H13钢中碳氮化物生成机理及高温演变规律

发布时间：2018-01-08 20:16

  本文关键词：H13钢中碳氮化物生成机理及高温演变规律　出处：《北京科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：H13热作模具钢在凝固时由两相区生成微米级的初生碳氮化物,在固相区析出纳米碳化物,对材料的塑韧性、强度、硬度等和模具使用寿命有重要影响。大尺寸的微米级初生碳氮化物即使经过热变形和热处理后也很难完全去除,作为有害的硬质点和裂纹源会恶化合金韧性,保留在产品中后会导致模具的开裂。本文分析了 H13钢中非金属夹杂物及初生碳氮化物的类型和特征,说明了不同类型第二相在H13钢中的生成条件。根据偏析模型和溶液模型对稳定性高的MC型初生碳氮化物(包括(Ti_x,V_(1-x))(C_y,N_(1-y))和(V_x,Mo_(1-x))(C_y,N_(1-y))的热力学进行研究,指出元素偏析是初生碳氮化物生成的根本原因,凝固方式和元素含量影响初生碳氮化物的生成。H13连铸时芯部为等轴枝晶,初生碳氮化物在交错的枝晶间呈网状分布,并相互聚合形成数十微米到上百微米的长条状,而经过电渣重熔后枝晶结构主要为柱状树枝晶,碳氮化物均匀分布在相互独立的枝晶间,尺寸为几微米到几十微米,改善碳氮化物的尺寸、数量和分布。H13钢中的MC型碳氮化物包括单层、双层和三层结构,(Ti_x,V_(1-x))(C_y,N_(1-y))可作为(V_x,Mo_(1-x))(C_y,N_(1-y))的核心,而一部分氧化物和硫化物可作为(Ti_x,V_(1-x))(C_y,N_(1-y))的核心。根据偏析模型和热力学计算,wTi=0.0024%时(V_x,Mo_(1-x))(C_y,N_(1-y))在固相率接近0.96时可由凝固前沿生成,而富Ti、N的(Ti_x,V_(1-x))(C_y,N_(1-y))在固相率为0.88时即可生成,降低V、C、Si等含量可减轻或抑制H13钢中MC型碳氮化物的生成,而Ti、N元素可影响H13钢中MC型初生碳氮化物的类型、尺寸、形貌和数量等,方形的(Ti_x,V_(1-x))(C_y,N_(1-y))数量增加、稳定性增强。固相区中纳米碳化物的析出温度是导致粒子尺寸差异的直接原因。高温时H13钢中初生碳氮化物可溶于基体,理论计算(V_x,Mo_(1-x))(C_y,N_(1-y))的平衡分解温度为1063℃以下,而当wTi=0.0024%时(Ti_x,V_(1-x))(C_y,N1y)平衡分解温度在1107～1246℃之间,固溶Ti、N含量高时分解温度增加。在1200℃和1250℃保温时H13钢中MC型初生碳氮化物发生分解,首先边部锯齿化,(V_x,Mo_(1-x))(C_y,N_(1-y))由外至内逐渐分解、形成细小颗粒,在1250℃×5h时(V_x,Mo_(1-x))(C_y,N_(1-y))完全溶解消失。而(Ti_x,V_(1-x))(C_y,N_(1-y))高温时则由致密结构转变为多孔渔网状,分解形成尺寸为0.1～1μm的短棒状或球状颗粒,当颗粒逐渐溶入基体后原始碳氮化物消失。碳氮化物分解时伴随着基体和碳氮化物间Fe、Ti、V等元素的扩散,当Fe由基体向碳氮化物扩散含量越多,碳氮化物分解越充分。1250℃×15h保温后H13钢中的初生碳氮化物较难发现,平均长度降为6.5μm,但当H13钢中Ti、N含量增加时,即使1250℃×15h保温也会残留较多的块状或方形的(Ti_x,V_(1-x))(C_y,N_(1-y)),需要继续提高加热温度。尽管1250℃保温时晶粒尺寸急剧长大,但通过合适的热加工可以使晶粒尺寸控制在8μm以下,避免晶粒粗化对塑韧性的影响,同时高温作用可以减轻由于元素偏析和热变形引起的带状。高温时残留的纳米粒子为主要含有Ti、V的纳米碳化物,数量少、尺寸在200nm以上,对细化晶粒的作用较弱。根据工业实验为满足对韧性要求需要将H13中最大初生碳氮化物尺寸控制在16μm以下、数量小于2.88个/mm2。将H13热作模具钢的合金成分进行优化,可减轻甚至消除产品中初生碳氮化物,并通过控制合金成分使材料满足对硬度、强度和回火稳定性的需求。
[Abstract]:Based on the segregation model and thermodynamic calculation , it is difficult to completely remove carbon nitride . The decomposition temperature of C _ y , N _ ( 1 - x )) ( C _ y , N _ ( 1 - x )) ( C _ y , N _ ( 1 - y )) at 1250 鈩，

本文编号：1398525