特殊钢在国民经济和军事工业中占有极其重要的地位,我国特殊钢的生产水平与发达国家相比,还有很大的差距,特别是高品质特殊钢,严重依赖进口。D2模具钢和300M超高强度钢作为典型特殊钢品种,在高端装备制造中发挥着重要的作用,但国产的D2钢和300M钢与国际先进水平相比还具有一定差距,性能和使用寿命较低。采用稀土镧和镁处理是提高特殊钢性能和使用寿命的有效方法之一,本课题首先选取D2钢为研究对象,系统地研究了镁对夹杂物、碳化物和性能的影响,其次选取300M钢作为研究对象,系统地研究了稀土镧和镁对洁净度和力学性能的影响。首先,对镁在D2钢和300M钢中的溶解,以及镁在D2钢中、稀土镧和镁在300M钢中的脱氧脱硫以及夹杂物变性处理过程进行了热力学分析。结果表明,熔炼温度升高,镁在钢中的溶解度降低,合金元素含量影响镁在钢中的溶解,镁在300M钢中的溶解度高于镁在D2钢中的溶解度。另外,稀土镧和镁具有很强的脱氧脱硫能力,且镧的脱硫能力远远优于镁的脱硫能力,较低的熔炼温度和较低的氧含量有利于镧和镁脱硫。微量的镧和镁就能使钢中的A1203变质,但是要足够多的镧和镁才能使钢中的MnS变质,且钢中的氧含量、硫含量及镧含量共同决定了稀土夹杂物的生成顺序和类型。当铝镁复合脱氧且D2钢和300M钢中铝含量相同时,1873 K下对A]203变性处理D2钢所需要的溶解镁更多。对D2钢中夹杂物、碳化物及性能的研究发现,采用镁处理后,D2钢中的氧含量和硫含量显著降低,且生成了大量尺寸更小的含镁夹杂物Mg-Al-O和(Mg-Al-O)+MnS,随着镁含量的增加,夹杂物中的MgO·Al203相向MgO相转化,MgO相具有更小的临界形核半径,易形核且形核率高,夹杂物被细化,且其作为其它夹杂物的形核核心,使得夹杂物的平均尺寸减小。经过镁处理的D2钢铸态下的网状碳化物被打断且被细化,同时锻态下的碳化物被球化,平均尺寸随着镁含量增加而减小。镁在退火态D2钢中的偏聚程度较高,阻碍了碳化物的生长,且镁进入碳化物而引起错配度增大,相界面能降低,同时镁改善了铬在碳化物中的扩散速率,碳化物中铬含量的增加降低了含铬渗碳型碳化物的退火聚集倾向,从而碳化物被细化并被球化。最后,氧、硫含量的降低、夹杂物和碳化物的变质使镁处理D2钢的热塑性显著提高,镁含量为0.0043%时,伸长率提高了14.95%,截面收缩率提高了 18.90%。镁对300M钢洁净度和性能的影响研究发现,钢中的氧含量能被降到很低的水平,硫含量也显著降低。随着钢中镁含量的升高,钢中主要的夹杂物演变路线为:MgO·A1203(0.0014%Mg)、MgO(0.0044%Mg)、MgS(0.0084%Mg),且夹杂物的尺寸减小。镁处理对300M钢强度和塑性的影响不显著,而冲击韧性随着镁含量的增加先增大后减小,含镁细小夹杂物作为硫化物的核心,使得MnS对钢性能无害,且提高了夹杂物与基体抵抗裂纹形成和扩展的能力,改善了钢的冲击韧性,镁含量为0.0044%时冲击韧性最好。含镁300M钢的夹杂物平均间距增大及体积分数减小,且夹杂物为细小的含镁氧化物,断裂韧性有所增加,镁含量为0.0044%时断裂韧性最好,而过量的镁含量使夹杂物体积分数增加,一定程度上降低了钢的断裂韧性。另外,利用自制的低镁含量的含镁合金处理时,反应平稳,且镁的收得率高,有利于控制镁的含量,减少镁的损失,是一种更有效、更可靠的添加镁的方法。稀土镧处理300M钢的研究结果表明,稀土镧能将钢中的氧含量和硫含量分别降到0.0002%和0.0011%,夹杂物数量减少,钢的洁净度提高。添加稀土后,钢中的夹杂物主要为镧的硫氧化物和镧的硫化物,以及含P、As的复合稀土夹杂物,该类夹杂物是在凝固过程中以镧的硫化物、硫氧化物为形核质点且由于P、As等杂质元素偏聚而形成的,低氧含量有利于含P和As夹杂物的形成。稀土镧能够提高300M钢的强度,但幅度不大,且夹杂物变质、晶界净化使300M钢的塑性和冲击韧性在一定镧含量范围内明显改善。适量镧含量处理后,300M钢中MnS夹杂被变质,夹杂物的平均间距增大,钢的断裂韧性提高,镧含量为0.018%时300M钢的断裂韧性最好,但过量的镧含量使夹杂物体积分数急剧增加,从而造成断裂韧性下降。