毛明涛等：H13热作模具钢中液析碳化物的研究进展 ·1293· 碳化物是在凝固终点附近产生的，且不同凝固阶段 物的存在会造成基体组织的不连续，材料服役过 产生的液析碳化物组成不同. 程中受冲击载荷和热应力的作用时，容易在液析 1.3液析碳化物对H13钢性能的影响 碳化物处产生应力集中而萌发微观裂纹.Mishnae- H13钢中的液析碳化物会消耗基体中的合金 vsky等原位观察到工具钢在外力作用下，液析 元素，使得合金元素对材料的强化作用减弱，造成 碳化物处产生微观裂纹并向基体中扩展并合并， 基体强度下降.淬回火热处理后H13钢模具的基 最终导致材料的开裂，如图6所示，需要指出的 体组织硬度约400~600HV,而液析碳化物的硬度 是，由于观察方向与工具钢表面不垂直，图中水平 约1500~2000HV[36],远高于基体硬度.液析碳化 和垂直方向的比例与实际比例不一致 (a) (c) (d) 40m 图6原位观察液析碳化物在外力作用下的开裂.(a,c)开裂前：(b,d)开裂后别 Fig.6 In situ observation of cracks around primary carbides:(a,e)before failure;(b,d)after failure[7] 液析碳化物影响H13钢的抗冷热疲劳开裂性 的等向性能[o) 能，在周期性冷热疲劳的作用下，液析碳化物会与基 2H13钢中液析碳化物的控制手段 体发生脱离，导致微观孔洞的产生，引起材料热疲劳 开裂的过早发生[3】.随着液析碳化物的增加，材料 控制液析碳化物的数量及尺寸可以减轻其对 的冲击韧性也会发生显著降低.王辉等[9]研究了 H13钢性能的不利影响.研究者们主要从以下几个 不同液析碳化物级别对H13钢力学性能的影响，发 方面对液析碳化物的控制进行了研究：(1)通过控 现液析碳化物的级别越高，材料的冲击功越低.王 制凝固过程参数或采用新的铸锭生产工艺，控制液 明等[6在H13钢的冲击试样断口处发现了液析碳 析碳化物的产生时机、尺寸和形状：(2)对铸锭进行 化物，且液析碳化物较多时，材料的冲击韧性下降. 锻造及高温扩散，破碎、消除已产生的液析碳化物： 本团队实验分析总结了H13钢中液析碳化物的尺 (3)对H13钢的成分进行调整，开发液析碳化物不 寸对退火试样冲击功的影响，见图7所示，大尺寸液 敏感的改进型H13钢 析碳化物的存在会使得材料的韧性急剧降低.H13 2.1凝固控制 钢中的液析碳化物经过锻造或轧制后，集中存在于 H13钢中的液析碳化物是由于元素偏析而在凝 偏析带中，因此液析碳化物的存在也会影响H13钢 固前沿生成的，因此，控制凝固偏析可以控制液析碳毛明涛等: H13 热作模具钢中液析碳化物的研究进展 碳化物是在凝固终点附近产生的,且不同凝固阶段 产生的液析碳化物组成不同. 1郾 3 液析碳化物对 H13 钢性能的影响 H13 钢中的液析碳化物会消耗基体中的合金 元素,使得合金元素对材料的强化作用减弱,造成 基体强度下降. 淬回火热处理后 H13 钢模具的基 体组织硬度约 400 ~ 600 HV,而液析碳化物的硬度 约1500 ~ 2000 HV [36] ,远高于基体硬度. 液析碳化 物的存在会造成基体组织的不连续,材料服役过 程中受冲击载荷和热应力的作用时,容易在液析 碳化物处产生应力集中而萌发微观裂纹. Mishnae鄄 vsky 等[37]原位观察到工具钢在外力作用下,液析 碳化物处产生微观裂纹并向基体中扩展并合并, 最终导致材料的开裂,如图 6 所示,需要指出的 是,由于观察方向与工具钢表面不垂直,图中水平 和垂直方向的比例与实际比例不一致. 图 6 原位观察液析碳化物在外力作用下的开裂. (a, c)开裂前; (b, d)开裂后[37] Fig. 6 In situ observation of cracks around primary carbides: (a, c) before failure; (b, d) after failure [37] 液析碳化物影响 H13 钢的抗冷热疲劳开裂性 能,在周期性冷热疲劳的作用下,液析碳化物会与基 体发生脱离,导致微观孔洞的产生,引起材料热疲劳 开裂的过早发生[38] . 随着液析碳化物的增加,材料 的冲击韧性也会发生显著降低. 王辉等[39] 研究了 不同液析碳化物级别对 H13 钢力学性能的影响,发 现液析碳化物的级别越高,材料的冲击功越低. 王 明等[6]在 H13 钢的冲击试样断口处发现了液析碳 化物,且液析碳化物较多时,材料的冲击韧性下降. 本团队实验分析总结了 H13 钢中液析碳化物的尺 寸对退火试样冲击功的影响,见图 7 所示,大尺寸液 析碳化物的存在会使得材料的韧性急剧降低. H13 钢中的液析碳化物经过锻造或轧制后,集中存在于 偏析带中,因此液析碳化物的存在也会影响 H13 钢 的等向性能[40] . 2 H13 钢中液析碳化物的控制手段 控制液析碳化物的数量及尺寸可以减轻其对 H13 钢性能的不利影响. 研究者们主要从以下几个 方面对液析碳化物的控制进行了研究:(1) 通过控 制凝固过程参数或采用新的铸锭生产工艺,控制液 析碳化物的产生时机、尺寸和形状;(2)对铸锭进行 锻造及高温扩散,破碎、消除已产生的液析碳化物; (3)对 H13 钢的成分进行调整,开发液析碳化物不 敏感的改进型 H13 钢. 2郾 1 凝固控制 H13 钢中的液析碳化物是由于元素偏析而在凝 固前沿生成的,因此,控制凝固偏析可以控制液析碳 ·1293·