毛明涛等：H13热作模具钢中液析碳化物的研究进展 ·1291· 多层结构液析碳化物的产生过程 氧化物 富T型 富V型 富Nb型 0.5 富V型 扩散均匀 04 Ti 03 三0.2 960两 0-0-000-0-0-0-0-0 0.90 0.92 0.94 固相分数 图2H13钢中多层结构的MC型液析碳化物的生成原理图[2] Fig.2 Schematic diagram of the precipitation of MC in H13 steel(] M2C,型碳化物24-26].其中M,C,和MC6为富Cr型 碳化物的多种存在形式，使得对H13钢中液析碳化 碳化物]，M,C和M,C为富Mo型碳化物2，MC 物的生成热力研究变得十分困难，目前研究者们在 为富V型碳化物[2] 解释H13钢非平衡凝固过程中液析碳化物的种类 10° 及生成规律时，主要有以下三种方法： (1)简化H13钢中的液析碳化物，认为液析碳 a-Fe Y-Fe 10- M..C 液相 化物是简单的MC型碳化物，其中富V型液析碳化 5-Fe 物为VC,富Mo型液析碳化物为MoC、Mo,C或 M(C.N) 102 Mo,C,富Cr型液析碳化物为Cr,C3或Cr2aC6,富Ti、 Nb型液析碳化物为TiN、TiC、NbN或NbC,利用微 10l 观偏析模型计算凝固偏析并进行热力学计算[31-]. M.Ca y-Fe H13钢非平衡凝固过程中固液前沿液相中合金 元素浓度可用下式3表示： 104 C1=C[1-(1-)Ps]-11-w) (1) M.C 式中，C为液相中元素浓度，C。为元素初始浓度，k 10400600 800 100012001400 为元素在固液相中的分配系数，P、为固相率，Φ为 温度/℃ 不同微观偏析模型的固相反扩散统一参数. 图3 ThermoCale计算的Hl3钢平衡凝固相转变图2s】 以VC为例，其在液相中的生成过程可用下式 Fig.3 Equilibrium phase transformation diagram of H13 steel calcu- lated using the ThermoCale software[] 表示： [V]+[C]=VC) (2) H13钢在实际凝固过程中，由于合金元素偏析， 该反应的吉布斯自由能变化△G可由下式求得 其相变过程与平衡凝固相变过程存在较大差异，相 变过程更为复杂[30].如平衡凝固和非平衡凝固时8 △G=AG9+RL%veI%C可 1 (3) 铁素体存在温度区间分别为1410~1472℃及 式中，△G9为反应的标准吉布斯自由能变化，R为理 1460~1472℃，凝固结束温度分别为1385℃和低于 想气体常数，T为绝对温度，[%V]为凝固前沿液相 1327℃[2].凝固过程中，液相中合金元素浓度可用 中V的质量分数，[%C]为凝固前沿液相中C的质 微观偏析模型描述.随着凝固的进行，残余液相中 量分数，f和f分别为V和C的Wagner活度系数， 合金元素浓度不断升高，液析碳化物生成反应的吉 可由下式求得： 布斯自由能变化△G不断降低，当△G<0时，碳化物 log时=e[%i]+∑[%j] (4) 在液相中产生.由于实际凝固过程的复杂性和液析 式中，C为合金元素j对i的活度相互作用系数，可毛明涛等: H13 热作模具钢中液析碳化物的研究进展 图 2 H13 钢中多层结构的 MC 型液析碳化物的生成原理图[21] Fig. 2 Schematic diagram of the precipitation of MC in H13 steel [21] M23C6型碳化物[24鄄鄄26] . 其中 M7C3和 M23C6为富 Cr 型 碳化物[27] , M2C 和 M6 C 为富 Mo 型碳化物[28] ,MC 为富 V 型碳化物[29] . 图 3 ThermoCalc 计算的 H13 钢平衡凝固相转变图[23] Fig. 3 Equilibrium phase transformation diagram of H13 steel calcu鄄 lated using the ThermoCalc software [23] H13 钢在实际凝固过程中,由于合金元素偏析, 其相变过程与平衡凝固相变过程存在较大差异,相 变过程更为复杂[30] . 如平衡凝固和非平衡凝固时 啄 铁素体 存 在 温 度 区 间 分 别 为 1410 ~ 1472 益 及 1460 ~ 1472 益 ,凝固结束温度分别为 1385 益和低于 1327 益 [22] . 凝固过程中,液相中合金元素浓度可用 微观偏析模型描述. 随着凝固的进行,残余液相中 合金元素浓度不断升高,液析碳化物生成反应的吉 布斯自由能变化 驻G 不断降低,当 驻G < 0 时,碳化物 在液相中产生. 由于实际凝固过程的复杂性和液析 碳化物的多种存在形式,使得对 H13 钢中液析碳化 物的生成热力研究变得十分困难,目前研究者们在 解释 H13 钢非平衡凝固过程中液析碳化物的种类 及生成规律时,主要有以下三种方法: (1)简化 H13 钢中的液析碳化物,认为液析碳 化物是简单的 MC 型碳化物,其中富 V 型液析碳化 物为 VC, 富 Mo 型液析碳化物为 MoC、 Mo2 C 或 Mo6C,富 Cr 型液析碳化物为 Cr7C3或 Cr23C6 ,富 Ti、 Nb 型液析碳化物为 TiN、TiC、NbN 或 NbC,利用微 观偏析模型计算凝固偏析并进行热力学计算[31鄄鄄33] . H13 钢非平衡凝固过程中固液前沿液相中合金 元素浓度可用下式[34]表示: CL = C0 [1 - (1 - 椎k)PS ] (k - 1) / (1 - 椎k) (1) 式中,CL 为液相中元素浓度,C0 为元素初始浓度,k 为元素在固液相中的分配系数,PS 为固相率,椎 为 不同微观偏析模型的固相反扩散统一参数. 以 VC 为例,其在液相中的生成过程可用下式 表示: [V] + [C] = VC(s) (2) 该反应的吉布斯自由能变化 驻G 可由下式求得 驻G = 驻G 苓 + RTln 1 fV[% V]fC [% C] (3) 式中,驻G 苓为反应的标准吉布斯自由能变化,R 为理 想气体常数,T 为绝对温度,[% V]为凝固前沿液相 中 V 的质量分数,[% C]为凝固前沿液相中 C 的质 量分数,fV 和 fC 分别为 V 和 C 的 Wagner 活度系数, 可由下式求得: logf i = e i i[% i] + 移 e j i[% j] (4) 式中,e j i 为合金元素 j 对 i 的活度相互作用系数,可 ·1291·