铌和钇微合金化对D2冷作模具钢碳化物特性及性能优化的协同机制研究

为解决D2冷作模具钢中网状共晶碳化物导致的强韧性失衡问题，Kuo Cao团队通过Nb/Y微合金化设计，系统研究了铸态-锻轧-淬回火全流程中碳化物演变规律。研究发现NbC与M7C3晶格错配度仅0.75%，Y2O2S-Y2S3可细化NbC并间接优化M7C3形貌，最终0.8Nb+Y钢获得62.2 HRC硬度和38.3 J冲击功的优异匹配，为高寿命模具钢开发提供新策略。

　　

在汽车和家电行业广泛应用的D2冷作模具钢，长期面临一个"鱼与熊掌"的难题——高硬度与高韧性难以兼得。问题的根源在于这种钢中顽固的网状M₇C₃型共晶碳化物，就像混凝土中的钢筋骨架，虽然提供了支撑却降低了柔韧性。更麻烦的是，传统锻造工艺难以彻底打碎这些碳化物网络，最终导致模具在服役过程中出现早期断裂失效。面对这个行业痛点，来自北京科技大学的Kuo Cao研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表创新成果，通过铌(Nb)和钇(Y)的"双管齐下"微合金化策略，成功破解了这一材料学难题。

研究团队采用真空感应熔炼制备了四种不同成分的20kg钢锭，运用高温激光共聚焦显微镜(LSCM)原位观察凝固过程，结合Thermo-Calc热力学计算揭示相变规律。通过三维重构技术定量分析碳化物三维形貌，采用X射线衍射(XRD)测定残余奥氏体(RA)含量，并系统测试了硬度与冲击性能。

铸态组织特征

研究发现Nb含量增加使NbC析出温度从0.3Nb钢的1303°C升至0.8Nb钢的1356°C。高分辨透射电镜(HRTEM)显示NbC(110)与M₇C₃(010)晶面仅0.75%的错配度，证实其可作为有效异质形核核心。添加0.012%Y后，Y₂O₂S-Y₂S₃夹杂物将NbC尺寸从微米级细化至亚微米级，共晶碳化物体积分数从11.3%降至8.6%。

锻轧退火演变

热锻后0.8Nb+Y钢的共晶碳化物形状因子K值达0.7524，较基础钢提升50%。Nb通过降低碳扩散系数抑制二次碳化物长大，而Y促进其球化，使退火态二次碳化物平均长度从0.9μm降至0.4μm。

淬回火性能突破

最终热处理后，0.8Nb+Y钢展现出最优异的综合性能：晶粒尺寸(4.8μm)和二次碳化物尺寸(0.4μm)最小，残余奥氏体体积分数仅4.83%。其硬度(62.2 HRC)和冲击功(38.3 J)的完美匹配，源于三大机制协同作用：Y细化NbC带来的"二级细化"效应、Nb降低碳活度减少RA含量、均匀分布的纳米级M₂₃C₆二次硬化相。

这项研究不仅阐明了稀土Y通过"夹杂物工程"调控碳化物形核的新机制，更建立了多尺度微结构协同强韧化模型。相比传统工艺，0.8Nb+Y钢的冲击韧性提升44%，为开发新一代长寿命冷作模具提供了可工业化的成分设计方案。特别值得注意的是，研究中发现的Y₂O₂S-Y₂S₃/NbC/M₇C₃三相异质形核结构，为其他高合金钢的碳化物控制提供了普适性思路。该成果的产业化应用，有望显著降低模具更换频率，带来显著的经济效益。