細(xì)化效果。

研究碳化物的形成機(jī)理對初生碳化物的特征控制具有重要意義，明確碳化物的形成機(jī)理以期通過冶金過程的調(diào)控來精確控制碳化物的特征。目前，相場模擬是闡明碳化物形成機(jī)理的有效手段，但其結(jié)果受到計算機(jī)能力、維數(shù)、元素的數(shù)量、凝固參數(shù)的缺乏等限制，需要結(jié)合物理實驗明晰形成機(jī)理。采用模擬結(jié)果結(jié)合實驗驗證的手段，有望系統(tǒng)展示碳化物生長和粗化過程中微觀組織的演變。

 

3 碳化物的控制方法

碳化物特征取決于固-液界面處的溫度梯度、溶質(zhì)元素濃度和冷卻速度等凝固條件，即界面凝固條件決定了碳化物的生長機(jī)制和最終特征。在凝固前沿元素發(fā)生偏析會導(dǎo)致鋼中出現(xiàn)液析碳化物，因此，在凝固過程中可以控制碳化物的生成、尺寸、數(shù)量及分布。國內(nèi)外冶金學(xué)者調(diào)控工模具鋼中碳化物的具體方法如下。

3.1 添加微合金化元素或孕育劑

微合金化元素的添加能有效地改善碳化物的尺寸和分布，提高力學(xué)性能。孕育處理是指在凝固過程中，向液態(tài)金屬中添加少量其它物質(zhì)，促進(jìn)形核、抑制生長，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。

Nb作為對C具有極高親和力的元素，已經(jīng)在微合金化技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。遲宏宵提出Nb提高M(jìn)C共晶碳化物的析出溫度，還可以改變MC碳化物的類型。隨著Nb含量的增加，MC碳化物數(shù)量增加，M7C3碳化物數(shù)量減少（見圖5），含有4%V和1.5%Nb的合金在高轉(zhuǎn)速下鑄造具有最均勻的碳化物顯微組織。Mg可以改變鋼中碳化物形態(tài)，使其由條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罨蚪驙?，?xì)化退火態(tài)碳化物。Xu等將微量Mg添加到H13鋼中發(fā)現(xiàn)在Al2O3·MgO尖晶石上形成了大量的初生碳化物，表明Mg有利于初生碳化物的異質(zhì)形核。Gong等的研究表明隨著Mg含量的增加，一次碳化物逐漸分散、尺寸減小、數(shù)量增加，Mg處理可以使初級碳化物得到有效細(xì)化和均勻分散，如圖6所示。

 

鈦是一種強(qiáng)碳化物形成元素，能有效地改善碳化物偏析，細(xì)化共晶碳化物，并且降低碳化物的體積分?jǐn)?shù)。盧茂勇等提出添加Ti元素后，試驗鋼的MC型碳化物更細(xì)小，分布更密集，熱穩(wěn)定性更好。吳曉春及Yoshida提出Ti元素的添加增加了高溫穩(wěn)定性碳化物的數(shù)量，起到了細(xì)化奧氏體晶粒的作用，從而提高鋼的高溫性能。與單一碳化物相比，Ti、Mo復(fù)合碳化物(Ti,Mo)C可以保持納米尺寸，熱穩(wěn)定性更優(yōu)異。王永健等利用JMatPro軟件模擬計算了添加不同Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)的H13鋼碳化物控制情況，結(jié)果表明添加Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.600%以下的H13Ti鋼，淬回火后得到的碳化物細(xì)小，對H13Ti鋼強(qiáng)度和硬度的提高有積極作用。

稀土元素可使模具鋼的萊氏體及共晶碳化物形態(tài)更加圓潤。吉宏斌指出在添加La后，42CrMo鋼的力學(xué)性能有所提高，稀土鋼塑性的提高得益于La對晶粒和碳化物的細(xì)化以及碳化物和基體界面柔韌性的提高。Fu等提出稀土Ce可以使高速鋼中長條狀的一次碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)槎绦〉陌魻钐蓟?。稀土變質(zhì)處理可以改善一次碳化物的形貌，并細(xì)化一次碳化物。稀土元素可以降低H13鋼中的一次碳化物偏析，Xu等研究了稀土調(diào)質(zhì)后鋼的顯微組織和力學(xué)性能的變化，表明稀土有利于細(xì)化馬氏體尺寸、球化碳化物、提高材料塑性。目前稀土對碳化物偏析改善的微合金化機(jī)理主要有以下三種：第一，稀土元素易在晶界偏析，改善晶界形核條件，促進(jìn)了新相形核;第二，稀土夾雜物提供了一次碳化物異相形核的核心；第三，稀土元素降低了碳化物和基體之間的界面能。

通過添加微合金化元素或孕育劑的方法調(diào)控工模具鋼中的碳化物已成為目前研究的熱點(diǎn)，微合金化元素的添加能夠有效地改善工模具鋼的力學(xué)性能和耐磨性，主要通過固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的機(jī)制，促進(jìn)細(xì)小且均勻的碳化物形成。但合金元素的加入量目前沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，不同添加量會導(dǎo)致不同的結(jié)果。由于實驗條件不相同，不同研究者提出的微合金化元素的最佳加入量臨界值存在顯著差異，這一方法仍處于實驗研究階段，由于效果的不穩(wěn)定性，其可靠性還需要進(jìn)一步驗證。未來的研究應(yīng)著重于合金元素的成分優(yōu)化、新型合金元素的探索以及添加量的規(guī)范。目前，在已有文獻(xiàn)的報道中，有關(guān)影響機(jī)制可歸結(jié)為：

（1）稀土元素會在晶界處發(fā)生偏析現(xiàn)象，這一過程有效提升了過冷度，進(jìn)而促進(jìn)了新相的形核以及枝晶的搭橋效應(yīng)，最終實現(xiàn)組織和碳化物的細(xì)化；

（2）添加稀土元素將促進(jìn)稀土夾雜物的形成，這些新生成的稀土夾雜物作為凝固過程中的固相形核核心，有效地細(xì)化了凝固組織；

（3）添加稀土元素可以有效減少C、Cr、Mo、V 等的偏析現(xiàn)象，進(jìn)而推遲一次碳化物的析出時間，實現(xiàn)一次碳化物結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)；

（4）添加稀土元素可以有效降低碳化物與基體間的各向異性界面能，促使條狀碳化物逐步演變?yōu)辄c(diǎn)狀結(jié)構(gòu)。稀土元素在鋼中的溶解度相對較低，精確控制這些元素在鋼中的分布，以防止引發(fā)新的性能問題，是目前我們面臨的主要挑戰(zhàn)。同時，稀土元素在工模具鋼中的長期穩(wěn)定性和作用機(jī)制仍需進(jìn)一步深入研究。

3.2 提高冷卻速率

已有研究表明，在鑄錠凝固過程中，提高冷卻速率可以顯著細(xì)化晶粒，改善碳化物尺寸和形貌、降低鑄錠產(chǎn)生裂紋、縮孔等缺陷。Zhou和李閃閃等指出，提高冷卻速率會明顯改善碳化物的分布、尺寸以及形貌，達(dá)到細(xì)晶粒的目的。初偉等研究表明，提高冷卻速率可以促使M42高速鋼中的碳化物由層片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻?、粒狀，改善偏析程度，均勻尺寸。鄢宇燦等提出提高液態(tài)金屬凝固速率可以減少二次枝晶間距，減小合金原子的擴(kuò)散速率，從減弱液相凝固過程中合金元素的聚集細(xì)化合金碳化物的尺寸。劉峻辰等的研究表明：冷卻速率可以影響碳化物的生長時間、尺寸和數(shù)量，但不會影響碳化物的類型；同時。還提出D2冷作模具鋼在熱加工過程中碳化物的斷裂與變形溫度，變形量和應(yīng)變速率的關(guān)系可表述為：

式中：為鍛造應(yīng)變速率；R為氣體常數(shù)，8.314J/(mol-1?K-1)；T 為溫度，K Choudhary 等研究了鋼水凝固過程冷卻速率對夾雜物成分的影響，并利用測量軟件和熱力學(xué)軟件擬合出冷卻速率與碳化物內(nèi)部網(wǎng)距的函數(shù)關(guān)系式為：

式中：Rc為冷卻速率，K/s；C0 為鋼中碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

 

利用（IPP）圖像軟件測定了不同冷速下D2冷作模具鋼中碳化物的相面積，得到碳化物相面積與體積占比隨冷卻速度變化關(guān)系，如圖7所示。結(jié)果表明,當(dāng)冷卻速率為4℃/s 時，碳化物相面積增加趨勢變緩，提高凝固過程的冷卻速率可以增加基質(zhì)中的相變驅(qū)動力，形核率的提高使得鋼中奧氏體組織晶粒間距得到細(xì)化并抑制碳化物的增長，最終導(dǎo)致碳化物的尺寸減小、相面積增加，呈均勻彌散分布形態(tài)。

提高冷卻速率可以細(xì)化碳化物顆粒，進(jìn)而抑制碳化物在特定區(qū)域的聚集，達(dá)到提高材料的韌性和硬度的目的。在工模具鋼凝固過程中，冷卻速率的提高會增加過冷度，鑄錠凝固所需時間逐漸縮短，同時鑄錠內(nèi)部二次枝晶間距也會減小。

隨著冷卻速率的提高，形核后碳化物的生長時間變短，最終會形成尺寸較小、數(shù)量較多且沿冷卻方向均勻分布的碳化物形態(tài)。但過高的冷卻速率容易導(dǎo)致鋼材內(nèi)部殘余應(yīng)力的積累，可能引發(fā)材料的變形或開裂,積累影響最終的尺寸精度和使用性能。為解決上述問題可以發(fā)展多段冷卻技術(shù)，先進(jìn)行快速冷卻細(xì)化碳化物，隨后在低溫下進(jìn)行緩慢冷卻，通過精確調(diào)節(jié)冷卻速率，可以實現(xiàn)碳化物顆粒度的細(xì)化和均勻分布，從而提高材料的力學(xué)性能、降低殘余應(yīng)力并增強(qiáng)耐磨性。

3.3 機(jī)械攪拌和電磁攪拌

在工模具鋼的生產(chǎn)中，機(jī)械攪拌和電磁攪拌在工模具鋼的生產(chǎn)中均能顯著影響碳化物的析出行為。機(jī)械攪拌通過增強(qiáng)均勻性、細(xì)化碳化物顆粒以及改善氣泡去除等方式，促進(jìn)碳化物的均勻析出。電磁攪拌則通過非接觸攪拌、提高流動性和調(diào)節(jié)相變行為等方式，進(jìn)一步優(yōu)化碳化物的分布和特性。鄧南陽提出結(jié)晶器的旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致金屬熔池深度減低、兩相區(qū)收窄，改善了凝固條件，減輕了元素偏析，使碳化物得到細(xì)化。Chumanov在電渣重熔過程中采用旋轉(zhuǎn)電極的方法改善碳化物，使碳化物從層狀和骨架形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻?。Chang 等提出低頻重熔電渣錠中碳化物的形貌更為規(guī)則，顆粒圓度更高。劉海明等采用自制的電磁離心鑄造機(jī)研究不同轉(zhuǎn)速下碳化物的特征，結(jié)果表明電磁攪拌技術(shù)有助于改善碳化物的大小和分布。Li 和Fu 等采用電磁連鑄以及電磁攪拌離心鑄造法的方法制備出了高速鋼復(fù)合軋輥的鑄坯，鑄坯內(nèi)部的共晶碳化物尺寸細(xì)小，呈迷宮狀，短條狀和顆粒狀。林鴻亮等運(yùn)用熱力學(xué)計算和實驗室模擬冷卻組織觀察的方法研究了Mn13鋼冷卻過程中碳化物的析出行為，結(jié)果表明電磁攪拌工藝有助于改善Mn13鋼鑄坯中心偏析問題，減輕連鑄過程中碳化物的析出。Ma 等為了研究靜磁場在電渣重熔大型H13鋼生產(chǎn)的優(yōu)勢，對H13鋼的碳化物進(jìn)行了分析。

結(jié)果表明，施加軸向靜磁場后，碳化物的面積分?jǐn)?shù)和尺寸減小，C、Mo、V 和Cr元素的偏析率降低。

綜上所述，機(jī)械攪拌和電磁攪拌可以有效地改變碳化物分布及微觀形貌，需要注意的是控制機(jī)械攪拌的轉(zhuǎn)速，不合理的轉(zhuǎn)速可能會造成碳化物粒子之間的碰撞和聚集，形成較大的團(tuán)塊，進(jìn)而降低鋼材的質(zhì)量。電磁攪拌過程是在沒有接觸的情況下實現(xiàn)攪拌，可以準(zhǔn)確控制攪拌的轉(zhuǎn)速和時間，從而提高攪拌效率。但目前電磁攪拌技術(shù)的成本較高，設(shè)備維護(hù)難度較大，錯誤的攪拌方法還會造成鋼錠徑向成分不均勻，嚴(yán)重時出現(xiàn)環(huán)狀偏析現(xiàn)象。未來可通過優(yōu)化電磁設(shè)備的設(shè)計，采用新型的電磁材料和控制技術(shù)來降低成本，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，結(jié)合熱處理和熱機(jī)械處理技術(shù)，進(jìn)一步細(xì)化碳化物。著重于開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)控制的攪拌裝置，實現(xiàn)對局部區(qū)域碳化物的精準(zhǔn)控制，改善關(guān)鍵部位的碳化物結(jié)構(gòu)，提高鋼的壽命和性能。

3.4 熱加工及熱處理

合理的熱加工和熱處理工藝可以有效調(diào)控工模具鋼中的碳化物析出行為。熱加工變形能夠?qū)Ω咚黉摰墓簿R氏體網(wǎng)格進(jìn)行破碎和分解，達(dá)到減少疏松的目的，熱處理則能直接改變工模具鋼的組織和性能。在生產(chǎn)過程中，鋼中部分尺寸粗大的共晶碳化物常采用鍛造工藝來進(jìn)行加工。其中，多向鍛造對高合金馬氏體鋼中合金碳化物特征的調(diào)控效果明顯，其采用控制加熱溫度、變形比、應(yīng)變速度等手段，可將合金碳化物細(xì)化、分散，從而提升材料韌性。Liu等研究了熱加工鍛造過程中不同加熱溫度對碳化物的影響，實驗結(jié)果表明，隨著熱加工溫度的升高，碳化物斷裂程度明顯增加（見圖8）。

Liu等的研究表明，鍛造可以使靠近晶界的碳化物網(wǎng)絡(luò)被打破并沿一定方向分布，而熱軋會使碳化物細(xì)化，鍛造和熱軋后的鋼錠顯微組織如圖9所示。在熱加工鍛造過程中，最佳熱變形溫度的確定通常采用Gleeble模擬機(jī)和實驗相結(jié)合的方式，通過分析調(diào)整工藝以獲得均勻細(xì)小的碳化物。

合適的熱處理可以改變碳化物的尺寸、數(shù)量和分布。在退火過程中，高速鋼中M2C型碳化物也會發(fā)生分解，產(chǎn)物為M6C和MC。部分學(xué)者對比了M2高速鋼在退火前后的顯微結(jié)構(gòu)變化，觀察到M2C型碳化物在退火過程中溶解，退火后的高速鋼組織中亞穩(wěn)態(tài)M2C碳化物完全分解為M6C和MC碳化物。此外，淬火溫度和淬火保溫時間還會對碳化物分布、數(shù)量及形貌產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響熱作模具鋼的疲勞壽命。廖婷婷等的研究表明，經(jīng)過高溫回火，碳和合金元素會重新形成碳化物彌散并均勻析出，形成細(xì)小晶粒改善組織的韌性。杜思敏等對熱作模具鋼進(jìn)行1025～1080℃的淬火處理，發(fā)現(xiàn)隨著奧氏體化溫度的升高碳化物會減少，元素分布更加均勻。Ning等的實驗表明，回火后鋼錠中心和1/2半徑處的顯微組織均勻程度不同，外表面附近的顯微組織更加均勻，其實驗結(jié)果如圖10所示。

表3中列出了不同種類的鋼經(jīng)過熱處理后的結(jié)果。

表3 熱處理對不同鋼種碳化物的影響
Table 3 Effect of heat treatment on carbides in different steels

 

熱加工以及熱處理都是常用的控制鋼中碳化物的方法。在熱加工過程中，較大的變形量能夠粗大的碳化物破碎，使其分布更加均勻，從而提升鋼的韌性和強(qiáng)度。同時，合理的熱加工溫度和變形速率也助于碳化物的溶解和析出。在熱加工過程，加工溫度、變形速率和保溫時間等參數(shù)若控制不當(dāng)，容易導(dǎo)致鋼性能的不穩(wěn)定。熱處理不僅可以優(yōu)化鋼中的碳化物分布，改善其機(jī)械性能，還能使碳化物分布更為均勻，使鋼的耐磨性得以增強(qiáng)。但是，熱處理過程控制不當(dāng)會造成碳化物的偏析，進(jìn)而影響到鋼的質(zhì)量。在當(dāng)前工藝條件下，存在精確控制碳化物尺寸及形貌、實現(xiàn)熱處理與熱加工協(xié)同優(yōu)化方面的不足，需研發(fā)有效的模擬與預(yù)測工具來解決這些問題。

 

4 結(jié)語與展望

碳化物對工模具鋼的硬度、耐磨性和強(qiáng)度等性能起著關(guān)鍵作用，掌握碳化物的形成機(jī)理以及對碳化物的調(diào)控至關(guān)重要。

（1）工模具鋼中主要碳化物類型：MC、M2C、M6C、M7C3、M23C6等，其析出溫度因鋼種和合金成分不同差異明顯。

（2）采用微合金化、冷卻速率調(diào)控、機(jī)械攪拌、電磁攪拌以及熱加工與熱處理等手段可以有效地控制碳化物的分布及形態(tài)。

（3）目前，相場模型和熱力學(xué)計算已模擬出碳化物生長過程，高分辨率顯微技術(shù)為機(jī)理研究提供了支持。

關(guān)于工模具鋼中碳化物的研究仍存在一些亟待解決的問題：

(1)碳化物微觀表征技術(shù)在分辨率、檢測深度和對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的解析能力等方面均有一定的局限性，計算機(jī)模擬技術(shù)為碳化物形成過程與調(diào)控提供理論支持和預(yù)測能力，二者的緊密結(jié)合能幫助研究者更全面更深入地了解碳化物形成過程。

(2)解決微合金化元素的優(yōu)化問題，明確元素的最佳添加量，進(jìn)一步驗證復(fù)合微合金化的熱穩(wěn)定性和工業(yè)應(yīng)用效果。

(3)加強(qiáng)工藝參數(shù)的精準(zhǔn)控制，闡明冷卻速率與碳化物細(xì)化之間的平衡機(jī)制，系統(tǒng)性指導(dǎo)熱加工和熱處理的參數(shù)協(xié)同優(yōu)化問題。

(4)目前，碳化物的動態(tài)形成過程研究中，現(xiàn)有的模型與實際工藝之間的匹配度尚不充分，仍需進(jìn)一步研究突破。