·722· 工程科学学报，第39卷，第5期 original carbonitrides disappear by zone dissolution from outer to inner.The equilibrium temperature of carbonitrides dissolution has a relationship with its constituents based on the two-sublattice model,and dissolution temperature for most (Ti,,V)(C,,N)in sample is between 1200 C and 1246C,which fits well with the experimental results. KEY WORDS H13 die steel;primary carbonitrides;high temperature decomposition;composition change;morphology and size of carbonitrides H13钢（国标4Cr5 MoSiV1)为Cr-Mo-V系中碳中 第二相与基体也可发生反应引起第二相成分的变 合金钢，含有8%的合金，是一种广泛用于挤压、压铸 化，例如钢中AL203、Ti,0、AL2Ti0,氧化物夹杂在 等领域的热作模具钢.如果成分不适或凝固条件控制 1200℃加热后会转变为Al-Fe-0系和Al-Ti-Fe-0 不当-)]，H13钢中会生成粗大的初生碳氨化物，其在 系夹杂[山，镍基高温合金中的初生MC碳化物在 热加工过程中不易破碎且会割裂基体诱发裂纹[-)， 800~900℃时通过与基体y相发生反应转变为 同时大尺寸的碳氨化物（如无特殊说明本文提及的碳 MC。或M,C).尽管经过高温扩散使HI3钢中小 氨化物均为初生碳氨化物)具有较高的稳定性，会存 颗粒MC完全溶解，但大块MC碳化物仅部分溶 在于回火组织中，引起碳氨化物偏析导致合金各向性 解4，，对大尺寸碳氨化物的高温溶解机理和变化规 能的差异)，使材料的综合性能下降.同时形成的粗 律尚没有详细报道.本文对H13钢中初生碳氨化物 大碳氮化物消耗合金元素，使基体固溶的合金含量降 高温时的尺寸、数量、形貌及成分的变化规律进行研 低，不利于回火过程细小析出相的生成，会降低合金的 究，同时也说明了高温时碳氨化物的分解机理. 强化作用及细化组织作用，导致合金的强度、塑性等 1实验方法 降低.因此控制H13钢中的初生碳氨化物成为提高模 具使用性能和寿命的重要研究内容. 实验用H3钢的主要成分见表1.切取试样后在 研究指出可通过调整合金元素成分[)、控制冷 实验室电阻炉中进行热处理，1200℃分别保温2.5、5、 速2，】、添加稀土元素[和合适的热加工[4等控制 10h,在1250℃分别保温5、10、15h,然后分别进行油 H13钢中大尺寸碳氨化物的尺寸及分布，本研究对 冷.将各试样经体积分数为5%的硝酸酒精溶液侵蚀 H13钢中碳氨化物的高温行为进行研究，以达到控 处理后，使用金相显微镜观察试样初生碳氨化物尺寸 制碳氨化物的目的.高温处理时，氧化物[)、硫化 和分布，通过扫描电镜和场发射扫描电子探针对第二 物及碳氨化物[数量、尺寸、形貌等均发生变化， 相粒子合金组成和非金属元素进行分析. 表1H13热作模具钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of H13 hot work die steel % Si Mn P C Mo Ti 0.40 0.93 0.38 0.012 <0.001 5.17 1.55 1.04 0.0024 0.0107 2实验结果 条形粒子表达式为(V,Mo-)(Cy,N,),x在 0.75~0.95之间，y主要在0.80~0.90之间.电子 2.1原始初生碳氨化物的特征 探针测定方形粒子(Ti,V,-)(C,N-,)的xy在较 实验用H13钢原始试样中存在大量初生碳氨化 宽范围内变化，x在0.05~0.70间波动，x值增高时 物，这是由于凝固时元素偏析导致的山，部分在黑色 y会减小，图2(c)中方形粒子x为0.67，y为0.05， 偏析带中呈链状分布，主要为长条状及少量方形粒 为富Ti、N的碳氮化物. 子，其形貌和成分见图1.扫描电镜能谱分析长条状 原始试样中碳氨化物尺寸分布见图3，长度1大于 碳氨化物主要含有V、Mo以及少量C、Fe等元素，大19.5um的碳氮化物占52%，仅有6%长度小于 部分长度在10~25μm之间.方形粒子主要含有Ti、9.5μm,平均长度l=21.3μm.以长宽比定义碳氮化 V及少量Mo等元素，尺寸在10m左右，凝固时先物形状，长宽比大于3时为长条形，长宽比在1.0~1.5 生成的Ti、V碳氨化物可作为V、Mo碳氨化物的形核 时视为方形，当粒子形状不规则时，以最大长度、中间 核心四，见图1(c)中ptl、p2所指示的粒子.使用电 宽度为测量值.据此分析仅9%的碳氨化物粒子长宽 子探针对碳氨化物组成进行分析，如图2和表2所 比介于1.0~1.5，长条状碳氮化物占63%，故H13钢 示，根据测定的主要元素含量，图2(a)和2(b)中长 原始试样中以长条状碳氨化物为主.工程科学学报,第 39 卷,第 5 期 original carbonitrides disappear by zone dissolution from outer to inner. The equilibrium temperature of carbonitrides dissolution has a relationship with its constituents based on the two鄄sublattice model, and dissolution temperature for most (Ti x,V1 - x ) (Cy,N1 - y ) in sample is between 1200 益 and 1246 益 , which fits well with the experimental results. KEY WORDS H13 die steel; primary carbonitrides; high temperature decomposition; composition change; morphology and size of carbonitrides H13 钢(国标 4Cr5MoSiV1)为 Cr鄄鄄Mo鄄鄄V 系中碳中 合金钢,含有 8% 的合金,是一种广泛用于挤压、压铸 等领域的热作模具钢. 如果成分不适或凝固条件控制 不当[1鄄鄄2] ,H13 钢中会生成粗大的初生碳氮化物,其在 热加工过程中不易破碎且会割裂基体诱发裂纹[3鄄鄄4] , 同时大尺寸的碳氮化物(如无特殊说明本文提及的碳 氮化物均为初生碳氮化物) 具有较高的稳定性,会存 在于回火组织中,引起碳氮化物偏析导致合金各向性 能的差异[5] ,使材料的综合性能下降. 同时形成的粗 大碳氮化物消耗合金元素,使基体固溶的合金含量降 低,不利于回火过程细小析出相的生成,会降低合金的 强化作用及细化组织作用[6] ,导致合金的强度、塑性等 降低. 因此控制 H13 钢中的初生碳氮化物成为提高模 具使用性能和寿命的重要研究内容. 研究指出可通过调整合金元素成分[7] 、控制冷 速[2,8] 、添加稀土元素[9] 和合适的热加工[4] 等控制 H13 钢中大尺寸碳氮化物的尺寸及分布,本研究对 H13 钢中碳氮化物的高温行为进行研究,以达到控 制碳氮化物的目的. 高温处理时,氧化物[10] 、硫化 物[11]及碳氮化物[12]数量、尺寸、形貌等均发生变化, 第二相与基体也可发生反应引起第二相成分的变 化,例如 钢 中 Al 2 O3 、 Ti 3 O5 、 Al 2 TiO5 氧 化 物 夹 杂 在 1200 益 加热后会转变为 Al鄄鄄 Fe鄄鄄O 系和 Al鄄鄄 Ti鄄鄄 Fe鄄鄄 O 系夹杂[11] ,镍 基 高 温 合 金 中 的 初 生 MC 碳 化 物 在 800 ~ 900 益 时 通 过 与 基 体 酌 相 发 生 反 应 转 变 为 M23C6或 M6C [13] . 尽管经过高温扩散使 H13 钢中小 颗粒 MC 完 全 溶 解, 但 大 块 MC 碳 化 物 仅 部 分 溶 解[14] ,对大尺寸碳氮化物的高温溶解机理和变化规 律尚没有详细报道. 本文对 H13 钢中初生碳氮化物 高温时的尺寸、数量、形貌及成分的变化规律进行研 究,同时也说明了高温时碳氮化物的分解机理. 1 实验方法 实验用 H13 钢的主要成分见表 1. 切取试样后在 实验室电阻炉中进行热处理,1200 益 分别保温 2郾 5、5、 10 h,在 1250 益 分别保温 5、10、15 h,然后分别进行油 冷. 将各试样经体积分数为 5% 的硝酸酒精溶液侵蚀 处理后,使用金相显微镜观察试样初生碳氮化物尺寸 和分布,通过扫描电镜和场发射扫描电子探针对第二 相粒子合金组成和非金属元素进行分析. 表 1 H13 热作模具钢的化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of H13 hot work die steel % C Si Mn P S Cr Mo V Ti N 0郾 40 0郾 93 0郾 38 0郾 012 < 0郾 001 5郾 17 1郾 55 1郾 04 0郾 0024 0郾 0107 2 实验结果 2郾 1 原始初生碳氮化物的特征 实验用 H13 钢原始试样中存在大量初生碳氮化 物,这是由于凝固时元素偏析导致的[1] ,部分在黑色 偏析带中呈链状分布,主要为长条状及少量方形粒 子,其形貌和成分见图 1. 扫描电镜能谱分析长条状 碳氮化物主要含有 V、Mo 以及少量 Cr、Fe 等元素,大 部分长度在 10 ~ 25 滋m 之间. 方形粒子主要含有 Ti、 V 及少量 Mo 等元素,尺寸在 10 滋m 左右,凝固时先 生成的 Ti、V 碳氮化物可作为 V、Mo 碳氮化物的形核 核心[1] ,见图 1( c)中 pt1、pt2 所指示的粒子. 使用电 子探针对碳氮化物组成进行分析,如图 2 和表 2 所 示,根据测定的主要元素含量,图 2( a) 和 2 ( b) 中长 条形 粒 子 表 达 式 为 ( Vx, Mo1 - x ) ( Cy, N1 - y ) , x 在 0郾 75 ~ 0郾 95 之间,y 主要在 0郾 80 ~ 0郾 90 之间. 电子 探针测定方形粒子( Ti x,V1 - x) ( Cy,N1 - y) 的 x、y 在较 宽范围内变化,x 在 0郾 05 ~ 0郾 70 间波动,x 值增高时 y 会减小,图 2 ( c) 中方形粒子 x 为 0郾 67,y 为 0郾 05, 为富 Ti、N 的碳氮化物. 原始试样中碳氮化物尺寸分布见图 3,长度 l 大于 19郾 5 滋m 的 碳 氮 化 物 占 52% , 仅 有 6% 长 度 小 于 9郾 5 滋m,平均长度 l ave = 21郾 3 滋m. 以长宽比定义碳氮化 物形状,长宽比大于3 时为长条形,长宽比在1郾 0 ~ 1郾 5 时视为方形,当粒子形状不规则时,以最大长度、中间 宽度为测量值. 据此分析仅 9% 的碳氮化物粒子长宽 比介于 1郾 0 ~ 1郾 5,长条状碳氮化物占 63% ,故 H13 钢 原始试样中以长条状碳氮化物为主. ·722·