热作模具钢中碳(氮)化物和氧化物的演变研究

【作者】 孙晓林； 尚武林； 钟庆元； 王宁霏； 宋高阳； 郭汉杰； 王守明；

【机构】 河北工程大学； 中航上大高温合金材料股份有限公司； 北京科技大学；

【摘要】 H13系列热作模具钢因其良好的综合性能广泛用于铝镁等合金的压铸、挤压及热锻模具的制造。热作模具钢中大尺寸的微米级碳(氮)化物和氧化物夹杂是影响热作模具钢韧性及疲劳寿命的重要因素,尤其对于大型模具钢熔炼时间长、凝固缓慢,生产过程中碳(氮)化物和氧化物的生成及特征演变对于二者的控制尤为重要。为提升热作模具钢的服役寿命及使用稳定性,需要完善生产过程中多工序的协同控制研究,以达到弥散、细化碳(氮)化物和氧化物夹杂等大尺寸第二相的目的。笔者及所在团队对热作模具钢熔炼→精炼→模铸→电渣→锻造过程中碳(氮)化物和氧化物的特征及演变行为进行了详细的研究,形成了系统的凝固控制碳(氮)化物和高温分解碳(氮)化物的理论体系;分析了精炼及电渣重熔过程中夹杂物的变化规律,为合理调控夹杂物和降低O含量提供理论指导。主要研究结果有:(1)大尺寸碳(氮)化物会降低模具钢韧性、增大各向异性,Ti、V、Mo、C、N等元素的偏析是导致大尺寸碳(氮)化物生成的根本原因,控制合金元素及C、N元素的含量可减轻甚至抑制碳(氮)化物的生成。(2)凝固方式会影响碳(氮)化物特征,电渣重熔可以显著改善碳(氮)化物的分布、降低碳(氮)化物尺寸,但是在工业生产过程中很难避免碳(氮)化物的生成。高温处理可改善甚至完全消除铸锭中的大尺寸碳(氮)化物,根据碳(氮)化物的组成和热力学原理可得出碳(氮)化物的高温分解温度,指导工业生产。(3)凝固生成的碳(氮)化物特征受钢中元素含量及氧化物的影响,进而对碳(氮)化物高温热稳定性产生影响,钢中的Ti含量及氧化物核心会增加MC型碳(氮)化物中的Ti含量,进而提高MC型碳(氮)化物的分解温度,不利于模具钢中碳(氮)化物的去除。(4)S、P等杂质元素含量不再是限制模具钢使用寿命的因素。降低钢中O含量是控制夹杂物的重要措施,通过合理的精炼及电渣重熔工艺,可以将O含量降至10ppm以内,达到甚至超过进口模具钢水平。(5)Ca处理可以控制低熔点的液态夹杂物的生成,从而促进夹杂物在精炼过程中的上浮去除,实验研究表明VD精炼较LF精炼对夹杂物的变性效果更好。气氛保护电渣重熔可以进一步去除钢中的O含量,在低氧含量下如何控制夹杂物尺寸及对异质形核的碳(氮)化物的影响将是模具钢今后研究的重要课题。基于上述研究成果和指导思路,将热作模具钢中O含量控制在12ppm以内、ABCD四类夹杂物之和控制在2级以内;形成了炼钢-凝固-锻造协同控制碳(氮)化物的系统理论体系,对高品质模具钢的生产应用提供一定理论依据,并开发了系列高纯净的无大尺寸碳(氮)化物热作模具钢。但是,与国外高端模具钢相比,夹杂物控制与国外相比仍然存在差距,如何稳定热作模具钢的性能仍是国内模具钢生产企业和科研工作者面临的重要问题。更多还原