摘要
随着工业水平的发展，高质量模具的需求日益增加，因而对模具主要原材料的模具钢的质量也提出了更高的要求。H13钢因其在硬度、强度、热稳定性能等方面表现良好，是应用较为广泛的热作模具钢。H13钢的主要失效形式是热疲劳失效。在其凝固过程中产生的枝晶偏析以及由枝晶偏析所产生的粗大一次碳化物是导致其服役过程中热疲劳失效的重要因素。枝晶偏析与一次碳化物的控制与改善对于生产高品质H13钢而言至关重要。本研究从精炼效果、变质剂处理以及热处理工艺等方面着手，全面地探究了电渣重熔H13钢枝晶偏析与一次碳化物的改善手段。 本研究针对工业电渣炉中使用成分为70wt.％CaF2-30wt.％Al2O3的渣生产的1吨H13电渣锭不同部位的枝晶偏析及一次碳化物情况进行分析。经实验室实验，探究了钢的洁净度提升以及稀土变质剂的添加对H13钢枝晶偏析和一次碳化物的控制及改善作用。在工业电渣炉中通过含稀土氧化物渣电渣重熔H13钢的方式，实现了H13电渣锭的洁净度改善以及稀土变质处理。最后研究了H13钢高温均匀化热处理过程中钢的晶粒长大、一次碳化物的溶解和枝晶偏析的变化情况。得出以下结论: (1)H13电渣锭不同部位存在着不同程度的枝晶偏析，枝晶偏析在电渣锭后凝固的上端较先凝固的下端严重，芯部较边部严重。钢中有富V和富Mo两种一次碳化物，它们的数量、尺寸和面积分数会随着枝晶偏析的加剧而增大。电渣锭中主要存在着Al2O3和MnS夹杂物，Al2O3夹杂物与富V一次碳化物的晶格错配度为9.4％，而MnS夹杂物与富Mo一次碳化物的晶格错配度为9.8％，它们会促进一次碳化物的形核，并与一次碳化物形成大尺寸的复合析出相。 (2)降低钢中硫含量有助于抑制以夹杂物为形核核心的大尺寸复合析出相的形成。当钢中硫含量为0.0007wt.％时，凝固过程中MnS的析出迟于一次碳化物，因此避免了MnS夹杂作为一次碳化物的形核核心。降低钢中硫含量有利于改善枝晶偏析，其原因是凝固过程中硫元素在残余液相中的富集会降低钢的固相线温度从而延长局部凝固时间并加剧枝晶偏析，而硫含量的降低会减弱其对固相线温度的影响从而有助于减少枝晶偏析。 (3)稀土Ce添加可以起到改性H13钢中夹杂物的效果，其添加含量为0.0130-0.0190wt.％时，H13钢中的原始的Al2O3和MnS夹杂物改性成为Ce2O3和Ce2O2S夹杂物，并且夹杂物的尺寸变小数量增多。Ce2O3和Ce2O2S夹杂与一次碳化物晶格错配度较高，而与γ-Fe的晶格错配度较低。改性后的夹杂物抑制了以夹杂物为核心的大尺寸复合析出相的形成。同时细小弥散的Ce2O3和Ce2O2S夹杂物促进了钢液凝固过程中γ-Fe的形核从而细化枝晶组织。枝晶组织的细化限制了一次碳化物的生长空间和生长时间，达到了细化了H13钢中的一次碳化物目的。未经Ce变质处理的H13钢，其锻后富碳化物带显微硬度高于贫碳化物带18.2％。Ce含量为0.0190wt.％时，H13钢锻后富碳化物带显微硬度高于贫碳化物带6.8％。Ce变质处理后H13钢的带状偏析得到改善。 (4)使用含稀土氧化物渣电渣重熔H13钢并结合添加SiCa还原剂的方式可以达到对H13钢稀土变质的目的。渣中的Al2O3会降低稀土氧化物的活度，从而抑制渣中稀土氧化物的还原。降低渣中Al2O3含量有利于提升变质效果进而提升对H13钢枝晶偏析及一次碳化物的改善效果。 (5)通过使用初始成分为52.2wt.％CaF2-26.7wt.％CeO2-17.8wt.％CaO-3.3wt.％Al2O3的渣在1吨工业电渣炉内重熔H13钢并有规律地向渣池中投入SiCa还原剂，获得了H13钢洁净度的改善和稀土变质的效果。使用70wt.％CaF2-30wt.％Al2O3渣电渣重熔的H13钢脱氧率和脱硫率为10.9～23.9％和42.5～57.5％，使用稀土渣重熔的H13钢脱氧率和脱硫率分别为30.3～39.1％和73.8～92.5％。稀土渣电渣重熔的电渣锭中含有0.0013～0.0065wt.％的Ce元素，并且其枝晶偏析得到了明显的改善，一次碳化物也得到了细化。锻后钢锭中合金元素的带状偏析得到了改善，冲击韧性从20J提升至26J，提高了30％。 (6)在1150～1250℃范围内进行高温均匀化热处理时，H13钢奥氏体晶粒长大速度会在1150～1200℃之间出现骤增，从而导致高温均匀化温度在1200℃以上时会出现奥氏体晶粒的急剧长大。所研究的H13我钢中富Mo一次碳化物在1150～1250℃的温度范围内能完全溶解，并且在1150、1200、1250℃下完全溶解所需要的保温时间分别为60～120min、30～60min、10～30min。大部分富V一次碳化物在保温60min后溶解，但在1150～1250℃的温度范围内，富V一次碳化物无法完全溶解。热力学计算表明钢中的Ti和N元素会提高一次碳化物的热稳定性，降低钢中Ti和N的含量有利于降低一次碳化物的完全溶解温度。H13钢的枝晶组织会在高温均匀化过程中逐渐消失，在1250℃下保温时完全消除枝晶组织所需要的保温时间为600～720min，而在1150和1200℃下保温时完全消除枝晶组织所需的时间经估算分别是在1250℃下的3.37和1.80倍。
NETL