D0L:10.13374/5.issn1001-053x.2011.s1.004 第33卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.33 Suppl.1 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 H13模铸钢锭中夹杂物的分布解剖 刘建华) 阳燕》庄昌凌)崔晓宁)李永亮 北京科技大学冶金工程研究院，北京1000832)中原特钢股份有限公司技术中心，济源455004 通信作者，E-mail:liujianhua(@metall..usth.cdu.cn 摘要对5.0：H13铸锭进行了解剖.采用扫描电镜和能谱分析对铸锭中夹杂物进行了形貌和组成分析，通过T[0]分析和 金相显微镜统计分析对铸锭中夹杂物的分布进行了研究.结果表明铸锭中氧含量较高，平均值达到27.8×10~6，必须进一步 精炼：铸锭中夹杂物主要为近球形的C0-Al,0,SiO2夹杂，块状TiN-VN夹杂，沿晶界分布的条状VC-CrC-MoC夹杂物和少 量的CaS-MnS夹杂；尺寸较大的VC-CrC-MoC夹杂物对H13钢的韧性影响较大，必须在后续热处理及精炼中加以控制： T[0]和夹杂物在铸锭中分布不均匀，在铸锭头部中心附近，夹杂物及总氧呈负偏聚：而在铸锭中部及锭尾中心附近，夹杂物及 总氧呈正偏聚：同时，铸锭中下部大尺寸夹杂物数量比较高.为了表征夹杂物的偏聚程度，本文提出了夹杂物偏聚指数的新概 念.在5tH13铸锭头部中心夹杂物偏聚指数达到0.75-0.85，而在中下部夹杂物偏聚指数达到1.2-1.3. 关键词模具钢：铸锭：解剖：夹杂物：偏聚 分类号TG115.21 Inclusion distribution in H13 ingots LIU Jian-hua),YANG Yan,ZHUANG Chang-ing?),CUI Xiao-ning2,LI Yong-liang) 1)Institute of Metallurgical Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Technical Center,Zhongyuan Special Steel Co.Ltd.Jiyuan 454685.China Corresponding author,E-mail:liujianhua@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT Inclusions in a 5.0 H13 ingot were studied by dissection.Morphologies and compositions of the inclusions were stud- ied by scanning electron microscopy and energy dispersive spectrum,and the distribution of the inclusions was studied by T[]analy- sis and metallographic microscopy.Results show that the average total oxygen in H13 ingot is high and reaches 27.8x10,so further refining is required.The inclusions in H13 are mainly near-spherical CaO-Al2O,SiO inclusions,angular TiN-VN inclusions,large linear VC-CrC-MoC inclusions distributed in grain boundaries,and a few CaS-MnS inclusions.Large VC-CrC-MoC inclusions are harmful to the toughness of H13 steel,which should be controlled in following refining.The total oxygen and inclusions are uneven in ingots,the segregations of inclusions and total oxygen are negative around the core of the ingot head,while they are positive in the cen- ter and the lower part of the ingot:meanwhile,it is also found that the amount of larger inclusions in the center and the lower part of the ingot is higher.Inclusion segregation index is put forward to describe the segregation degree of inclusions,which is 0.75 to 0.85 around the core of the ingot head and 1.2 to 1.3 in the center and the lower part of the ingot. KEY WORDS die steel;ingots:dissection:inclusions;segregation H13钢是美国钢铁学会(ASD分类中的一种中 作为热作模具钢H13一般在比较恶劣的条件 碳、中铬模具钢，在我国一般称作4C5 MoSiV1 下工作，要承受高温、高压的作用，有的还要受到较 钢)，具有较高的热强度与硬度，尤其在中温(600 大的冲击力，因此对热疲劳性能要求较高，大量文献 ℃)时，还具有较高的耐磨性、韧性和较好的热疲劳 研究表明对于以疲劳破坏为主的模具钢3，夹杂 性能，已在锤锻模、挤压模、压铸模、模锻模等模具领 物是影响其寿命的重要原因之一，尤其是容易在钢 域中得到广泛应用 基体中造成强烈应力集中的脆性夹杂物).本研究 收稿日期：201108一10
第 33 卷 增刊 1 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 Suppl． 1 Dec． 2011 H13 模铸钢锭中夹杂物的分布解剖 刘建华1) 阳 燕1) 庄昌凌1) 崔晓宁2) 李永亮2) 北京科技大学冶金工程研究院，北京 100083 2) 中原特钢股份有限公司技术中心，济源 455004 通信作者，E-mail: liujianhua@ metall． ustb． edu． cn 摘 要 对 5. 0 t H13 铸锭进行了解剖，采用扫描电镜和能谱分析对铸锭中夹杂物进行了形貌和组成分析，通过 T［O］分析和 金相显微镜统计分析对铸锭中夹杂物的分布进行了研究． 结果表明铸锭中氧含量较高，平均值达到 27. 8 × 10 － 6 ，必须进一步 精炼; 铸锭中夹杂物主要为近球形的 CaO--Al2O3 --SiO2 夹杂，块状 TiN--VN 夹杂，沿晶界分布的条状 VC--CrC--MoC 夹杂物和少 量的 CaS--MnS 夹杂; 尺寸较大的 VC--CrC--MoC 夹杂物对 H13 钢的韧性影响较大，必须在后续热处理及精炼中加以控制; T［O］和夹杂物在铸锭中分布不均匀，在铸锭头部中心附近，夹杂物及总氧呈负偏聚; 而在铸锭中部及锭尾中心附近，夹杂物及 总氧呈正偏聚; 同时，铸锭中下部大尺寸夹杂物数量比较高． 为了表征夹杂物的偏聚程度，本文提出了夹杂物偏聚指数的新概 念． 在 5 t H13 铸锭头部中心夹杂物偏聚指数达到 0. 75 ～ 0. 85，而在中下部夹杂物偏聚指数达到 1. 2 ～ 1. 3． 关键词 模具钢; 铸锭; 解剖; 夹杂物; 偏聚 分类号 TG115. 21 Inclusion distribution in H13 ingots LIU Jian-hua1) ，YANG Yan1) ，ZHUANG Chang-ling2) ，CUI Xiao-ning2) ，LI Yong-liang2) 1) Institute of Metallurgical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Technical Center，Zhongyuan Special Steel Co． Ltd． ，Jiyuan 454685，China Corresponding author，E-mail: liujianhua@ metall． ustb． edu． cn ABSTRACT Inclusions in a 5. 0-t H13 ingot were studied by dissection． Morphologies and compositions of the inclusions were studied by scanning electron microscopy and energy dispersive spectrum，and the distribution of the inclusions was studied by T［O］analysis and metallographic microscopy． Results show that the average total oxygen in H13 ingot is high and reaches 27. 8 × 10 － 6 ，so further refining is required． The inclusions in H13 are mainly near-spherical CaO-Al2O3-SiO2 inclusions，angular TiN-VN inclusions，large linear VC-CrC-MoC inclusions distributed in grain boundaries，and a few CaS-MnS inclusions． Large VC-CrC-MoC inclusions are harmful to the toughness of H13 steel，which should be controlled in following refining． The total oxygen and inclusions are uneven in ingots，the segregations of inclusions and total oxygen are negative around the core of the ingot head，while they are positive in the center and the lower part of the ingot; meanwhile，it is also found that the amount of larger inclusions in the center and the lower part of the ingot is higher． Inclusion segregation index is put forward to describe the segregation degree of inclusions，which is 0. 75 to 0. 85 around the core of the ingot head and 1. 2 to 1. 3 in the center and the lower part of the ingot． KEY WORDS die steel; ingots; dissection; inclusions; segregation 收稿日期: 2011--08--10 H13 钢是美国钢铁学会( AISI) 分类中的一种中 碳、中 铬 模 具 钢，在 我 国 一 般 称 作 4Cr5MoSiV1 钢［1］，具有较高的热强度与硬度，尤其在中温( 600 ℃ ) 时，还具有较高的耐磨性、韧性和较好的热疲劳 性能，已在锤锻模、挤压模、压铸模、模锻模等模具领 域中得到广泛应用［2］． 作为热作模具钢 H13 一般在比较恶劣的条件 下工作，要承受高温、高压的作用，有的还要受到较 大的冲击力，因此对热疲劳性能要求较高，大量文献 研究表明对于以疲劳破坏为主的模具钢［3--4］，夹杂 物是影响其寿命的重要原因之一，尤其是容易在钢 基体中造成强烈应力集中的脆性夹杂物［5］． 本研究 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.s1.004
◆180 北京科技大学学报 第33卷 在中原特钢H13生产中取一5.0t铸锭，进行了解剖 化学成分控制标准见表1.在出钢过程中，加硅铝 分析，采用不同的分析检测手段研究H13钢锭中夹 钡、硅铁、铬铁等进行脱氧合金化：LF精炼中喂铝线 杂物及氧的分布规律 进行深脱氧，同时进行脱硫和合金成分调整：VD精 炼真空脱气，处理时间保持在30min左右：VD处理 1实验方法 后软吹10~15min,采用下注法在锭模中浇注，过热 模具钢H13的生产工艺流程为：40t电弧炉冶 度控制为30~50℃：钢锭脱模后采用电渣重熔以提 炼→LF精炼→VD处理→模铸→ESR电渣重熔.其 高钢的洁净度，然后锻造成材 表1H13钢主要化学成分控制标准（质量分数） Table 1 Control standard for the chemical composition of H13 Steel % C Si Mn Cr Mo Al. 0.35-0.390.90-1.100.30-0.40 ≤0.013 ≤0.0054.95-5.301.20-1.300.81-0.89 ≤0.03 为了分析夹杂物在钢锭中的分布，在钢锭距帽 量直径，取7.5umD为显微镜的视场直径，倍数为 口端40~90mm、钢锭高度中心处和距尾部40~90 640时，取300um;N为试样观察的视场数，本实验 mm的横截面上切取试样，且分别在各截面的中心、 为200个. 距中心1/4处、距中心1/2处、距中心3/4处和钢锭 2 边缘处切割试样，试样尺寸为165mm×50mm×50 结果与分析 mm,取样位置见图1.在所取试样上再分别切取金 2.1铸锭中夹杂物形貌与组成 相试样(15mm×15mm×15mm)和氧分析试样(b5 H13钢中典型夹杂物形貌与组成见表2.模铸 mm×50mm). 后铸锭中夹杂物可分为5类：1)近球形的Ca0- A山203-Si02夹杂：2)不规则形状的Mg0-Al,03夹 杂；3)块状TiN-VN夹杂，尺寸为5~10m;4)20~ 200μum沿晶界分布的条状VC-CrC-MoC夹杂物： 5)少量的CaS-MnS夹杂.前四种夹杂物数量均 较多. Ca0-Al20,-Si02夹杂和Mg0-A山03夹杂主要 为脱氧产物及浇铸过程中形成的二次氧化产物.铸 坯中这类夹杂物的组成处于SiO2-Ca0+MgO- 图1钢锭取样示意图 A山203三元系的中下部区域（图2），根据Si02-Ca0- Fig.1 Schematic diagram for ingot sampling A山，03和Si02-Mg0-A山，03相图，该夹杂物的熔点处 采用红外吸收法测定钢中的T[0]含量：采用 于1300~1800℃的范围6.因此，这些夹杂物在 扫描电镜观察夹杂物形貌，采用能谱分析分析夹杂 H13的服役温度范围内硬度较高，为脆性夹杂，对 物组成：采用金相法对试样中夹杂物数量进行定量 H13的热疲劳性能存在危害. 分析，在金相显微镜下每个试样统计200个视场，在 TiN-VN和VC-CrC-MoC是HI3钢凝固过程 每个视场中将夹杂物按大小(0~2.5m,2.5~5 中的析出物.TN-VN为棱角分明的块状脆性夹杂， μm,5~10um,10~20um,和>20μm)进行分类 对H13的热疲劳性能也有危害，应加强控制.但铸 统计.显微夹杂物的数量，采用下面公式计算： 坯中尺寸较大的长条状VC-CC-MoC夹杂物对 1=（Σdn:)/（D'N/A) H13钢的韧性、热疲劳性能危害更大)，必须在后续 (1) 热处理及电渣重溶中加以控制.钒是强碳化物形成 式中，I为单位面积上当量直径为B的夹杂物的个 元素，合金凝固过程中碳优先与钒结合形成碳化钒： 数：d:为不同级别夹杂物的平均直径，um(对0~ 随着凝固过程的继续，液相不断减少.偏析导致液 2.5μm,2.5~5μm,5~10μm,10~20μm,和>20 相中Cr和Mo等元素的含量升高，引起CrC和MoC m的夹杂物d分别取1.75,3.75,7.5,15，和30 在前期形成的VC上析出，形成VC-CrC-MoC复合 um);n:为不同级别夹杂物的个数；B为夹杂物的当 析出物
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 在中原特钢 H13 生产中取一5. 0 t 铸锭，进行了解剖 分析，采用不同的分析检测手段研究 H13 钢锭中夹 杂物及氧的分布规律． 1 实验方法 模具钢 H13 的生产工艺流程为: 40 t 电弧炉冶 炼→LF 精炼→VD 处理→模铸→ESR 电渣重熔． 其 化学成分控制标准见表 1． 在出钢过程中，加硅铝 钡、硅铁、铬铁等进行脱氧合金化; LF 精炼中喂铝线 进行深脱氧，同时进行脱硫和合金成分调整; VD 精 炼真空脱气，处理时间保持在 30 min 左右; VD 处理 后软吹 10 ～ 15 min，采用下注法在锭模中浇注，过热 度控制为 30 ～ 50 ℃ ; 钢锭脱模后采用电渣重熔以提 高钢的洁净度，然后锻造成材． 表 1 H13 钢主要化学成分控制标准( 质量分数) Table 1 Control standard for the chemical composition of H13 Steel % C Si Mn P S Cr Mo V Als 0. 35 ～ 0. 39 0. 90 ～ 1. 10 0. 30 ～ 0. 40 ≤0. 013 ≤0. 005 4. 95 ～ 5. 30 1. 20 ～ 1. 30 0. 81 ～ 0. 89 ≤0. 03 为了分析夹杂物在钢锭中的分布，在钢锭距帽 口端 40 ～ 90 mm、钢锭高度中心处和距尾部 40 ～ 90 mm 的横截面上切取试样，且分别在各截面的中心、 距中心 1 /4 处、距中心 1 /2 处、距中心 3 /4 处和钢锭 边缘处切割试样，试样尺寸为 165 mm × 50 mm × 50 mm，取样位置见图 1． 在所取试样上再分别切取金 相试样( 15 mm × 15 mm × 15 mm) 和氧分析试样( 5 mm × 50 mm) ． 图 1 钢锭取样示意图 Fig． 1 Schematic diagram for ingot sampling 采用红外吸收法测定钢中的 T［O］含量; 采用 扫描电镜观察夹杂物形貌，采用能谱分析分析夹杂 物组成; 采用金相法对试样中夹杂物数量进行定量 分析，在金相显微镜下每个试样统计 200 个视场，在 每个视场中将夹杂物按大小( 0 ～ 2. 5 μm，2. 5 ～ 5 μm，5 ～ 10 μm，10 ～ 20 μm，和 ＞ 20 μm) 进行分类 统计． 显微夹杂物的数量，采用下面公式计算: I = ( ∑ dini ) ( πBD2 N/4) ( 1) 式中，I 为单位面积上当量直径为 B 的夹杂物的个 数; di 为不同级别夹杂物的平均直径，μm( 对 0 ～ 2. 5 μm，2. 5 ～ 5 μm，5 ～ 10 μm，10 ～ 20 μm，和 ＞ 20 μm 的夹杂物 di 分别取 1. 75，3. 75，7. 5，15，和 30 μm) ; ni 为不同级别夹杂物的个数; B 为夹杂物的当 量直径，取 7. 5 μm; D 为显微镜的视场直径，倍数为 640 时，取 300 μm; N 为试样观察的视场数，本实验 为 200 个． 2 结果与分析 2. 1 铸锭中夹杂物形貌与组成 H13 钢中典型夹杂物形貌与组成见表 2. 模铸 后铸锭中夹杂物可分为 5 类: 1 ) 近球形的 CaO-- Al2O3 --SiO2 夹杂; 2) 不规则形状的 MgO--Al2O3 夹 杂; 3) 块状 TiN--VN 夹杂，尺寸为 5 ～ 10 μm; 4) 20 ～ 200 μm 沿晶界分布的条状 VC--CrC--MoC 夹杂物; 5) 少量的 CaS--MnS 夹杂． 前四种夹杂物数量均 较多． CaO--Al2O3--SiO2 夹杂和 MgO--Al2O3 夹杂主要 为脱氧产物及浇铸过程中形成的二次氧化产物． 铸 坯中这类夹杂物的组成处于 SiO2 --CaO + MgO-- Al2O3 三元系的中下部区域( 图 2) ，根据 SiO2 --CaO-- Al2O3 和 SiO2--MgO--Al2O3 相图，该夹杂物的熔点处 于 1 300 ～ 1 800 ℃ 的范围［6］． 因此，这些夹杂物在 H13 的服役温度范围内硬度较高，为脆性夹杂，对 H13 的热疲劳性能存在危害． TiN--VN 和 VC--CrC--MoC 是 H13 钢凝固过程 中的析出物． TiN--VN 为棱角分明的块状脆性夹杂， 对 H13 的热疲劳性能也有危害，应加强控制． 但铸 坯中尺寸较大的长条状 VC--CrC--MoC 夹杂物对 H13 钢的韧性、热疲劳性能危害更大［7］，必须在后续 热处理及电渣重溶中加以控制． 钒是强碳化物形成 元素，合金凝固过程中碳优先与钒结合形成碳化钒; 随着凝固过程的继续，液相不断减少． 偏析导致液 相中 Cr 和 Mo 等元素的含量升高，引起 CrC 和 MoC 在前期形成的 VC 上析出，形成 VC--CrC--MoC 复合 析出物． ·180·
增刊1 刘建华等：H13模铸钢锭中夹杂物的分布解剖 ·181· 表2H13钢中典型夹杂物形貌与组成 Table 2 Morphologies and compositions of the inclusions in H13 steel 夹杂物形貌 夹杂物的质量分数/% 夹杂物形状 夹杂物类型 Mg0:8.84 Al203:48.39 Si02:13.22 球状 Ca0-Al203-Si02 CaS:1.57 Ca0:27.99 5 pm Mg0:13.79 A4203:61.43 Si02:10.43 球状 MgO-Al203 MnS:1.32 aS:2.25 5um TiN:68.53 氨化物 正方形 VN:31.47 TiN-VN VC:78.07 碳化物 MoC:9.77 长条状 VC-CrC-MoC CC:12.16 254m Mg0:2.81 Al203:30.14 硫化物+氧化物 块状 MnS:41.35 CaS-MnS CaS:32.45 5μm 由于H3对S有严格的控制，钢中硫含量控制 较低。 在0.005%以下，因此钢水凝固时硫化物析出量较 图3还表明H13铸锭中氧含量较高，平均值达 少，铸锭中CaS-MnS夹杂较少， 到27.8×10-6.H13钢的氧含量高低和钢中氧化物 2.2T[0]分布 含量密切相关，对H13的耐磨性，特别是韧性和热 钢中T[0]含量的高低常用于衡量钢中氧化物 疲劳性能影响较大.国外某些特殊钢厂将模具钢中 夹杂物的多少8劉.图3是H13铸锭中T[0]分布检 氧的质量分数规定为≤15×10-6，日本山阳特殊钢 测结果，表明铸锭中T[0]分布不均匀，铸坯中心和 公司规定高纯净度模具钢中的氧的质量分数≤10× 尾坯中心位置T[0]含量较高，铸坯头部中心T[0] 10-69-0.因此该实验条件下的H13铸锭还必须进
增刊 1 刘建华等: H13 模铸钢锭中夹杂物的分布解剖 表 2 H13 钢中典型夹杂物形貌与组成 Table 2 Morphologies and compositions of the inclusions in H13 steel 夹杂物形貌 夹杂物的质量分数/% 夹杂物形状 夹杂物类型 MgO: 8. 84 Al2O3 : 48. 39 SiO2 : 13. 22 CaS: 1. 57 CaO: 27. 99 球状 CaO--Al2O3 --SiO2 MgO: 13. 79 Al2O3 : 61. 43 SiO2 : 10. 43 MnS: 1. 32 CaS: 2. 25 球状 MgO--Al2O3 TiN: 68. 53 VN: 31. 47 正方形 氮化物 TiN--VN VC: 78. 07 MoC: 9. 77 CrC: 12. 16 长条状 碳化物 VC--CrC--MoC MgO: 2. 81 Al2O3 : 30. 14 MnS: 41. 35 CaS: 32. 45 块状 硫化物 + 氧化物 CaS--MnS 由于 H13 对 S 有严格的控制，钢中硫含量控制 在 0. 005% 以下，因此钢水凝固时硫化物析出量较 少，铸锭中 CaS--MnS 夹杂较少． 2. 2 T［O］分布 钢中 T［O］含量的高低常用于衡量钢中氧化物 夹杂物的多少［8］． 图 3 是 H13 铸锭中 T［O］分布检 测结果，表明铸锭中 T［O］分布不均匀，铸坯中心和 尾坯中心位置 T［O］含量较高，铸坯头部中心 T［O］ 较低． 图 3 还表明 H13 铸锭中氧含量较高，平均值达 到 27. 8 × 10 － 6 ． H13 钢的氧含量高低和钢中氧化物 含量密切相关，对 H13 的耐磨性，特别是韧性和热 疲劳性能影响较大． 国外某些特殊钢厂将模具钢中 氧的质量分数规定为≤15 × 10 － 6 ，日本山阳特殊钢 公司规定高纯净度模具钢中的氧的质量分数≤10 × 10 － 6［9--10］． 因此该实验条件下的 H13 铸锭还必须进 ·181·
◆182 北京科技大学学报 第33卷 Si0, 541mm 01.00 0.25 721m 0.75 (CaO+MgO) 0.50 号8a 0.75 0.25 1.00 0 0.25 0.50 0.75 1.00 Ca0+MgO Al,0) A1,0 图2H13铸锭中氧化夹杂物的化学组成 Fig.2 Compositions of the oxide inclusions in H13 ingot 541 618mm 721mm 图4钢锭中不同位置面积的夹杂物数量(mm2) Fig.4 Number of inclusions at various positions of the ingot 名治待 (mm-2) 度.定义夹杂物偏聚指数(Segregation Index)SI为： SI=C/Cve (2) 式中，C为量化夹杂物数量的某种物理量，如总氧和 4号召臂 金相分析的夹杂物数量等；C为铸锭各处该物理量 88t I 的平均值. 图5是T[0]和金相定量分析的夹杂物在铸锭 普沿9剖 541mm 541mm 618mm 721mm 721mm 网 图3钢锭各部位T[0]含量(×10-) Fig.3 T[O]at various positions of the ingot (x10) a7708110g 076 0口o口g9 092 一步精炼，以保证其洁净度达到要求 2.3夹杂物分布 应用金相显微镜可以对钢中显微夹杂物数量进 行定量或半定量分析.图4的分析结果同样表明铸 155094_08379目 四▣▣▣d u7.08n出92目 日可口d 094 锭中夹杂物分布不均匀，在铸锭中心和锭尾中心部 1.03 位夹杂物较多，在铸锭的头部中心及周围夹杂物数 量较少，该结果和铸锭中T[0]的分布基本类似 2.4夹杂物聚集程度分析 鸣8a 1368晋n6 1.19 夹杂物在铸锭中的偏聚对铸锭轧、锻后产品的 质量和性能有较大影响.但由于夹杂物定量分析技 618mm 618mm 术的不完善，铸锭中夹杂物偏聚程度的量化一直未 (a) (b) 见报道，本文根据铸锭中总氧分析结果和夹杂物数 图5H13铸锭中夹杂物偏聚度.()全氧：(b)夹杂物数量 量统计结果，参照铸坯和铸锭中成分偏析指数的概念， Fig.5 Segregation of the inclusions in H13 ingot.(a)T[O]:(b) 尝试采用夹杂物偏聚指数量化铸锭中夹杂物的偏聚程 number of the inclusions
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 2 H13 铸锭中氧化夹杂物的化学组成 Fig． 2 Compositions of the oxide inclusions in H13 ingot 图 3 钢锭各部位 T［O］含量( × 10 － 6 ) Fig． 3 T［O］at various positions of the ingot ( × 10 － 6 ) 一步精炼，以保证其洁净度达到要求． 2. 3 夹杂物分布 应用金相显微镜可以对钢中显微夹杂物数量进 行定量或半定量分析． 图 4 的分析结果同样表明铸 锭中夹杂物分布不均匀，在铸锭中心和锭尾中心部 位夹杂物较多，在铸锭的头部中心及周围夹杂物数 量较少，该结果和铸锭中 T［O］的分布基本类似． 2. 4 夹杂物聚集程度分析 夹杂物在铸锭中的偏聚对铸锭轧、锻后产品的 质量和性能有较大影响． 但由于夹杂物定量分析技 术的不完善，铸锭中夹杂物偏聚程度的量化一直未 见报道，本文根据铸锭中总氧分析结果和夹杂物数 量统计结果，参照铸坯和铸锭中成分偏析指数的概念， 尝试采用夹杂物偏聚指数量化铸锭中夹杂物的偏聚程 图 4 钢锭中不同位置面积的夹杂物数量( mm － 2 ) Fig． 4 Number of inclusions at various positions of the ingot ( mm － 2 ) 度． 定义夹杂物偏聚指数( Segregation Index) SI 为: 图 5 H13 铸锭中夹杂物偏聚度 . ( a) 全氧; ( b) 夹杂物数量 Fig． 5 Segregation of the inclusions in H13 ingot. ( a) T［O］; ( b) number of the inclusions SI = C /Cave ( 2) 式中，C 为量化夹杂物数量的某种物理量，如总氧和 金相分析的夹杂物数量等; Cave为铸锭各处该物理量 的平均值． 图 5 是 T［O］和金相定量分析的夹杂物在铸锭 ·182·
增刊1 刘建华等：H13模铸钢锭中夹杂物的分布解剖 ·183· 中的偏聚情况.铸锭中根据总氧和金相统计计算的 物在上浮过程中被结晶雨捕获并沉降到底部 夹杂物偏聚情况和程度均基本一致，即铸锭的头部， 2.5夹杂物尺寸分布 特别是头部中心附近夹杂物数量较低，夹杂偏聚指 夹杂物对钢材韧性、热疲劳等性能的危害，不仅 数为0.75~0.85左右：而在铸锭尾部中心附近夹杂 与夹杂物的种类、组成及物性密切相关，而且与夹杂 物偏聚严重，偏聚指数为1.2~1.3. 物的尺寸也有很密切的关系].本研究通过金相 许多冶金工作者对夹杂物在钢锭底部的聚积机 显微镜对H13钢中夹杂物进行数量统计的同时，也 理进行了研究1-.到目前为止，关于夹杂物在钢 对其尺寸进行了统计，见表3.铸锭中尺寸较大的夹 锭底部的聚积机理，较为流行的观点主要有3种： 杂物比例较高，大于10wm的夹杂物比例达到1.5%~ 1)由自然对流携带到底部的夹杂物沉淀到底部，或 4.5%;其中铸锭中心和锭尾中心附近，大尺寸夹杂 被凝固前沿所捕获；2)夹杂物在上浮过程中受到凝 物的比例高于铸锭头部中心区域，表明铸锭中下部 固前沿或粘稠层的阻碍而聚积于钢锭底部：3)夹杂 有大夹杂物聚集 表3H13铸锭中夹杂物的粒径分布 Table 3 Size distribution of the inclusions in H13 ingot 0 尺寸/μm 取样位置 铸锭中心 距中心1/4处 距中心12处 距中心3/4处 铸锭边缘 铸锭头部 75.00 67.31 64.29 62.96 68.63 02.5 铸锭中心 57.14 61.54 62.07 57.89 68.97 铸锭尾部 48.53 52.24 59.68 65.52 64.29 铸锭头部 15.38 23.08 25.00 22.22 21.57 2.5-5 铸锭中心 25.00 26.92 24.14 26.32 20.69 铸锭尾部 29.41 28.36 20.97 18.97 21.43 铸锭头部 7.69 7.69 8.93 11.11 7.84 5~10 铸锭中心 14.29 9.62 12.07 12.28 8.62 铸锭尾部 17.65 16.42 16.13 13.79 12.50 铸锭头部 1.92 1.92 1.79 3.70 1.96 10-20 铸锭中心 3.57 1.92 1.72 3.51 1.72 铸锭尾部 4.41 2.99 3.23 1.72 1.79 前面所述的铸锭中下部夹杂物聚集的三种机理 3 中，本研究认为自然对流会将钢中各种尺寸的夹杂 结论 物同时带到底部：而凝固前沿和粘稠层对各种尺寸 (1)铸锭中夹杂物主要为近球形的CaO- 夹杂物的上浮阻碍作用也应该一致，不会出现优先 A山203SiO2夹杂，不规则形状的Mg0-A山，03夹杂， 将大夹杂滞留于铸锭底部的可能，因此上述夹杂物 块状TiN-VN夹杂，沿晶界分布的条状VC-CC- 聚积机制1)和2)不会引起铸锭尾部夹杂物尺寸大 于其他部位.相反，夹杂物在上浮过程中，大尺寸夹 MoC夹杂物和少量的CaS-MnS夹杂.其中尺寸较 杂物更容易被结晶雨捕捉，引起铸锭中下部大尺寸 大的长条状VC-CrC-MoC夹杂物对HI3钢的韧性 夹杂物聚积，并使铸坯中下部夹杂物平均尺寸大于 影响较大，必须在后续热处理及电渣重溶中加以 其他部位，文献中夹杂物聚积机制3)较好地解释了 控制. 本文的研究结果.根据夹杂物在铸坯中心和锭尾中 （2)铸锭中氧含量较高，平均值达到27.8× 心的数量及尺寸分布特点，本文认为铸锭中夹杂物 106,必须经过进一步精炼以满足H13洁净度 在上浮过程中被结晶雨捕获并沉降到底部是铸坯中 要求 下部夹杂物偏聚的主要机制 (3)铸坯中总氧和夹杂物分布不均匀，在铸锭 扫描电镜和能谱分析的结果表明铸锭中夹杂物 头部中心附近，夹杂物含量及总氧较低，偏聚指数达 基本都是硬度较高的脆性夹杂，因此这些大尺寸夹 到0.75~0.85，而在铸锭中部及锭尾中心附近，夹 杂物对H13使用性能危害较大，需要通过进一步的 杂物及总氧较高，偏聚指数达到1.2~1.3；同时，铸 精炼予以去除。 锭中下部大尺寸夹杂物的比例也比较高，表明大夹
增刊 1 刘建华等: H13 模铸钢锭中夹杂物的分布解剖 中的偏聚情况． 铸锭中根据总氧和金相统计计算的 夹杂物偏聚情况和程度均基本一致，即铸锭的头部， 特别是头部中心附近夹杂物数量较低，夹杂偏聚指 数为 0. 75 ～ 0. 85 左右; 而在铸锭尾部中心附近夹杂 物偏聚严重，偏聚指数为 1. 2 ～ 1. 3． 许多冶金工作者对夹杂物在钢锭底部的聚积机 理进行了研究［11--12］． 到目前为止，关于夹杂物在钢 锭底部的聚积机理，较为流行的观点主要有 3 种: 1) 由自然对流携带到底部的夹杂物沉淀到底部，或 被凝固前沿所捕获; 2) 夹杂物在上浮过程中受到凝 固前沿或粘稠层的阻碍而聚积于钢锭底部; 3) 夹杂 物在上浮过程中被结晶雨捕获并沉降到底部． 2. 5 夹杂物尺寸分布 夹杂物对钢材韧性、热疲劳等性能的危害，不仅 与夹杂物的种类、组成及物性密切相关，而且与夹杂 物的尺寸也有很密切的关系［13］． 本研究通过金相 显微镜对 H13 钢中夹杂物进行数量统计的同时，也 对其尺寸进行了统计，见表 3． 铸锭中尺寸较大的夹 杂物比例较高，大于10 μm 的夹杂物比例达到 1. 5% ～ 4. 5% ; 其中铸锭中心和锭尾中心附近，大尺寸夹杂 物的比例高于铸锭头部中心区域，表明铸锭中下部 有大夹杂物聚集． 表 3 H13 铸锭中夹杂物的粒径分布 Table 3 Size distribution of the inclusions in H13 ingot % 尺寸/μm 取样位置 铸锭中心 距中心 1 /4 处 距中心 1 /2 处 距中心 3 /4 处 铸锭边缘 铸锭头部 75. 00 67. 31 64. 29 62. 96 68. 63 0 ～ 2. 5 铸锭中心 57. 14 61. 54 62. 07 57. 89 68. 97 铸锭尾部 48. 53 52. 24 59. 68 65. 52 64. 29 铸锭头部 15. 38 23. 08 25. 00 22. 22 21. 57 2. 5 ～ 5 铸锭中心 25. 00 26. 92 24. 14 26. 32 20. 69 铸锭尾部 29. 41 28. 36 20. 97 18. 97 21. 43 铸锭头部 7. 69 7. 69 8. 93 11. 11 7. 84 5 ～ 10 铸锭中心 14. 29 9. 62 12. 07 12. 28 8. 62 铸锭尾部 17. 65 16. 42 16. 13 13. 79 12. 50 铸锭头部 1. 92 1. 92 1. 79 3. 70 1. 96 10 ～ 20 铸锭中心 3. 57 1. 92 1. 72 3. 51 1. 72 铸锭尾部 4. 41 2. 99 3. 23 1. 72 1. 79 前面所述的铸锭中下部夹杂物聚集的三种机理 中，本研究认为自然对流会将钢中各种尺寸的夹杂 物同时带到底部; 而凝固前沿和粘稠层对各种尺寸 夹杂物的上浮阻碍作用也应该一致，不会出现优先 将大夹杂滞留于铸锭底部的可能，因此上述夹杂物 聚积机制 1) 和 2) 不会引起铸锭尾部夹杂物尺寸大 于其他部位． 相反，夹杂物在上浮过程中，大尺寸夹 杂物更容易被结晶雨捕捉，引起铸锭中下部大尺寸 夹杂物聚积，并使铸坯中下部夹杂物平均尺寸大于 其他部位，文献中夹杂物聚积机制 3) 较好地解释了 本文的研究结果． 根据夹杂物在铸坯中心和锭尾中 心的数量及尺寸分布特点，本文认为铸锭中夹杂物 在上浮过程中被结晶雨捕获并沉降到底部是铸坯中 下部夹杂物偏聚的主要机制． 扫描电镜和能谱分析的结果表明铸锭中夹杂物 基本都是硬度较高的脆性夹杂，因此这些大尺寸夹 杂物对 H13 使用性能危害较大，需要通过进一步的 精炼予以去除． 3 结论 ( 1) 铸 锭 中 夹 杂 物 主 要 为 近 球 形 的 CaO-- Al2O3 --SiO2 夹杂，不规则形状的 MgO--Al2O3 夹杂， 块状 TiN--VN 夹杂，沿晶界分布的条状 VC--CrC-- MoC 夹杂物和少量的 CaS--MnS 夹杂． 其中尺寸较 大的长条状 VC--CrC--MoC 夹杂物对 H13 钢的韧性 影响较大，必须在后续热处理及电渣重溶中加以 控制． ( 2) 铸锭中氧含量较高，平均值达到 27. 8 × 10 － 6 ，必须 经 过 进 一 步 精 炼 以 满 足 H13 洁 净 度 要求． ( 3) 铸坯中总氧和夹杂物分布不均匀，在铸锭 头部中心附近，夹杂物含量及总氧较低，偏聚指数达 到 0. 75 ～ 0. 85，而在铸锭中部及锭尾中心附近，夹 杂物及总氧较高，偏聚指数达到 1. 2 ～ 1. 3; 同时，铸 锭中下部大尺寸夹杂物的比例也比较高，表明大夹 ·183·
◆184 北京科技大学学报 第33卷 杂物容易在铸锭中下部聚集 lishing Limited.Cambridge,1955:105 [7]Huo X Y.Factors affecting isotropy of H13 hot die steel./ron 参考文献 Steel Res,2008.20(11):47 [1]Lou P J.Wang Y M,Hua Q.et al.Study on cast properties of H- (霍晓阳.影响H13热作模具钢等向性的因素.钢铁研究学 13 cast steel.Spec Cast Nonferrous Alloys.1997,27(5):18 报，2008.20(11)：47) (楼培炯，王逸民，华勒，等.H3钢铸造性能的研究.特种铸 [8]Liu J H.Cui H.Bao Y P,et al.Key technologies for high grade 造及有色合金，1997,27(5)：18) pipeline refining.J Unie Sci Technol Beijing,2009.32(Suppl 1):1 [2]Wang P.Zhang J J.Hu Y M.The application of H13 steel.Die (刘建华，崔衡，包燕平.高级别管线钢治炼关键技术分析北 Mould Manuf.2007(12)1 京科技大学学报，2009,31（增刊1）：1) (王鹏.张杰江，胡亚民.H13钢的应用现状.模具制造，2007 [9]Chen ZZ.Ma D S.Analysis of development strategy for national (12):1) die steel industry.Iron Steel.2006.41(4):5 [3]Zong Y P,Hao S M.Wang JJ.The effect of various secondary re- (陈再枝，马党参.我国模具钢的发展战略分析.钢铁，2006， fining methods on the thermal-fatigue behavior of die steel H13. 41(4):5) Mater Mech Eng.1992,16(3):50 [10]Xu L P.Wu X C.Li L,et al.Consideration on the standards of (宗亚平，郝士明，王继杰.不同精炼工艺对模具钢热疲劳性 domestic die steel.Shanghai Met,2004,26(2):124 能的影响.机械工程材料，1992,16(3)：50) (许珞萍，吴晓春，李麟，等.我国模具钢标准的思考.上海金 [4]Cai F.Du G H.Qiu DQ.Analysis on microstructure and metal- 属，2004,26(2)：124) lurgical quality for D2 cold-worked die steel.Heat Treat Met, [11]Dong L R.Liu X H.Wei Y.Research on the mechanism for the 2000.25(4):11 accumulation of large oxide inclusions in the bottom of ingots.J (蔡芳，杜光华，邱德卿.冷作模具钢D2的显微组织和冶金质 Beijing Unir Iron Steel Technol.1986.5(1):93 量分析.金属热处理，2000,25(4)：11) (董履仁，刘新华，韦远.大型氧化物夹杂在钢锭底部锥中 [5]Zong Y P,Hao S M.Nonmetallic inclusions in H13 steels pro- 聚积机理的研究.北京钢铁学院学报，1986,5(1)：93) duced by various secondary refining methods.Iron Steel,1993.28 [12]Nagendra T,Du S C.Non-metallic inclusions in the ingot and fi- (3):15 nal products of a medium-carbon tool steel.Scand J Metall, (宗亚平，郝士明.不同精炼工艺生产的模具钢中非金属夹杂 2004,33(6):362 物的研究.钢铁，1993,28(3)：15) [13]Zhang L,Thomas B.State of the art in the control of inclusions [6]Verein Deutscher Eisenhittenleute.Slag Atlas.Woodhead Pub- during steel ingot casting.Meall Mater Trans B,2006,37:733
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