Cr12MoV冷作模具钢的复合剪切流铸造：微观组织细化、遗传性控制与力学性能增强

《Journal of Materials Research and Technology》：Compound shear-flow casting of Cr12MoV cold-work die steel: Microstructural refinement, inheritance control and mechanical enhancement

　　

高碳高铬冷作模具钢受到传统重力铸造产生的有害微观组织遗传的强烈影响，包括粗大柱状晶、元素偏析以及连续网状共晶碳化物。在这项工作中，研究人员提出了复合剪切流铸造（CSFC）作为一种凝固控制策略，以调控Cr12MoV钢的铸态组织并减轻这些遗传缺陷。研究人员将CSFC处理钢的热-流场、凝固宏观组织、共晶碳化物分布、热处理态显微组织和力学性能与传统重力铸造（TGC）钢进行了系统比较。计算流体力学（CFD）模拟表明，CSFC将熔体流动从热驱动的自然对流转变为机械驱动的强制对流，从而降低残余过热度、压缩热边界层并使温度场均匀化。因此，经典的激冷-柱状-等轴三区结构在很大程度上被抑制：中心等轴晶区比例从28.4%增加到77.19%，而柱状晶区比例从68.25%降低到16.9%。电子背散射衍射（EBSD）和光学显微镜证实，CSFC细化了径向晶粒组织，并将粗大的网状或鱼骨状共晶碳化物转变为更细小、更弥散的碳化物组分。在相同的锻造和热处理后，CSFC钢保留了这些微观组织优势，形成更细小的回火马氏体组织，其中含有细化的未溶碳化物和更小的原奥氏体晶粒。相应地，其冲击吸收能和抗弯强度达到17.28 ± 0.37 J和2038 ± 7.97 MPa，分别提高了29.5%和5.5%。这些结果表明，CSFC有效抑制了有害的微观组织遗传，并为生产高性能Cr12MoV冷作模具钢提供了一条有前景的途径。

**论文解读：复合剪切流铸造对Cr12MoV冷作模具钢微观组织调控与力学性能提升**

**一、研究背景与目的**

冷作模具钢是先进制造中金属塑性成形不可或缺的工具材料，高碳高铬系的Cr12MoV钢因其高硬度、高耐磨性而被广泛应用于冲裁模、冷挤压模等。然而，此类钢在传统重力铸造（TGC）条件下极易形成粗大柱状晶、合金元素偏析以及连续网状共晶碳化物等铸态缺陷。这些缺陷具有显著的微观组织遗传性，即使经过充分锻造变形和高温奥氏体化处理，也难以被完全破碎和球化，最终导致冲击韧性各向异性、耐磨性不均以及疲劳裂纹的过早萌生，限制了模具服役寿命。以往研究多集中于合金设计、热处理工艺优化或电磁搅拌、超声振动、离心铸造等外场调控手段，但这些方法往往存在成本高、尺寸受限或放大困难等问题，且对凝固阶段铸态组织的主动调控关注不足。因此，研究者提出复合剪切流铸造（CSFC）作为一种基于凝固过程控制的直接成形策略，通过轨道公转与自转的耦合作用产生行星齿轮式复合剪切流，旨在主动调控Cr12MoV钢的凝固组织，抑制有害遗传，从而实现强度与韧性的协同提升。该研究成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

**二、主要研究技术与方法**

研究人员采用ANSYS Fluent商业软件建立二维轴对称热-流场模型，并将铸锭简化为直径240 mm、高340 mm的圆柱区域，通过移动参考系法施加公转与自转复合运动，对凝固过程中的流动、传热和相变进行模拟。实验在自研真空熔炼装置上完成，制备了名义成分为Fe-1.50C-0.30Si-0.30Mn-12.00Cr-0.30Ni-0.60Mo-0.30V（wt.%）的TGC与CSFC铸锭，其中CSFC的轨道角速度设为-2.2619 rad/s，自转角速度设为1.6965 rad/s。表征手段包括热酸浸蚀宏观组织观察、光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和超高温激光扫描共聚焦显微镜原位凝固观察。力学性能通过三点弯曲和夏比冲击试验评价，冲击试样采用无缺口10 mm×10 mm×55 mm标准，所有试样均取自铸锭中部规定位置。

**三、研究结果**

**3.1 基于CFD的热-流场分析**
CFD模拟显示，TGC条件下熔体流动为自然对流，径向温度梯度大，铸锭中心区域残余过热度高，形成明显的轴向热分层；而CSFC通过外部机械剪切将对流模式转变为强制对流，显著增强了熔体内部的热交换与温度均匀化。在凝固100 s时，CSFC铸锭径向最大温差仅为23 °C，热边界层被压缩，径向温度梯度大幅降低，从而削弱了柱状晶定向生长的热力学条件。

**3.2 CSFC对激冷-柱状-等轴凝固结构的影响**
**3.2.1 宏观三区组织**
宏观腐蚀结果显示，TGC铸锭呈现典型的激冷-柱状-等轴三区结构，柱状晶区占截面面积的68.25%，中心等轴晶区仅占28.4%。CSFC铸锭中柱状晶区比例降至16.9%，中心等轴晶区增至77.19%，说明复合剪切流有效抑制了柱状晶的径向延伸，促进了等轴凝固。

**3.2.2 径向晶粒演变**
EBSD径向图谱表明，TGC铸锭表面激冷层约0–2 mm，柱状晶区延伸至约56 mm，中心粗大等轴晶平均尺寸在436–532 μm之间波动；CSFC铸锭激冷层扩展至约0–4 mm，柱状晶区被压缩至4–15 mm，中心等轴晶平均尺寸稳定在约120 μm，且晶粒取向更加多向、无序。该结果与CFD预测的强制对流和温度均匀化趋势一致。

**3.3 CSFC对共晶碳化物形成和分布的影响**
**3.3.1 共晶碳化物析出**
Thermo-Calc计算表明，Cr12MoV钢凝固时主要析出M₇C₃型共晶碳化物，M₂₃C₆则主要在后继固态冷却或回火中形成。原位激光共聚焦显微镜观察显示，共晶碳化物优先在奥氏体枝晶边界异质形核，随后以鱼骨状或树枝状形态向周围基体生长。

**3.3.2 共晶碳化物分布：TGC与CSFC对比**
光学显微组织分析显示，TGC铸锭中心区域存在大量连续网状和鱼骨状共晶碳化物，并在径向呈明显不均匀分布；CSFC铸锭中这类粗大连续碳化物被消除，碳化物以细小、弥散的形态沿等轴晶界分布。定量统计表明，碳化物面积分数由TGC的12.50%–31.89%降至CSFC的2.26%–15.63%，平均等效直径由9.62–19.85 μm降至6.23–13.06 μm。

**3.4 热处理态显微组织与力学性能**
两种铸锭经相同锻造（锻造比2.5，三镦三拔）和热处理（880 °C退火、1010 °C淬火、210 °C回火）后，CSFC钢仍保留更细小的回火马氏体组织。未溶碳化物平均等效直径由TGC的0.346 μm降至0.224 μm，标准差从0.166 μm缩小至0.096 μm；原奥氏体晶粒平均尺寸由17.17 μm降至6.41 μm，细化约62.7%。力学性能测试显示，CSFC钢的冲击吸收能为17.28 ± 0.37 J，抗弯强度为2038 ± 7.97 MPa，较TGC钢分别提高了29.5%和5.5%。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，CSFC通过强制对流显著促进凝固前沿的热和溶质传输，一方面降低温度梯度、抑制柱状晶定向生长，另一方面通过剪切诱导的枝晶碎片和颗粒弥散增加异质形核位点，从而细化晶粒并改善共晶碳化物分布的均匀性。这种细小的初始组织在后续锻造和热处理过程中通过Zener钉扎效应抑制奥氏体晶粒粗化，并促进碳化物快速、均匀溶解，最终形成更细的马氏体板条和未溶碳化物，有效降低了应力集中并阻碍裂纹扩展。研究结论可概括为：（1）CSFC将主导熔体流动从自然对流转变为强制对流，降低过热度与径向温度梯度，使柱状晶区面积由68.25%降至16.9%，等轴晶区由28.4%增至77.19%；（2）CSFC显著细化和均匀化共晶碳化物，抑制了TGC条件下出现的粗大网状和鱼骨状碳化物；（3）CSFC的凝固组织优势在后续加工中得以保留，使冲击吸收能和抗弯强度分别提升29.5%和5.5%，从而有效改善了Cr12MoV钢的强度-韧性平衡。该研究为高性能冷作模具钢的凝固组织调控与工业应用提供了新途径。