◆180 北京科技大学学报 第33卷 在中原特钢H13生产中取一5.0t铸锭，进行了解剖 化学成分控制标准见表1.在出钢过程中，加硅铝 分析，采用不同的分析检测手段研究H13钢锭中夹 钡、硅铁、铬铁等进行脱氧合金化：LF精炼中喂铝线 杂物及氧的分布规律 进行深脱氧，同时进行脱硫和合金成分调整：VD精 炼真空脱气，处理时间保持在30min左右：VD处理 1实验方法 后软吹10~15min,采用下注法在锭模中浇注，过热 模具钢H13的生产工艺流程为：40t电弧炉冶 度控制为30~50℃：钢锭脱模后采用电渣重熔以提 炼→LF精炼→VD处理→模铸→ESR电渣重熔.其 高钢的洁净度，然后锻造成材 表1H13钢主要化学成分控制标准（质量分数） Table 1 Control standard for the chemical composition of H13 Steel % C Si Mn Cr Mo Al. 0.35-0.390.90-1.100.30-0.40 ≤0.013 ≤0.0054.95-5.301.20-1.300.81-0.89 ≤0.03 为了分析夹杂物在钢锭中的分布，在钢锭距帽 量直径，取7.5umD为显微镜的视场直径，倍数为 口端40~90mm、钢锭高度中心处和距尾部40~90 640时，取300um;N为试样观察的视场数，本实验 mm的横截面上切取试样，且分别在各截面的中心、 为200个. 距中心1/4处、距中心1/2处、距中心3/4处和钢锭 2 边缘处切割试样，试样尺寸为165mm×50mm×50 结果与分析 mm,取样位置见图1.在所取试样上再分别切取金 2.1铸锭中夹杂物形貌与组成 相试样(15mm×15mm×15mm)和氧分析试样(b5 H13钢中典型夹杂物形貌与组成见表2.模铸 mm×50mm). 后铸锭中夹杂物可分为5类：1)近球形的Ca0- A山203-Si02夹杂：2)不规则形状的Mg0-Al,03夹 杂；3)块状TiN-VN夹杂，尺寸为5~10m;4)20~ 200μum沿晶界分布的条状VC-CrC-MoC夹杂物： 5)少量的CaS-MnS夹杂.前四种夹杂物数量均 较多. Ca0-Al20,-Si02夹杂和Mg0-A山03夹杂主要 为脱氧产物及浇铸过程中形成的二次氧化产物.铸 坯中这类夹杂物的组成处于SiO2-Ca0+MgO- 图1钢锭取样示意图 A山203三元系的中下部区域（图2），根据Si02-Ca0- Fig.1 Schematic diagram for ingot sampling A山，03和Si02-Mg0-A山，03相图，该夹杂物的熔点处 采用红外吸收法测定钢中的T[0]含量：采用 于1300~1800℃的范围6.因此，这些夹杂物在 扫描电镜观察夹杂物形貌，采用能谱分析分析夹杂 H13的服役温度范围内硬度较高，为脆性夹杂，对 物组成：采用金相法对试样中夹杂物数量进行定量 H13的热疲劳性能存在危害. 分析，在金相显微镜下每个试样统计200个视场，在 TiN-VN和VC-CrC-MoC是HI3钢凝固过程 每个视场中将夹杂物按大小(0~2.5m,2.5~5 中的析出物.TN-VN为棱角分明的块状脆性夹杂， μm,5~10um,10~20um,和>20μm)进行分类 对H13的热疲劳性能也有危害，应加强控制.但铸 统计.显微夹杂物的数量，采用下面公式计算： 坯中尺寸较大的长条状VC-CC-MoC夹杂物对 1=（Σdn:)/（D'N/A) H13钢的韧性、热疲劳性能危害更大)，必须在后续 (1) 热处理及电渣重溶中加以控制.钒是强碳化物形成 式中，I为单位面积上当量直径为B的夹杂物的个 元素，合金凝固过程中碳优先与钒结合形成碳化钒： 数：d:为不同级别夹杂物的平均直径，um(对0~ 随着凝固过程的继续，液相不断减少.偏析导致液 2.5μm,2.5~5μm,5~10μm,10~20μm,和>20 相中Cr和Mo等元素的含量升高，引起CrC和MoC m的夹杂物d分别取1.75,3.75,7.5,15，和30 在前期形成的VC上析出，形成VC-CrC-MoC复合 um);n:为不同级别夹杂物的个数；B为夹杂物的当 析出物.北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 在中原特钢 H13 生产中取一5. 0 t 铸锭，进行了解剖 分析，采用不同的分析检测手段研究 H13 钢锭中夹 杂物及氧的分布规律． 1 实验方法 模具钢 H13 的生产工艺流程为: 40 t 电弧炉冶 炼→LF 精炼→VD 处理→模铸→ESR 电渣重熔． 其 化学成分控制标准见表 1． 在出钢过程中，加硅铝 钡、硅铁、铬铁等进行脱氧合金化; LF 精炼中喂铝线 进行深脱氧，同时进行脱硫和合金成分调整; VD 精 炼真空脱气，处理时间保持在 30 min 左右; VD 处理 后软吹 10 ～ 15 min，采用下注法在锭模中浇注，过热 度控制为 30 ～ 50 ℃ ; 钢锭脱模后采用电渣重熔以提 高钢的洁净度，然后锻造成材． 表 1 H13 钢主要化学成分控制标准( 质量分数) Table 1 Control standard for the chemical composition of H13 Steel % C Si Mn P S Cr Mo V Als 0. 35 ～ 0. 39 0. 90 ～ 1. 10 0. 30 ～ 0. 40 ≤0. 013 ≤0. 005 4. 95 ～ 5. 30 1. 20 ～ 1. 30 0. 81 ～ 0. 89 ≤0. 03 为了分析夹杂物在钢锭中的分布，在钢锭距帽 口端 40 ～ 90 mm、钢锭高度中心处和距尾部 40 ～ 90 mm 的横截面上切取试样，且分别在各截面的中心、 距中心 1 /4 处、距中心 1 /2 处、距中心 3 /4 处和钢锭 边缘处切割试样，试样尺寸为 165 mm × 50 mm × 50 mm，取样位置见图 1． 在所取试样上再分别切取金 相试样( 15 mm × 15 mm × 15 mm) 和氧分析试样( 5 mm × 50 mm) ． 图 1 钢锭取样示意图 Fig． 1 Schematic diagram for ingot sampling 采用红外吸收法测定钢中的 T［O］含量; 采用 扫描电镜观察夹杂物形貌，采用能谱分析分析夹杂 物组成; 采用金相法对试样中夹杂物数量进行定量 分析，在金相显微镜下每个试样统计 200 个视场，在 每个视场中将夹杂物按大小( 0 ～ 2. 5 μm，2. 5 ～ 5 μm，5 ～ 10 μm，10 ～ 20 μm，和 ＞ 20 μm) 进行分类 统计． 显微夹杂物的数量，采用下面公式计算: I = ( ∑ dini ) ( πBD2 N/4) ( 1) 式中，I 为单位面积上当量直径为 B 的夹杂物的个 数; di 为不同级别夹杂物的平均直径，μm( 对 0 ～ 2. 5 μm，2. 5 ～ 5 μm，5 ～ 10 μm，10 ～ 20 μm，和 ＞ 20 μm 的夹杂物 di 分别取 1. 75，3. 75，7. 5，15，和 30 μm) ; ni 为不同级别夹杂物的个数; B 为夹杂物的当 量直径，取 7. 5 μm; D 为显微镜的视场直径，倍数为 640 时，取 300 μm; N 为试样观察的视场数，本实验 为 200 个． 2 结果与分析 2. 1 铸锭中夹杂物形貌与组成 H13 钢中典型夹杂物形貌与组成见表 2. 模铸 后铸锭中夹杂物可分为 5 类: 1 ) 近球形的 CaO-- Al2O3 --SiO2 夹杂; 2) 不规则形状的 MgO--Al2O3 夹 杂; 3) 块状 TiN--VN 夹杂，尺寸为 5 ～ 10 μm; 4) 20 ～ 200 μm 沿晶界分布的条状 VC--CrC--MoC 夹杂物; 5) 少量的 CaS--MnS 夹杂． 前四种夹杂物数量均 较多． CaO--Al2O3--SiO2 夹杂和 MgO--Al2O3 夹杂主要 为脱氧产物及浇铸过程中形成的二次氧化产物． 铸 坯中这类夹杂物的组成处于 SiO2 --CaO + MgO-- Al2O3 三元系的中下部区域( 图 2) ，根据 SiO2 --CaO-- Al2O3 和 SiO2--MgO--Al2O3 相图，该夹杂物的熔点处 于 1 300 ～ 1 800 ℃ 的范围［6］． 因此，这些夹杂物在 H13 的服役温度范围内硬度较高，为脆性夹杂，对 H13 的热疲劳性能存在危害． TiN--VN 和 VC--CrC--MoC 是 H13 钢凝固过程 中的析出物． TiN--VN 为棱角分明的块状脆性夹杂， 对 H13 的热疲劳性能也有危害，应加强控制． 但铸 坯中尺寸较大的长条状 VC--CrC--MoC 夹杂物对 H13 钢的韧性、热疲劳性能危害更大［7］，必须在后续 热处理及电渣重溶中加以控制． 钒是强碳化物形成 元素，合金凝固过程中碳优先与钒结合形成碳化钒; 随着凝固过程的继续，液相不断减少． 偏析导致液 相中 Cr 和 Mo 等元素的含量升高，引起 CrC 和 MoC 在前期形成的 VC 上析出，形成 VC--CrC--MoC 复合 析出物． ·180·