基于双亚点阵模型对H13钢中初生碳氮化物的研究

实验证明H13钢中存在三类初生碳氮化物，包括富V和C的（V_x，Mo_1-x）（C_y，N_1-y）、富Ti和N的（Ti_x，V_1-x）（C_y，N_1-y）及富V和C的（Ti_x，V_1-x）（C_y，N_1-y），部分存在形核核心.基于双亚点阵模型和凝固偏析模型分析计算H13钢凝固过程中元素含量变化，考虑初生碳氮化物中元素间的相互作用，根据三类碳氮化物中合金元素含量和C/N比值不同，对各碳氮化物的生成自由能进行分析.理论研究指出富Ti和N的（Ti_x，V_1-x）（C_y，N_1-y）在固相率为0.90时即可生成，而富V和C的（Ti_x，V_1-x）（C_y，N_1-y）在固相率大于0.96才可生成，两类碳氮化物的临界生成固相率f_P均随固溶Ti和N含量的增加而减小.（V_x，Mo_1-x）（C_y，N_1-y）的临界生成固相率与x值密切相关，x减小时f_P降低，粒子尺寸增加，实验与理论分析吻合良好.根据错配度分析氧化物和碳氮化物对H13钢中初生碳氮化物异质形核的作用.      

H13热作模具钢中液析碳化物的研究进展

从凝固偏析理论、凝固方法、生产工艺及合金设计等方面,综述了H13钢中液析碳化物的研究进展,阐明了H13钢的生产工艺对液析碳化物析出的影响.H13钢中的液析碳化物是由于凝固偏析而在枝晶间区域产生的,根据形貌的不同可分为多边形、长条形、块状及共晶的层片状;根据结构不同可分为MC型、M₆C型、M₇C₃或M₂₃C₆型;根据成分的不同可分为富Mo型、富V型和富Ti、Nb型.H13钢在服役过程中,受外力作用时会在液析碳化物处形成裂纹,严重降低材料的韧性,控制液析碳化物的数量和尺寸可以减小其危害.工业生产条件下控制H13钢中液析碳化物的主要手段有凝固控制、变质处理、铸锭高温扩散和合金成分优化等.其中凝固过程控制及变质处理可以控制液析碳化物的尺寸、数量及在凝固过程中的生成时机,但无法完全避免液析碳化物的产生.对H13钢进行合金成分优化可以改变液析碳化物的稳定性.铸锭高温扩散是控制H13钢中液析碳化物的最主要手段,但工业生产中采用的具体加热温度和保温时间有待进一步研究.      

基于原位观察的H13钢中液析碳化物高温行为研究

使用原位观察方法研究了不同凝固条件H13钢铸锭样品中液析碳化物的高温行为.实验发现连铸锭及电渣锭两种样品在所研究的枝晶间存在明显的合金元素偏析,其中Cr、Mo、V、C的偏析较为明显,液析碳化物存在于凝固枝晶间偏析最严重的区域,成分为V、Mo、Cr、Ti的液析碳化物.连铸锭及电渣锭两种样品分别在1200℃及1250℃围绕液析碳化物周围出现局部液相,理论计算的局部液相出现温度与实验观察到的接近;随着温度的升高,局部液相范围扩大,与电渣锭相比,加热至相同温度时,连铸锭液析碳化物周围的局部液相范围更大.液析碳化物周围局部液相的出现加快了枝晶间合金元素的扩散,对液析碳化物的高温行为具有重要影响.      

H13钢中富钒初生碳化物的形成及影响因素

大尺寸初生碳化物是H13钢冲击性能降低的重要原因,利用光学显微镜、扫描电镜和电子探针等分析碳化物的成分、尺寸分布及形貌。结合热力学和偏析模型分析了H13钢中不同类型的VCx碳化物生成条件以及活度对碳化物生成的影响。结果表明,液相线及以上不能生成VC_x碳化物,枝晶间钒、碳元素的偏析是凝固过程碳化物生成的直接因素。VC_(0.88)是最容易生成的富钒碳化物,在两相区生成,而V_2C可通过共晶反应生成。碳化物尺寸与元素偏析程度、析出临界固相率及枝晶尺寸等有关。通过调整初始钒、碳元素质量分数及凝固冷却条件可以控制H13中的VC_(0.88)的生成,当初始元素质量分数满足w([V]_0)≤0.6%、w([C]_0)≤0.37%时,钢中富钒碳化物生成受到抑制,对于开发新型无碳化物热作模具钢有指导意义。     

高温时H13钢中初生碳氮化物的分解研究

利用光学显微镜、扫描电镜和电子探针研究了H13钢中初生碳氮化物高温分解时的形貌、尺寸、成分变化规律.原始初生碳氮化物主要为10~30 μm的长条状（V_x，Mo_1-x）（C_y，N_1-y）及少量方形的（Ti_x，V_1-x）（C_y，N_1-y）.在1200℃保温2.5 h后碳氮化物边缘变为凹凸不平的锯齿状，然后形成细小的分解颗粒，10 h后碳氮化物平均长度减小为12.9 μm，主要为（Ti_x，V_1-x）（C_y，N_1-y）.当经过1250℃×5 h保温后87%的碳氮化物发生分解，（V_x，Mo_1-x）（C_y，N_1-y）溶解消失，碳氮化物长度在20 μm以下，当保温时间延长到10 h后碳氮化物长度均在10 μm以下，70%为方形并且93%分解形成细小颗粒，未分解的碳氮化物为（Ti_x，V_1-x）（C_y，N_1-y）.电子探针分析（Ti_x，V_1-x）（C_y，N_1-y）的分解与Fe元素扩散有关，高温时Fe在（Ti_x，V_1-x）（C_y，N_1-y）中含量逐渐增加而Ti、V减少，优先在边部曲率半径较小部位或缺陷处分解，形成0.1~1 μm的细小分解颗粒，并由外向内以区域溶解方式使原始碳氮化物逐渐消失.双亚点阵模型分析两种碳氮化物的平衡溶解温度和组成有关，试样中大部分（Ti_x，V_1-x）（C_y，N_1-y）平衡溶解温度在1200~1246℃之间，与实验吻合较好.