毛明涛等：H13热作模具钢中液析碳化物的研究进展 ·1289· KEY WORDS H13 hot work die steel;primary carbide;microsegregation;precipitation thermodynamics;high temperature homoge- nization:composition optimization 模具工业是现代制造业的核心，影响着工业产 化学成分（质量分数，%）为：C0.32~0.45, 品的生产发展.模具制造水平是衡量一个国家制造 Si0.8-1.2,Mn0.2~0.5,P≤0.03，S≤0.03， 水平的重要指标，而模具钢是影响模具使用寿命的 Cr4.75~5.5,Mo1.1~1.75,V0.8~1.2,Fe余量 重要因素.美标ASH13钢，对应于国标牌号 H13钢中的液析碳化物是指凝固过程中在固液前沿 4C5 MoSiV1,是国内外使用最广泛的热作模具钢， 产生的碳化物，由于其与固相中产生的二次碳化物 具有十分优良的综合机械性能和较低的成本，用于 在成分和类型上无明显差别，目前在区分两者时主 工作温度600℃以下的各种热锻模、热挤压模和铝、 要通过尺寸进行区分，通常认为H13钢铸态组织中 锌、镁等有色金属的压铸模以及较精密的塑料模. 尺寸大于0.5μm的碳化物为液析碳化物. 其中，H13钢的质量是决定模具使用寿命的关键 HI3钢中的V、Mo、Cr以及可能存在的Ti、Nb 因素 等元素可与C结合形成MC、MC、M,C3、MaC6、MC 近年来，研究人员围绕H13钢的纯净化处 等多种类型的碳化物.不同的研究者对H13钢中液 理-)、表面处理技术[4-)、Nb/Ti微合金化[6-刃、热 析碳化物类型的分析存在差异，如表1所示，分析结 成型技术[]和凝固控制技术[]等方面开展了系统 果与铸锭凝固组织及实验方法有关 工作，并取得了显著进展.然而，在提高H13钢纯净 表1H13钢中液析碳化物的种类 度和均匀性的同时，如何控制钢中的液析碳化物，以 Table 1 Types of primary carbides in H13 steel 提高韧性、降低开裂风险一直是影响HI3钢性能的 状态 液析碳化物类型 研究尺寸文献来源 关键问题，制约了国产H13钢品质和稳定性的进一 160mm铸锭 VsC7、MeC 5um以上 [10] 步提升.H13钢中的液析碳化物是指凝固过程中由 MC、VgC、 于偏析而在固液前沿产生的碳化物，其尺寸在几微 b50mm铸锭 0.5μm以上 [18] M2aC6、M6C 米甚至几十微米以上，热稳定性高，难以在后续热变 MC、M6C、 形和热处理中消除，在材料服役过程中容易产生应 50mm铸锭 3μm以上 [19] M2C3 力集中并引起微观裂纹的生成及扩展.由于H13钢 锻态 M(CN)、M.C 未说明 [20] 中的液析碳化物处于热力学亚稳定状态，在铸锭凝 固、热加工、热处理等工艺过程中，可以通过调整工 根据形貌的不同，H13钢中的液析碳化物可分 艺参数控制液析碳化物的种类、尺寸、含量及分布状 为多边形、长条形、块状及共晶的层片状：根据结构 态1).因此，阐明H13钢中液析碳化物的特点及其 不同，液析碳化物可分为MC型、M。C型、M,C3或 在材料生产过程中的变化规律，对延长H13钢的使 MC6型：根据成分的不同，可分为富Mo型、富V型 用寿命和提升国产H13钢的市场竞争力具有重要 和富T、Nb型，本团队研究了典型液析碳化物的形 意义 貌，如图1所示.液析碳化物中可以固溶多种合金 以往关于H13钢的研究工作主要集中于铸锭 元素，如富V型液析碳化物中合金元素可为V、Mo、 生产工艺2)、高温扩散及锻造工艺-1)和热处理 Ti、Nb等元素中的两种甚至多种，富Mo型液析碳化 工艺[16-]对其组织和性能的影响，较少的从液析碳 物富含Mo、Cr、Fe等元素，而富Cr型碳化物富含 化物的产生及控制角度来分析H13的生产工艺流 Cr、Fe等合金元素.不同类型的液析碳化物相互依 程.基于此，本文将首先介绍H13钢中不同类型液 附生长并可形成混合相，大大增加了液析碳化物研 析碳化物的特征，阐明其产生机理和对H13钢性能 究的复杂性. 的影响：其次，论述凝固控制、微合金化和高温扩散 研究表明H13钢中的液析碳化物存在多层结 等工艺对液析碳化物的作用，并提出进一步控制 构，这反应了不同类型液析碳化物生成过程的差异. H13钢中液析碳化物的手段， Xie等[19,2)通过热力学软件计算分析了Nb、Ti微合 金化H13钢中具有多层结构的液析碳化物的生成 1H13钢中的液析碳化物 过程，认为H13钢在凝固过程中首先在液相中生成 1.1液析碳化物的特征 MgO·A山20，等氧化物，随着凝固的进行，V、Mo、C等 H13钢是一种中碳中合金热作模具钢，其主要 元素逐渐在界面前沿聚集，当固相率分别为0.761、毛明涛等: H13 热作模具钢中液析碳化物的研究进展 KEY WORDS H13 hot work die steel; primary carbide; microsegregation; precipitation thermodynamics; high temperature homoge鄄 nization; composition optimization 模具工业是现代制造业的核心,影响着工业产 品的生产发展. 模具制造水平是衡量一个国家制造 水平的重要指标,而模具钢是影响模具使用寿命的 重要因 素. 美 标 AISI H13 钢, 对 应 于 国 标 牌 号 4Cr5MoSiV1,是国内外使用最广泛的热作模具钢, 具有十分优良的综合机械性能和较低的成本,用于 工作温度 600 益以下的各种热锻模、热挤压模和铝、 锌、镁等有色金属的压铸模以及较精密的塑料模. 其中,H13 钢的质量是决定模具使用寿命的关键 因素. 近年 来, 研 究 人 员 围 绕 H13 钢 的 纯 净 化 处 理[1鄄鄄3] 、表面处理技术[4鄄鄄5] 、Nb / Ti 微合金化[6鄄鄄7] 、热 成型技术[8] 和凝固控制技术[9] 等方面开展了系统 工作,并取得了显著进展. 然而,在提高 H13 钢纯净 度和均匀性的同时,如何控制钢中的液析碳化物,以 提高韧性、降低开裂风险一直是影响 H13 钢性能的 关键问题,制约了国产 H13 钢品质和稳定性的进一 步提升. H13 钢中的液析碳化物是指凝固过程中由 于偏析而在固液前沿产生的碳化物,其尺寸在几微 米甚至几十微米以上,热稳定性高,难以在后续热变 形和热处理中消除,在材料服役过程中容易产生应 力集中并引起微观裂纹的生成及扩展. 由于 H13 钢 中的液析碳化物处于热力学亚稳定状态,在铸锭凝 固、热加工、热处理等工艺过程中,可以通过调整工 艺参数控制液析碳化物的种类、尺寸、含量及分布状 态[10] . 因此,阐明 H13 钢中液析碳化物的特点及其 在材料生产过程中的变化规律,对延长 H13 钢的使 用寿命和提升国产 H13 钢的市场竞争力具有重要 意义. 以往关于 H13 钢的研究工作主要集中于铸锭 生产工艺[11鄄鄄12] 、高温扩散及锻造工艺[13鄄鄄15]和热处理 工艺[16鄄鄄17]对其组织和性能的影响,较少的从液析碳 化物的产生及控制角度来分析 H13 的生产工艺流 程. 基于此,本文将首先介绍 H13 钢中不同类型液 析碳化物的特征,阐明其产生机理和对 H13 钢性能 的影响;其次,论述凝固控制、微合金化和高温扩散 等工艺对液析碳化物的作用,并提出进一步控制 H13 钢中液析碳化物的手段. 1 H13 钢中的液析碳化物 1郾 1 液析碳化物的特征 H13 钢是一种中碳中合金热作模具钢,其主要 化学 成 分 ( 质 量 分 数,% ) 为: C 0郾 32 ~ 0郾 45, Si 0郾 8 ~ 1郾 2, Mn 0郾 2 ~ 0郾 5, P 臆 0郾 03, S 臆 0郾 03, Cr 4郾 75 ~ 5郾 5,Mo 1郾 1 ~ 1郾 75,V 0郾 8 ~ 1郾 2,Fe 余量. H13 钢中的液析碳化物是指凝固过程中在固液前沿 产生的碳化物,由于其与固相中产生的二次碳化物 在成分和类型上无明显差别,目前在区分两者时主 要通过尺寸进行区分,通常认为 H13 钢铸态组织中 尺寸大于 0郾 5 滋m 的碳化物为液析碳化物. H13 钢中的 V、Mo、Cr 以及可能存在的 Ti、Nb 等元素可与 C 结合形成 MC、M2C、M7C3 、M23C6 、M6C 等多种类型的碳化物. 不同的研究者对 H13 钢中液 析碳化物类型的分析存在差异,如表 1 所示,分析结 果与铸锭凝固组织及实验方法有关. 表 1 H13 钢中液析碳化物的种类 Table 1 Types of primary carbides in H13 steel 状态 液析碳化物类型 研究尺寸 文献来源 准160 mm 铸锭 V8C7 、M6C 5 滋m 以上 [10] 准50 mm 铸锭 MC、V8C7 、 M23C6 、M6C 0郾 5 滋m 以上 [18] 准50 mm 铸锭 MC、M6C、 M7C3 3 滋m 以上 [19] 锻态 M(CN)、M6C 未说明 [20] 根据形貌的不同,H13 钢中的液析碳化物可分 为多边形、长条形、块状及共晶的层片状;根据结构 不同,液析碳化物可分为 MC 型、M6 C 型、M7 C3 或 M23C6型;根据成分的不同,可分为富 Mo 型、富 V 型 和富 Ti、Nb 型,本团队研究了典型液析碳化物的形 貌,如图 1 所示. 液析碳化物中可以固溶多种合金 元素,如富 V 型液析碳化物中合金元素可为 V、Mo、 Ti、Nb 等元素中的两种甚至多种,富 Mo 型液析碳化 物富含 Mo、Cr、Fe 等元素,而富 Cr 型碳化物富含 Cr、Fe 等合金元素. 不同类型的液析碳化物相互依 附生长并可形成混合相,大大增加了液析碳化物研 究的复杂性. 研究表明 H13 钢中的液析碳化物存在多层结 构,这反应了不同类型液析碳化物生成过程的差异. Xie 等[19,21]通过热力学软件计算分析了 Nb、Ti 微合 金化 H13 钢中具有多层结构的液析碳化物的生成 过程,认为 H13 钢在凝固过程中首先在液相中生成 MgO·Al 2O3等氧化物,随着凝固的进行,V、Mo、C 等 元素逐渐在界面前沿聚集,当固相率分别为 0郾 761、 ·1289·