.1294· 工程科学学报，第40卷，第11期 100 化物. 。实验数据 通过振动或搅拌等外界干涉使凝固两相区中 一拟合曲线 80 固液相产生相对运动，也可以有效地减轻溶质元 素偏析，控制液析碳化物的生成过程.如电磁搅拌 60 技术[4)、机械搅拌技术【s]、半固态浇铸技术【6-] 等新技术，通过控制凝固过程得到小尺寸晶胞，使 40 得晶胞间区域元素偏析减弱，从而控制液析碳化 物的生成 20 综上所述，对于常规的H3钢铸锭生产工艺， 调整工艺参数或是采用不同的生产工艺仅仅能在一 20 40 6080 100 定程度上控制液析碳化物的尺寸和数量，无法完全 液析碳化物的最大尺寸/um 抑制液析碳化物的产生.利用喷射成型或凝固控制 图7H13钢中液析碳化物的最大尺寸与退火态冲击功的关系 新技术可以避免液析碳化物在凝固过程中产生，但 Fig.7 Relationship between the size of primary carbides and the 会大大增加铸锭生产的工艺复杂性和成本 toughness of annealed H13 steel 2.2变质处理 化物的生成、尺寸、数量及分布.当凝固局部冷却速 为了得到更好的凝固组织和产品质量，国内外 度较慢时，可以认为固液界面处的溶质分配达到平 对H13钢的变质处理开展了广泛的研究.针对H13 衡.根据Clyne--Kurzt4)微观偏析模型，随着局部冷 钢的变质处理主要是为了得到均匀细小的胞状晶， 却速度的增加，固相反扩散时间缩短，枝晶间凝固偏 以及弥散分布的液析碳化物.比较常见的处理方式 析加剧.但在局部凝固冷却速度很快时，固液界面 有稀土处理，Nb、T微合金化处理，加入异质形核剂 将会极大地偏离平衡状态.高义民指出[2]，当晶体 处理等 长大速度趋向于时，固液界面溶质分配系数接近 稀土处理已被证实会影响液析碳化物的生成过 于1，此时随着局部冷却速度的增加，凝固偏析 程[】.兰杰等[950)在H13钢中加入稀土元素进行 减弱. 变质处理后，发现H13钢枝晶偏析减弱，大尺寸液 工业生产H13钢铸锭时通常采用模铸、连铸和 析碳化物数量减少，经调质热处理即可消除其中的 电渣重熔等工艺.铸锭生产工艺或工艺参数不同 液析碳化物.黄字等s1)通过向工业级H13钢中加 时，凝固条件会有差别，液析碳化物的特征也会有所 入稀土元素，将可作为液析碳化物形核核心的 不同.刘振天等[]对比了电渣重熔工艺及模铸工 Mg0·A山，O,完全改性为难以作为液析碳化物异质形 艺生产的H13钢，发现两种工艺生产的H13钢铸锭 核核心的Ce,O,S及Ce,03,有效地抑制了液析碳化 即使经过均匀化处理及锻造后，仍可在其心部发现 物的异质形核，减少了大尺寸液析碳化物的数量. 大尺寸液析碳化物.马党参等1]利用双极串联电 稀土处理可以细化H13钢的晶粒尺寸，并可以改性 渣重熔工艺生产了直径385mm的H13铸锭，发现 夹杂物，减少大尺寸夹杂物和液析碳化物的数量，但 快速电渣重熔生产时，局部冷却速度较慢，铸锭的枝 稀土元素加入过多时，会导致铸态组织恶化，材料性 晶间距更大，枝晶间显微偏析严重，且液析碳化物尺 能下降] 寸更大.在常规的模铸、连铸和电渣重熔工艺对应 Nb、Ti微合金化处理也会对H13钢中的液析碳 的局部冷却速度条件下，其固液界面处于平衡状态， 化物产生显著影响.王明等[6]向H13钢中加入了质 随着冷却速度的增加，凝固偏析加剧，液析碳化物的 量分数0.06%的Nb,发现与标准H13钢相比，加 生成温度升高，尺寸减小，数量增多且分布更加均 Nb后显著加重了凝固偏析，并使得MC型液析碳化 匀，但是液析碳化物的类型不发生变化1] 物以VC为主转变为以(V,Nb)C为主，液析碳化 近年来，喷射成型也被用于H13铸锭的生产 物的数量增多且热力学稳定性提高.谢有等[，1] 中，通过极高的冷却速度(103~10℃·s1)消除凝 研究了Nb、Ti微合金化H13钢的凝固过程，发现 固过程中的微观偏析，抑制液析碳化物在凝固过程 微合金化后，大量富Nb、Ti的MC型液析碳化物会 中的产生.张金祥等对比了传统铸造工艺与喷射 在凝固过程中生成，且与标准H13钢中的液析碳 成型工艺制造H13钢的显微组织，发现利用喷射成 化物相比，富Nb、Ti的MC型液析碳化物在高温扩 型工艺生产的H13钢，基体组织中没有液析碳 散中更加稳定.与V相比，Nb、Ti合金元素与C有工程科学学报,第 40 卷,第 11 期 图 7 H13 钢中液析碳化物的最大尺寸与退火态冲击功的关系 Fig. 7 Relationship between the size of primary carbides and the toughness of annealed H13 steel 化物的生成、尺寸、数量及分布. 当凝固局部冷却速 度较慢时,可以认为固液界面处的溶质分配达到平 衡. 根据 Clyne鄄鄄Kurz [41]微观偏析模型,随着局部冷 却速度的增加,固相反扩散时间缩短,枝晶间凝固偏 析加剧. 但在局部凝固冷却速度很快时,固液界面 将会极大地偏离平衡状态. 高义民指出[42] ,当晶体 长大速度趋向于肄 时,固液界面溶质分配系数接近 于 1,此时随着局部冷却速度的增加,凝固偏析 减弱. 工业生产 H13 钢铸锭时通常采用模铸、连铸和 电渣重熔等工艺. 铸锭生产工艺或工艺参数不同 时,凝固条件会有差别,液析碳化物的特征也会有所 不同. 刘振天等[43] 对比了电渣重熔工艺及模铸工 艺生产的 H13 钢,发现两种工艺生产的 H13 钢铸锭 即使经过均匀化处理及锻造后,仍可在其心部发现 大尺寸液析碳化物. 马党参等[12] 利用双极串联电 渣重熔工艺生产了直径 准385 mm 的 H13 铸锭,发现 快速电渣重熔生产时,局部冷却速度较慢,铸锭的枝 晶间距更大,枝晶间显微偏析严重,且液析碳化物尺 寸更大. 在常规的模铸、连铸和电渣重熔工艺对应 的局部冷却速度条件下,其固液界面处于平衡状态, 随着冷却速度的增加,凝固偏析加剧,液析碳化物的 生成温度升高,尺寸减小,数量增多且分布更加均 匀,但是液析碳化物的类型不发生变化[18] . 近年来,喷射成型也被用于 H13 铸锭的生产 中,通过极高的冷却速度(10 3 ~ 10 5益·s - 1 ) 消除凝 固过程中的微观偏析,抑制液析碳化物在凝固过程 中的产生. 张金祥等[9]对比了传统铸造工艺与喷射 成型工艺制造 H13 钢的显微组织,发现利用喷射成 型工艺生产的 H13 钢, 基体组织中没有液析碳 化物. 通过振动或搅拌等外界干涉使凝固两相区中 固液相产生相对运动,也可以有效地减轻溶质元 素偏析,控制液析碳化物的生成过程. 如电磁搅拌 技术[44] 、机械搅拌技术[45] 、半固态浇铸技术[46鄄鄄47] 等新技术,通过控制凝固过程得到小尺寸晶胞,使 得晶胞间区域元素偏析减弱,从而控制液析碳化 物的生成. 综上所述,对于常规的 H13 钢铸锭生产工艺, 调整工艺参数或是采用不同的生产工艺仅仅能在一 定程度上控制液析碳化物的尺寸和数量,无法完全 抑制液析碳化物的产生. 利用喷射成型或凝固控制 新技术可以避免液析碳化物在凝固过程中产生,但 会大大增加铸锭生产的工艺复杂性和成本. 2郾 2 变质处理 为了得到更好的凝固组织和产品质量,国内外 对 H13 钢的变质处理开展了广泛的研究. 针对 H13 钢的变质处理主要是为了得到均匀细小的胞状晶, 以及弥散分布的液析碳化物. 比较常见的处理方式 有稀土处理,Nb、Ti 微合金化处理,加入异质形核剂 处理等. 稀土处理已被证实会影响液析碳化物的生成过 程[48] . 兰杰等[49鄄鄄50]在 H13 钢中加入稀土元素进行 变质处理后,发现 H13 钢枝晶偏析减弱,大尺寸液 析碳化物数量减少,经调质热处理即可消除其中的 液析碳化物. 黄宇等[51] 通过向工业级 H13 钢中加 入稀土元素,将可作为液析碳化物形核核心的 MgO·Al 2O3完全改性为难以作为液析碳化物异质形 核核心的 Ce2O2 S 及 Ce2O3 ,有效地抑制了液析碳化 物的异质形核,减少了大尺寸液析碳化物的数量. 稀土处理可以细化 H13 钢的晶粒尺寸,并可以改性 夹杂物,减少大尺寸夹杂物和液析碳化物的数量,但 稀土元素加入过多时,会导致铸态组织恶化,材料性 能下降[52] . Nb、Ti 微合金化处理也会对 H13 钢中的液析碳 化物产生显著影响. 王明等[6]向 H13 钢中加入了质 量分数 0郾 06% 的 Nb,发现与标准 H13 钢相比,加 Nb 后显著加重了凝固偏析,并使得 MC 型液析碳化 物以 VC 为主转变为以(V, Nb) C 为主,液析碳化 物的数量增多且热力学稳定性提高. 谢有等[7,19] 研究了 Nb、Ti 微合金化 H13 钢的凝固过程,发现 微合金化后,大量富 Nb、Ti 的 MC 型液析碳化物会 在凝固过程中生成,且与标准 H13 钢中的液析碳 化物相比,富 Nb、Ti 的 MC 型液析碳化物在高温扩 散中更加稳定. 与 V 相比,Nb、Ti 合金元素与 C 有 ·1294·