工模具钢中镁细化碳化物机理及电渣重熔过程控镁机制研究

At present, both common steel production scale and quality in China has reached a higher level. But in special steel, especially tool and die steels fields, there is still a big disparity compared with the developed countries. One important reason for this is carbide problem in steel. The domestic tool and die steel have a uneven distribution of carbide, coarse carbide particles and other shortcomings which greatly reduces the life of the tool. Based on the above reasons, the project proposes to use magnesium to refine the carbide in steel. Through adding to proper amount of magnesium in steel, carbide in steel can become smaller and uniformer. At the same time, the mechanism of the carbide refinement by magnesium would be studied and the kinetic model for the nucleation and growth of carbide would be established. However, the prerequisite of magnesium refining carbide is that magnesium can be distributed in steel evenly. Therefore, the overwhelming majority of tool and die steel are refined by electroslag remelting（ESR） and magnesium is oxidated severely afer ESR which has nothing to do with refinement of carbide. The project proposes to control magnesium content in steel by utilizing electrochemical effect during ESR, namely through the electrolysis of magnesium compounds in the slag bath, and magnesium can be distributed in ingot evenly which can resolve problems of magnesium burning loss during electroslag remelting process. Through this project, the basic theory of composition design and metallurgy for the magnesium bearing tool-die steel can be established.

目前我国普钢生产不论是规模还是质量，都达到了一个较高的水平。但是在具有高附加值的工模具钢领域，与国外相比还有很大差距,重要原因之一就是工模具钢中的碳化物问题。国产的工模具钢存在碳化物分布不均、颗粒粗大等缺点，严重影响工（模）具的使用寿命。基于以上原因，本项目提出采用镁细化碳化物的新思路。通过在工模具钢中添加微量的镁，使钢中的碳化物更加细小、均匀，并研究镁细化碳化物的机理，建立起镁作用下碳化物形核、长大的动力学模型。而镁细化碳化物的重要前提之一就是镁首先能均匀分布在钢中。但是绝大多数工模具钢都经过电渣重熔精炼，而含镁钢经过电渣重熔以后，镁会大量烧损，起不到细化碳化物的效果。本项目提出利用电渣过程的电化学效应控镁的新思路，即通过对渣中部分含镁化合物的电解，使镁均匀的分布在钢中，可解决含镁钢电渣重熔过程中镁大量烧损的难题。通过本项目的研究，可形成含镁工模具钢成分设计和冶炼加工的基础理论体系。

项目按照任务书的要求，顺利完成了任务书所规定的各项研究任务。通过本项目的研究，发表学术论文14篇，授权发明专利2项。培养硕士研究生3名，本科生8名。项目经费合理使用，略有结余。具体研究结果如下。.（1）H13钢中加入微量的镁之后，可降低合金元素偏析，打断组织中的网状碳化物，使其均匀细小的分布在组织中。镁细化H13钢中的碳化物有一个含量范围，在这个范围内随着镁含量的增加，碳化物的细化程度就越高，但是当达到一定程度之后随着镁含量的加入，其对碳化物细化效果变差，直至最后细化效果消失。.（2）镁、稀土处理均能细化M2高速钢的凝固组织。加入镁以后，二次枝晶间距最大减小17%，碳化物面积占比减小32.9%。镁虽然不改变高速钢中碳化物的类型，但是能促进MC向M2C转化。加入稀土以后，二次枝晶间距最大减小14.7%，碳化物面积占比减小30.3%。.（3）通过向GCr15钢中添加镁发现，铸态组织中的液析碳化物数量、最大尺寸、平均最大尺寸均随镁含量提高先减少后增加。未添加镁时，液析碳化物呈大块状析出，加镁后仍以块状为主，但尺寸更细小。.（4）微量镁细化碳化物的主要原因在于：镁原子向晶界或相界偏聚阻碍C、Cr等元素的扩散，从而使碳化物的长大受到抑制；同时添加镁形成的大量细小的含镁夹杂物可以诱导碳化物析出，将有可能聚集长大的碳化物弥散，也起到细化碳化物的效果。.（5）镁-稀土复合处理也可以细化钢中的夹杂物。稀土–镁复合处理轴承钢后，钢中的夹杂物明显得到细化。当钢中镁含量不变时，随着稀土含量的增加，大颗粒夹杂物比例明显下降。而在稀土含量相近的情况下，增加钢中的镁含量也有利于大颗粒夹杂物的去除。.（6）通过高温电渣重熔实验，研究了通过重熔渣系向钢液供镁的可能性，发现采用含20%MgO以上的渣系电渣重熔，并添加适当的脱氧剂后，即使自耗电极不含Mg，也可使渣中的MgO向钢液中传递Mg；且随电渣锭中Mg含量增加，夹杂物数量逐渐减少、直径减小。