H13熱作模具鋼大尺寸析出相特徵及生成機制

2021-02-15 熱加工論壇


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AISI H13作為一種強韌兼備的熱作模具鋼，廣泛用於熱鍛壓模、熱擠壓模和鋁合金壓鑄模，本身需要具備優良的高溫強度及韌性。H13鋼合金元素質量分數較高，尤其是碳化物形成元素鉬、釩、鉻，凝固過程中合金元素的偏析會導致大尺寸碳化物或碳氮化物的析出，這些大尺寸硬質析出相的存在，對於模具鋼產品的強度、韌性無疑是有害的。本項目採用真空感應爐按照NADCA207-2003規定的H13鋼成分範圍進行實驗室小鋼錠熔煉，分析鑄錠中大尺寸析出相的特徵，同時利用熱力學計算軟體Thermo-calc對凝固過程中大尺寸析出相的析出行為進行計算，以此對H13鋼中大尺寸析出相的析出行為進行合理的解釋分析。

   實驗室真空感應爐熔煉鋼錠質量為5kg，合金原料採用純鐵、金屬鉻、金屬鉬、金屬錳及金屬矽，釩採用FeV5.18釩鐵合金。獲得鋼錠成分如表1所示，由於合金原料中會攜帶些許硫，鋼錠最終硫質量分數為0.0059%。將冶煉鋼錠縱向平均剖開，在高度1/2處沿橫截面1/2半徑及中心處取樣，試樣尺寸為10mm×10mm×10mm。試樣進行粗磨、拋光，採用SEM+EDS對大尺寸析出物的形貌及成分特徵進行觀察。

表1 鋼錠成分（質量分數，%）

項目

C

Si

Mn

Cr

Mo

V

S

N

NADCA

207-2003

0.37～0.42

0.80～1.20

0.20～0.50

5.00～5.50

1.20～1.75

0.80～1.20

-

-

H13

0.42

1.06

0.42

5.38

1.50

0.97

0.0059

0.0056

 

    研究發現，H13鋼中大尺寸析出相包含3類—富釩的（V，Mo，Cr，Fe）C類、富Mo-Cr的（V，Mo，Cr，Fe）C類及硫化錳。富釩的（V，Mo，Cr，Fe）C類大尺寸析出相形狀多呈現長條形，尺寸達數十微米，部分依附於硫化錳形核的析出相呈類橢圓形；富Mo-Cr的（V，Mo，Cr，Fe）C析出相無規則形貌，鉬、鉻原子分數相差不大，釩原子分數稍低。根據複合大尺寸析出相的結合形式，可以推測出大尺寸析出相的析出順序。硫化物首先析出，富釩類（V，Mo，Cr，Fe）C相隨後，富Mo-Cr類（V，Mo，Cr，Fe）C相則最後析出。結合大尺寸析出相的成分特徵，Thermo-calc計算結果與試驗結果一致。

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