H13钢中一次碳化物的特征及控制进展

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering H13钢中一次碳化物的特征及控制进展 黄宇成国光鲍道华 Current status of the characteristics and control of primary carbides in H13 steel HUANG Yu,CHENG Guo-guang,BAO Dao-hua 引用本文： 黄宇，成国光，鲍道华.H13钢中一次碳化物的特征及控制进展[J].工程科学学报，2020,42(10)：1244-1253.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.05.24.002 HUANG Yu,CHENG Guo-guang,BAO Dao-hua.Current status of the characteristics and control of primary carbides in H13 steel[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(10):1244-1253.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.24.002 在线阅读View online::htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.05.24.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in H13热作模具钢中液析碳化物的研究进展 Recent progress on primary carbides in AISI H13 hot work mold steel 工程科学学报.2018.40(11)：1288htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.11.002 基于原位观察的H13钢中液析碳化物高温行为研究 In-situ research of high-temperature behavior of primary carbide in H13 steel 工程科学学报.2017,398：1174htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.08.006 高温时H13钢中初生碳氨化物的分解研究 Study on decomposition of primary carbonitrides in H13 steel under high temperature 工程科学学报.2017,395)：721 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.05.010 基于双亚点阵模型对H13钢中初生碳氨化物的研究 Study on primary carbonitrides in H13 steel based on the two-sublattice model 工程科学学报.2017,391：61 https:ldoi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.01.008 A1对淬回火H11钢力学性能和碳化物的影响 Influence of Al on mechanical properties and carbides of quenched and tempered H11 steel 工程科学学报.2018.40(2：208 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.02.011 含锡C-Mn钢中锡的析出相 Identification of Sn precipitates in C-Mn steel containing Sn 工程科学学报.2017,3911)：1684 https:/1oi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.11.011

H13钢中一次碳化物的特征及控制进展 黄宇 成国光 鲍道华 Current status of the characteristics and control of primary carbides in H13 steel HUANG Yu, CHENG Guo-guang, BAO Dao-hua 引用本文: 黄宇, 成国光, 鲍道华. H13钢中一次碳化物的特征及控制进展[J]. 工程科学学报, 2020, 42(10): 1244-1253. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.24.002 HUANG Yu, CHENG Guo-guang, BAO Dao-hua. Current status of the characteristics and control of primary carbides in H13 steel[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(10): 1244-1253. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.24.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.24.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in H13热作模具钢中液析碳化物的研究进展 Recent progress on primary carbides in AISI H13 hot work mold steel 工程科学学报. 2018, 40(11): 1288 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.002 基于原位观察的H13钢中液析碳化物高温行为研究 In-situ research of high-temperature behavior of primary carbide in H13 steel 工程科学学报. 2017, 39(8): 1174 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.08.006 高温时H13钢中初生碳氮化物的分解研究 Study on decomposition of primary carbonitrides in H13 steel under high temperature 工程科学学报. 2017, 39(5): 721 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.05.010 基于双亚点阵模型对H13钢中初生碳氮化物的研究 Study on primary carbonitrides in H13 steel based on the two-sublattice model 工程科学学报. 2017, 39(1): 61 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.008 Al对淬回火H11钢力学性能和碳化物的影响 Influence of Al on mechanical properties and carbides of quenched and tempered H11 steel 工程科学学报. 2018, 40(2): 208 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.02.011 含锡C-Mn钢中锡的析出相 Identification of Sn precipitates in C-Mn steel containing Sn 工程科学学报. 2017, 39(11): 1684 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.011

工程科学学报.第42卷，第10期：1244-1253.2020年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.10:1244-1253,October 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.24.002;http://cje.ustb.edu.cn H13钢中一次碳化物的特征及控制进展 黄宇，成国光，鲍道华 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室.北京100083 区通信作者，E-mail:chengguoguang(@metall.ustb.edu.cn 摘要首先结合H13钢的成分特点肯定了H13钢优异的材料性能，随后总结了一次碳化物与H13钢使用寿命之间的关系. 进一步系统地论述和研究了H13钢中一次碳化物的特征，包括二维和三维形貌、热稳定性、析出机理等.最后对比了4种 H13钢中一次碳化物的控制手段，包括成分优化、冷速控制、Mg处理和稀土处理.相关论述和研究工作能够对钢中一次碳化 物的合理优化起到一定的启发作用. 关键词H13钢；一次碳化物：形貌：特征；控制 分类号TG142.71 Current status of the characteristics and control of primary carbides in H13 steel HUANG Yu,CHENG Guo-guang BAO Dao-hua State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:chengguoguang@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT The H13 steel is widely used in hot rolling,hot extrusion,and hot forging because of its remarkable fatigue resistance performance,hot strength,and impact toughness.To further extend the service life of the steel,the production of high-purity die steel is vital.Carbide-forming elements with a mass fraction of about 8%,including Cr,Mo,and V,are contained in H13 steel to prevent the coarsening of austenite or strengthen the steel through secondary hardening.However,owing to the presence of these elements,primary carbides are easily to be found in H13 steel because of the segregation of carbide-forming elements during solidification.The presence of large primary carbides is one of the main causes of the fatigue crack of H13 steel.Therefore,it is of great significance to systematically study the behavior of primary carbides in H13 steel.The excellent material properties of H13 steel were firstly affirmed in combination with the composition characteristics,and then the relationship between the primary carbides and the service life of H13 steel were summarized.The service life of H13 steel reduces with an increase in the primary carbide size.The hazard of primary carbide on the H13 surface steel is much greater than that inside the steel.The characteristics of primary carbides in H13 steel were further systematically discussed,including two-dimensional(2D)and three-dimensional (3D)morphologies,thermal stability and precipitation mechanism.A great difference exits between the 2D and 3D characteristics of primary carbides.In the 2D analyses,the density of the primary carbides appears high,while their size is small.The actual characteristics of primary carbides can be obtained only by 3D observation.Four primary carbide control methods in H13 steel are compared,including composition optimization,cooling rate control,Mg treatment and rare earth treatment.Composition optimization and cooling rate control have been successfully applied in the actual production process. Rare earth treatment may be an effective control method with Chinese characteristics.The relevant discussion and research work in this article can play a certain enlightening role in the rational control of the primary carbides in H13 steel. KEY WORDS H13 steel;primary carbide;morphology;characteristic;control 收稿日期：2020-05-24 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51874034)

H13 钢中一次碳化物的特征及控制进展 黄    宇，成国光苣，鲍道华 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 苣通信作者，E-mail: chengguoguang@metall.ustb.edu.cn 摘    要    首先结合 H13 钢的成分特点肯定了 H13 钢优异的材料性能，随后总结了一次碳化物与 H13 钢使用寿命之间的关系. 进一步系统地论述和研究了 H13 钢中一次碳化物的特征，包括二维和三维形貌、热稳定性、析出机理等. 最后对比了 4 种 H13 钢中一次碳化物的控制手段，包括成分优化、冷速控制、Mg 处理和稀土处理. 相关论述和研究工作能够对钢中一次碳化 物的合理优化起到一定的启发作用. 关键词    H13 钢；一次碳化物；形貌；特征；控制 分类号    TG142.71 Current status of the characteristics and control of primary carbides in H13 steel HUANG Yu，CHENG Guo-guang苣 ，BAO Dao-hua State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: chengguoguang@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT    The H13 steel is widely used in hot rolling, hot extrusion, and hot forging because of its remarkable fatigue resistance performance, hot strength, and impact toughness. To further extend the service life of the steel, the production of high-purity die steel is vital. Carbide-forming elements with a mass fraction of about 8%, including Cr, Mo, and V, are contained in H13 steel to prevent the coarsening of austenite or strengthen the steel through secondary hardening. However, owing to the presence of these elements, primary carbides are easily to be found in H13 steel because of the segregation of carbide-forming elements during solidification. The presence of large primary carbides is one of the main causes of the fatigue crack of H13 steel. Therefore, it is of great significance to systematically study the behavior of primary carbides in H13 steel. The excellent material properties of H13 steel were firstly affirmed in combination with  the  composition  characteristics,  and  then  the  relationship  between  the  primary  carbides  and  the  service  life  of  H13  steel  were summarized. The service life of H13 steel reduces with an increase in the primary carbide size. The hazard of primary carbide on the H13 surface steel is much greater than that inside the steel. The characteristics of primary carbides in H13 steel were further systematically discussed, including two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) morphologies, thermal stability and precipitation mechanism. A great difference exits between the 2D and 3D characteristics of primary carbides. In the 2D analyses, the density of the primary carbides appears  high,  while  their  size  is  small.  The  actual  characteristics  of  primary  carbides  can  be  obtained  only  by  3D  observation.  Four primary carbide control methods in H13 steel are compared, including composition optimization, cooling rate control, Mg treatment and rare earth treatment. Composition optimization and cooling rate control have been successfully applied in the actual production process. Rare earth treatment may be an effective control method with Chinese characteristics. The relevant discussion and research work in this article can play a certain enlightening role in the rational control of the primary carbides in H13 steel. KEY WORDS    H13 steel；primary carbide；morphology；characteristic；control 收稿日期: 2020−05−24 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51874034） 工程科学学报，第 42 卷，第 10 期：1244−1253，2020 年 10 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 10: 1244−1253, October 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.24.002; http://cje.ustb.edu.cn

黄宇等：H13钢中一次碳化物的特征及控制进展 1245· 1H13模具钢简介 性是H13钢被广泛地用于制造热作模具钢的主要 原因 模具钢主要分为热作模具钢、冷作模具钢和 热疲劳失效是H13钢主要的失效形式，且是 塑料模具钢三大类，是用于制造冷冲模、热锻模、 后期无法修补和挽救的，约占失效形式的70%左 压铸模等模具的钢种.模具是机械制造、电器、车 右山H13热作模具钢在使用过程中会受到循环的 辆等工业部门中制造零件的主要加工工具，是衡 量一个国家制造业水平高低的重要指标之一，模 加热和冷却作用，夹杂物的线性膨胀系数与钢基 具使用寿命的长短主要受到模具钢冶金质量的 体不同，夹杂物与基体之间会存在较大的热应力 影响. 集中.同时H13热作模具钢在压铸和挤压过程中， H13钢作为热作模具钢的典型代表，各个国家 由于夹杂物与基体的硬度和塑性不同，在夹杂物 对于其化学成分的要求相差不大，各元素的质量 与基体之间还会受到循环的应力集中.在两种应 百分数为C0.4、Cr5、Mo1.3、V1、Si1、Mn0.5左 力的共同作用下，夹杂物周围会产生微裂纹，随着 右.H13钢中各元素质量分数的合理搭配，使得 应力的继续累积，微裂纹合并长大形成裂纹，最终 HI3钢的抗拉强度、高温硬度、热稳定性以及抗疲 导致模具的失效四所以，H13钢中的大尺寸夹杂 劳性能均表现良好.针对H13钢的相关材料性能 物（特别是大尺寸碳氨化物）是导致其疲劳失效的 与温度之间的关系，日本学者已经做了非常详细 主要原因，夹杂物的类型、尺寸、位置等特征均会 的研究，结果如图1所示.当实验温度在500℃以 对热疲劳裂纹的萌发和扩展产生影响.H13钢中 下时，H3钢的硬度、屈服强度、抗拉强度、断面 Cr、Mo、V、C等元素的质量分数达到了8%左右， 收缩率、伸长率以及冲击性能变化不大，与常温 加上凝固过程中合金元素的偏析作用，导致大尺 条件下基本相同.所以，各项材料性能的高温稳定 寸一次碳化物的析出在所难免 600 1600 (a) (b) o-Yield strength -0.2%tensile strength 1200 400 ns aps 800 200 400 0 Room100200300400500600700 Room100200300400500600700800 temperature temperature Temperature/C Temperature/C 80(c -o-Reduction of area 150(d) 方 ◆-Elongation 60 100 40 0 edu 10 0 Room100200300400500600700 Room100200300400500600700 temperature temperature Temperature/C Temperature/℃ 图1H13钢的材料性能与温度之间的关系.(a)硬度：(b)抗拉强度和屈服强度：(c)伸长率和断面收缩率：(d)冲击韧性 Fig.I Variation of temperature with material properties of H13 steel:(a)hardness;(b)yield and tensile strength;(c)elongation and reduction of area; (d)impact toughness

1    H13 模具钢简介 模具钢主要分为热作模具钢、冷作模具钢和 塑料模具钢三大类，是用于制造冷冲模、热锻模、 压铸模等模具的钢种. 模具是机械制造、电器、车 辆等工业部门中制造零件的主要加工工具，是衡 量一个国家制造业水平高低的重要指标之一，模 具使用寿命的长短主要受到模具钢冶金质量的 影响. H13 钢作为热作模具钢的典型代表，各个国家 对于其化学成分的要求相差不大，各元素的质量 百分数为 C 0.4、Cr 5、Mo 1.3、V 1、Si 1、Mn 0.5 左 右. H13 钢中各元素质量分数的合理搭配，使得 H13 钢的抗拉强度、高温硬度、热稳定性以及抗疲 劳性能均表现良好. 针对 H13 钢的相关材料性能 与温度之间的关系，日本学者已经做了非常详细 的研究，结果如图 1 所示. 当实验温度在 500 ℃ 以 下时，H13 钢的硬度、屈服强度、抗拉强度、断面 收缩率、伸长率以及冲击性能变化不大，与常温 条件下基本相同. 所以，各项材料性能的高温稳定 性是 H13 钢被广泛地用于制造热作模具钢的主要 原因. 热疲劳失效是 H13 钢主要的失效形式，且是 后期无法修补和挽救的，约占失效形式的 70% 左 右[1] . H13 热作模具钢在使用过程中会受到循环的 加热和冷却作用，夹杂物的线性膨胀系数与钢基 体不同，夹杂物与基体之间会存在较大的热应力 集中. 同时 H13 热作模具钢在压铸和挤压过程中， 由于夹杂物与基体的硬度和塑性不同，在夹杂物 与基体之间还会受到循环的应力集中. 在两种应 力的共同作用下，夹杂物周围会产生微裂纹，随着 应力的继续累积，微裂纹合并长大形成裂纹，最终 导致模具的失效[2] . 所以，H13 钢中的大尺寸夹杂 物（特别是大尺寸碳氮化物）是导致其疲劳失效的 主要原因，夹杂物的类型、尺寸、位置等特征均会 对热疲劳裂纹的萌发和扩展产生影响. H13 钢中 Cr、Mo、V、C 等元素的质量分数达到了 8% 左右， 加上凝固过程中合金元素的偏析作用，导致大尺 寸一次碳化物的析出在所难免. 600 (a) 400 200 0 Room 100 200 300 temperature Temperature/℃ Hardness, HV 400 500 600 700 80 70 60 40 20 10 (c) 50 30 0 Room 100 200 300 temperature Temperature/℃ Elongation & reduction of area/ % 400 500 600 700 Reduction of area Elongation 150 (d) 100 50 0 Room 100 200 300 temperature Temperature/℃ Impact properties/(J·cm−2 ) 400 500 600 700 1600 (b) 1200 800 400 0 Room 100 200 300 temperature Temperature/℃ Yield strength & tensile strength/(N·mm−2 ) 0.2% tensile strength Yield strength 400 500 600 700 800 图 1    H13 钢的材料性能与温度之间的关系. （a）硬度；（b）抗拉强度和屈服强度；（c）伸长率和断面收缩率；（d）冲击韧性 Fig.1    Variation of temperature with material properties of H13 steel: (a) hardness; (b) yield and tensile strength; (c) elongation and reduction of area; (d) impact toughness 黄    宇等： H13 钢中一次碳化物的特征及控制进展 · 1245 ·

·1246 工程科学学报，第42卷，第10期 日本学者Yoshida和Ozaki研究了一次碳化物 生产的H13钢中发现了大量多层分布的大尺寸一 与模具钢使用寿命之间的关系，实验结果如图2 次碳氮化物，形貌如图3所示.中心的黑色区域为 所示)随着钢中碳化物体积分数的增加，模具 Mg-A1-O,灰色区域为富Ti、V碳氨化物，外围的 钢的疲劳失效强度逐渐降低：当钢中的碳化物分 亮白色区域为富Nb碳氨化物.由于此钢种有进 布在试样表面时，其失效交变应力次数较小，也就 行Nb微合金化处理，所以在最后的成品钢中发现 是说一次碳化物分布在钢表面的危害性要远大于 了含Nb的一次碳氨化物.刘建华等刀通过解剖 分布在基体内部.当一次碳化物的尺寸较小时，即 5.0t的H13钢铸锭发现了数微米甚至数十微米的 使碳化物分布在表面，也能有较高的失效交变应 块状富Ti-V氨化物以及沿晶界分布的条状富 力次数，特别是当碳化物的尺寸小于10m时.所 V-Mo碳化物.李晶等⑧-分别在铸态H13钢和电 以一次碳化物的数量和尺寸的降低均可以有效延 渣重熔H13钢中同样发现了大尺寸的一次碳化 长模具钢的使用寿命，合理控制H13钢中一次碳 物.由于H13钢中合金元素种类较多，合金元素的 化物是提高其使用寿命的关键 加入还会带入Ti元素，冶炼过程中空气中的N元 1800 素还会进入钢液中，所以导致H13钢中一次碳化 (a) 物的种类非常复杂，主要包括碳化物、氮化物以及 21700 碳氮化物.不同种类的本质其实是凝固过程中 C和N元素与Ti、V、Cr、Mo等合金元素结合能 D-series w 力相互竞争的结果.由于H13钢中C元素的质量 分数远大于N元素的质量分数，且大多数研究者 观察到的主要是碳化物或碳氮化物，所以为了论 号1500 述方便，在本文中统一称为一次碳化物.所以大尺 S-series 寸的一次碳化物在H13钢中是普遍存在的，且当 1400 0 2 4 6 HI3钢中还存在细小弥散分布的Mg-A1-O类夹 Volume fraction of carbide/ 杂物时，Mg-A1-O类夹杂物还能作为一次碳化物 50r 的形核核心，会进一步促进一次碳化物的析出 (b) oD-intemal ●D-surface ▲S-internal △S-surface 30 Mg-Al-O 4 0● ● 10 Surface type Internal type 103 10 10s 10 Number of cycles to failure ,10m 图2模具钢的使用寿命与一次碳化物之间的关系.()一次碳化物 的体积分数与疲劳强度之间的关系：(b)碳化物尺寸与应力应变次数 图3H13钢中一次碳化物的二维形貌 之间的关系 Fig.3 Two-dimensional morphology of primary carbide in H13 steel Fig.2 Varaition of service life of die steel with primary carbides: (a)variation of the volume fraction of carbide with the fatigue strength, 为了更加全面地分析H13钢中一次碳化物的 (b)variation of the number of cycles to failure with the carbide size 形貌，利用非水溶液电解法将钢基体溶解，使得一 2H13钢中一次碳化物的特点 次碳化物的三维形貌显露出来，如图4所示0 次碳化物的二维形貌和三维形貌之间存在显著的 2.1H13钢中一次碳化物的形貌 区别，一次碳化物的三维形貌为典型的树状结构， 要想有效控制H13钢中的一次碳化物，首先 可以分为“树干”上的富Ti、V碳化物和“树枝”上 需要了解一次碳化物的特点，特别是形貌、析出机 的富V碳化物，而二维形貌仅仅是树状结构的某一 理、分布、热稳定性等.谢有等句在国内某钢厂 个切面.所以，一次碳化物的二维形貌以块状和条

日本学者 Yoshida 和 Ozaki 研究了一次碳化物 与模具钢使用寿命之间的关系，实验结果如图 2 所示[3−4] . 随着钢中碳化物体积分数的增加，模具 钢的疲劳失效强度逐渐降低；当钢中的碳化物分 布在试样表面时，其失效交变应力次数较小，也就 是说一次碳化物分布在钢表面的危害性要远大于 分布在基体内部. 当一次碳化物的尺寸较小时，即 使碳化物分布在表面，也能有较高的失效交变应 力次数，特别是当碳化物的尺寸小于 10 μm 时. 所 以一次碳化物的数量和尺寸的降低均可以有效延 长模具钢的使用寿命，合理控制 H13 钢中一次碳 化物是提高其使用寿命的关键. 2    H13 钢中一次碳化物的特点 2.1    H13 钢中一次碳化物的形貌 要想有效控制 H13 钢中的一次碳化物，首先 需要了解一次碳化物的特点，特别是形貌、析出机 理、分布、热稳定性等. 谢有等[5−6] 在国内某钢厂 生产的 H13 钢中发现了大量多层分布的大尺寸一 次碳氮化物，形貌如图 3 所示. 中心的黑色区域为 Mg–Al–O，灰色区域为富 Ti、V 碳氮化物，外围的 亮白色区域为富 Nb 碳氮化物. 由于此钢种有进 行 Nb 微合金化处理，所以在最后的成品钢中发现 了含 Nb 的一次碳氮化物. 刘建华等[7] 通过解剖 5.0 t 的 H13 钢铸锭发现了数微米甚至数十微米的 块状富 Ti – V 氮化物以及沿晶界分布的条状富 V–Mo 碳化物. 李晶等[8−9] 分别在铸态 H13 钢和电 渣重熔 H13 钢中同样发现了大尺寸的一次碳化 物. 由于 H13 钢中合金元素种类较多，合金元素的 加入还会带入 Ti 元素，冶炼过程中空气中的 N 元 素还会进入钢液中，所以导致 H13 钢中一次碳化 物的种类非常复杂，主要包括碳化物、氮化物以及 碳氮化物. 不同种类的本质其实是凝固过程中 C 和 N 元素与 Ti、V、Cr、Mo 等合金元素结合能 力相互竞争的结果. 由于 H13 钢中 C 元素的质量 分数远大于 N 元素的质量分数，且大多数研究者 观察到的主要是碳化物或碳氮化物，所以为了论 述方便，在本文中统一称为一次碳化物. 所以大尺 寸的一次碳化物在 H13 钢中是普遍存在的，且当 H13 钢中还存在细小弥散分布的 Mg–Al–O 类夹 杂物时，Mg–Al–O 类夹杂物还能作为一次碳化物 的形核核心，会进一步促进一次碳化物的析出. 为了更加全面地分析 H13 钢中一次碳化物的 形貌，利用非水溶液电解法将钢基体溶解，使得一 次碳化物的三维形貌显露出来，如图 4 所示[10] . 一 次碳化物的二维形貌和三维形貌之间存在显著的 区别，一次碳化物的三维形貌为典型的树状结构， 可以分为“树干”上的富 Ti、V 碳化物和“树枝”上 的富 V 碳化物，而二维形貌仅仅是树状结构的某一 个切面. 所以，一次碳化物的二维形貌以块状和条 50 (b) 40 30 10 20 Surface type Internal type 0 105 104 103 Number of cycles to failure Carbide size at crack origin/μm 106 1800 (a) D-series S-series 1700 1600 1500 1400 0 2 Volume fraction of carbide/% Fatigue strength at 10 4 cycle/MPa 4 6 8 10 D-internal D-surface S-internal S-surface 图 2    模具钢的使用寿命与一次碳化物之间的关系. （a）一次碳化物 的体积分数与疲劳强度之间的关系；（b）碳化物尺寸与应力应变次数 之间的关系 Fig.2     Varaition  of  service  life  of  die  steel  with  primary  carbides: (a) variation of the volume fraction of carbide with the fatigue strength; (b) variation of the number of cycles to failure with the carbide size Mg−Al−O Rich−Nb Rich−Ti−V 10 μm 图 3    H13 钢中一次碳化物的二维形貌 Fig.3    Two-dimensional morphology of primary carbide in H13 steel · 1246 · 工程科学学报，第 42 卷，第 10 期

黄宇等：H13钢中一次碳化物的特征及控制进展 1247 状为主.此外二维观察下将低估一次碳化物的尺寸， 2.2H13钢中一次碳化物的析出机理 高估一次碳化物的数量，这与一次碳化物的实际特 由于H13钢中合金元素种类较多，所以H13 征之间存在较大的误差，在后续的研究中值得进一 钢中一次碳化物的种类比较复杂.根据形貌的不 步探讨.同时从“树干”和“树枝”中元素的成分差异， 同，H13钢中的一次碳化物可分为多边形、长条 进一步得出H13钢中一次碳化物的析出顺序为首 形、块状及片层状；根据结构的不同，一次碳化物 先析出富Ti、V碳化物，随后析出富V碳化物. 又可分为MC、M6C、M2C或M23C6;根据成分的 不同，可分为富Mo型、富V型和富Ti、Nb型山 目前，研究者普遍认为凝固过程中Cr、Mo、V、C、 2D observation T等合金元素在固液界面前沿的富集是导致一次 碳化物析出的直接原因，但给出直接的实验证明 结果的还较少2，所以本课题组首先利用化学腐 蚀的方法得到H13钢锭的最后凝固区域，随后利 用EPMA分析了最后凝固区域的元素组成以及一 Trunk← 次碳化物的分布，实验结果如图5所示.色标注表 示对应元素的质量百分数.网状结构为H13钢锭 20um Branch 的最后凝固区域，其中Cr、Mo、V、C等合金元素 图4H13钢中一次碳化物的三维形貌 在最后凝固区域存在明显的富集现象.此外，在最 Fig.4 Three-dimensional morphology of primary carbide in H13 steel 后凝固区域还发现了大量的一次碳化物，图中的 Last-to-solidify region 80 um 6.25 12.01 16.94 Mass fraction of Cr/ 100 am 100m 0.09 366 672 0.33 3.28 5.60 Mass fraction of MO/ Mass fraction of V/ 00 um 100m 0.22 0.76 1.23 0 0.59 1.10 Mass fraction of C/% Mass fraction of Ti/ 图5H13钢中最后凝固区域的元素分布 Fig.5 Elements mapping of the last-to-solidify region in H13 steel

状为主. 此外二维观察下将低估一次碳化物的尺寸， 高估一次碳化物的数量，这与一次碳化物的实际特 征之间存在较大的误差，在后续的研究中值得进一 步探讨. 同时从“树干”和“树枝”中元素的成分差异， 进一步得出 H13 钢中一次碳化物的析出顺序为首 先析出富 Ti、V 碳化物，随后析出富 V 碳化物. 2.2    H13 钢中一次碳化物的析出机理 由于 H13 钢中合金元素种类较多，所以 H13 钢中一次碳化物的种类比较复杂. 根据形貌的不 同 ，H13 钢中的一次碳化物可分为多边形、长条 形、块状及片层状；根据结构的不同，一次碳化物 又可分为 MC、M6C、M2C 或 M23C6；根据成分的 不同，可分为富 Mo 型、富 V 型和富 Ti、Nb 型[11] . 目前，研究者普遍认为凝固过程中 Cr、Mo、V、C、 Ti 等合金元素在固液界面前沿的富集是导致一次 碳化物析出的直接原因，但给出直接的实验证明 结果的还较少[12] . 所以本课题组首先利用化学腐 蚀的方法得到 H13 钢锭的最后凝固区域，随后利 用 EPMA 分析了最后凝固区域的元素组成以及一 次碳化物的分布，实验结果如图 5 所示. 色标注表 示对应元素的质量百分数. 网状结构为 H13 钢锭 的最后凝固区域，其中 Cr、Mo、V、C 等合金元素 在最后凝固区域存在明显的富集现象. 此外，在最 后凝固区域还发现了大量的一次碳化物，图中的 Trunk 2D observation Branch 20 μm 图 4    H13 钢中一次碳化物的三维形貌 Fig.4    Three-dimensional morphology of primary carbide in H13 steel Cr 100 μm 6.25 12.01 16.94 Last-to-solidify region 80 μm Mass fraction of Cr/% V 100 μm 0.33 3.28 5.60 MO 100 μm 0.09 3.66 6.72 Mass fraction of MO/% Mass fraction of V/% Ti 100 μm 0 0.59 1.10 C 100 μm 0.22 0.76 1.23 Mass fraction of C/% Mass fraction of Ti/% 图 5    H13 钢中最后凝固区域的元素分布 Fig.5    Elements mapping of the last-to-solidify region in H13 steel 黄    宇等： H13 钢中一次碳化物的特征及控制进展 · 1247 ·