金属学报 2014 , 50 (3): 285-293 https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2013.00490

Nb对芯棒用H13钢偏析、液析碳化物及力学性能的影响^*

王明¹^,²^,, 马党参², 刘振天³, 周健², 迟宏宵², 代建清¹

1 昆明理工大学材料科学与工程学院, 昆明650093
2 钢铁研究总院特殊钢研究所, 北京100081
3 抚顺特殊钢股份有限公司, 抚顺113001

EFFECT OF Nb ON SEGREGATION, PRIMARY CARBIDES AND TOUGHNESS OF H13 STEEL

WANG Ming¹^,²^,, MA Dangshen², LIU Zhentian³, ZHOU Jian², CHI Hongxiao², DAI Jianqing¹

1 College of Materials Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093
2 Institute for Special Steel, Central Iron & Steel Research Institute, Beijing 100081
3 Fushun Special Steel Co., Ltd, Fushun 113001

中图分类号: TG142.1

通讯作者: Correspondent: WANG Ming, Tel: (010)62182762, E-mail: wangming.1208@163.com

收稿日期: 2013-08-3

修回日期: 2013-11-19

网络出版日期: --

基金资助: * 国家科技支撑计划资助项目 2007BAE510B04

作者简介:

王明, 男, 1989年生, 硕士生

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摘要

利用OM, SEM, EDS, EBSD, 硬度测试及冲击韧性实验等分析手段, 对比研究H13钢和添加0.06%Nb (质量分数)H13钢 (H13-Nb) 芯棒偏析、液析碳化物、组织及力学性能. 结果表明, 与标准H13钢相比, H13-Nb中Nb加重了偏析, 导致高温扩散过程偏析未能有效改善; Nb使MC液析碳化物类型由以VC为主变成以 (V, Nb)C为主, 提高了MC液析碳化物的析出温度, 并使液析碳化物数量增加; 退火态H13-Nb的严重偏析组织在淬、回火后表现为有效晶粒尺寸较大且不均匀, 其较多的液析碳化物未减少; 在冲击实验中, 链状液析碳化物聚集的地方易产生开裂, 断口上表现为横向条纹, 导致韧性较低.

关键词： H13钢 ; Nb ; 偏析 ; 液析碳化物 ; 韧性

Abstract

Mandrel is an important tool for thermal deformation of the seamless steel tube rolling unit. It requires high heat resistance and toughness due to its application in the harsh environment. H13 steel is commonly used as mandrel materials with excellent comprehensive performance. It is reported that addition of carbide-forming elements, such as Nb, Ti, or Zr, especially the Nb element, can break the dendritic microstructure and refine the cast structure of H13 steel. In addition, Nb can act as a strong carbide-forming element to favor the formation of MC carbide. This stable carbide has low solubility and does not dissolve in austenite even at high temperature, and hence fines austenite grain by pinning effect of carbide on grain boundary. As the stable NbC has stronger ability to improve the fatigue resistance and abrasion resistance than Mo₆C and VC, the mandrel steel can be produced by the method of Nb addition. It has been reported that the addition of Nb in H13 can successfully increase heat resistance. Nb element dissolves into the matrix after quenching and tempering, and precipitates in the form of NbC after heat preservation for a long time, and eventually improves the resistance of material to temper softening. However, it has not been widely applied in the production because the primary carbides of NbC can seriously deteriorate toughness of steel. The purpose of the work is to analyze the effect of addition of 0.06%Nb (mass fraction) on segregation, primary carbides and toughness of large size H13 mandrel steel. The different segregation, primary carbides, structure between large size H13 and H13-Nb mandrel were investigated by employing methods of OM, SEM, EDS and EBSD, and the mechanical properties including the hardness and impact toughness were measured at room temperature. The results show that addition of 0.06%Nb aggravates segregation compared with H13. Nb increases the precipitation temperature of MC-primary carbides, and changes the type of MC-primary carbides from mainly VC to mainly (Nb, V)C which easily induces gravitational segregation of H13-Nb. The severe segregation leads to unfavorable structure of the large and nonhomogeneous effective grain size (EGS) of annealed H13-Nb, and the primary carbides do not decrease or change significantly after quenching and tempering. In the impact test, the zone of the chain-shaped carbides gathering is prone to cracking and generates horizontal stripes, resulting in low toughness.

Keywords： H13 steel ; Nb ; segregation ; primary carbide ; toughness

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王明, 马党参, 刘振天, 周健, 迟宏宵, 代建清. Nb对芯棒用H13钢偏析、液析碳化物及力学性能的影响^*[J]. , 2014, 50(3): 285-293 https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2013.00490

WANG Ming, MA Dangshen, LIU Zhentian, ZHOU Jian, CHI Hongxiao, DAI Jianqing. EFFECT OF Nb ON SEGREGATION, PRIMARY CARBIDES AND TOUGHNESS OF H13 STEEL[J]. 金属学报, 2014, 50(3): 285-293 https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2013.00490

连轧管机用限动芯棒是无缝钢管连轧机组的重要热变形工具, 其工作环境极为恶劣, 需要在高温下承受很大的复杂应力并经受大的循环热应力^[1]. 芯棒的主要失效形式是热磨损和热疲劳^[2], 因此, 影响芯棒使用寿命的最关键性能是高温摩擦抗力和韧性, 通常韧性的影响更重要^[3]. 根据芯棒工作环境及性能要求, 国内外芯棒所用材料一般采用H13钢, 其具有优良的综合性能. 近年来, 为进一步提高H13型热作模具钢的性能, 以适应日益苛刻的服役条件, 在H13钢的基础上进行成分优化, 并取得了一定成效, 如DIEVAR钢和QRO90钢^[4].

Nb是一种对C有极高亲合力的元素, 能形成十分稳定的碳化物^[5], 在合金钢中得到广泛的应用. Nb是锅炉钢T92的重要合金化元素^[6], 在其马氏体组织形成NbC, Nb(C,N)相, 大量弥散分布在晶界和晶内, 使钢的强度提高, 而且由于其良好的稳定性使此类钢具有高温持久强度. Nb添加在Cr8冷作模具钢中形成新的钢种Cr8WMo2V2SiNb^[7], 使得MC碳化物组成由VC改变为VC+(Nb,V)C+NbC, 硬度更高、更弥散的碳化物比例增大, 从而有效地提高钢的耐磨性, 由其制成锻钢冷轧辊得到广泛应用.

Nb添加热作模具钢中改善热强性也有一定的运用, 如Elias和Da Costa Viana^[8]研究了H13钢中用0.07%Nb (质量分数, 下同) 代替部分V后, 热处理对其显微组织和硬度的影响, 虽然部分V被Nb代替并没有明显提高H13钢的硬度, 但碳化物分布和晶粒尺寸有所改善; 胡等^[9]认为, H13钢中添加0.01%Nb对力学性能没有明显改善, 但热稳定性、回火稳定性和抗高温氧化能力明显提高, 抗热疲劳性能提高; 陈等^[10]在H13钢中添加0.097%Nb, 命名为SDH8Nb钢, 其热稳定性明显优于传统的H13钢. 该钢淬回火后, 主要的碳化物为长棒状Mo₂C型碳化物, 以及少量的Cr和V的碳化物, 而Nb元素在淬回火后固溶到基体中, 经过长时间保温后, 以NbC的形式析出, 提高了材料的抗回火软化能力.

目前含Nb的H13钢并未在生产中得到有效应用和推广, 因为很多实验基于小尺寸试样, 而生产实践中大尺寸H13钢锭凝固易产生缺陷. 微量Nb添加在大尺寸的H13钢会大大改变组织性能, 加重组织偏析, 易形成较大的一次液析碳化物, 大大降低H13的韧性. Nb的微量添加会大大改变H13的组织性能, 但在Nb的添加量上尚未有合适的参考标准. 对于添加Nb的H13钢, 能否通过提高高温扩散的时间和温度来减轻偏析, 以及是否可以提高奥氏体化温度同时提高回火温度来提高韧性, 尚没有明确的研究结果.

本工作在H13基础上添加0.06%Nb (记为H13-Nb), 研究Nb对大尺寸H13芯棒退火态偏析、组织、液析碳化物影响, 进而研究Nb对H13钢横向韧性的影响规律, 对大尺寸含Nb的H13钢产品的实际生产和使用具有一定参考价值和指导意义.

1 实验方法

实验材料为H13和H13-Nb芯棒(在H13基础上添加0.06%Nb), 直径200 mm, 化学成分如表1所示, H13和H13-Nb (除Nb元素外)都符合NADCA#207-2003成分标准. 2种材料的冶炼工艺为真空感应炉＋电渣重熔冶炼, 后经过高温扩散、锻造和退火.

在芯棒的芯部、1/4直径、边部各取出3个标准V型缺口冲击试样(尺寸为10 mm×10 mm×55 mm, 缺口方向平行于纵向)和1个退火态金相试样(尺寸为10 mm×10 mm×15 mm), 冲击试样热处理工艺为750 ℃预热45 min, 1030 ℃保温30 min后油淬, 640 ℃保温2 h回火2次.

金相试样用4%硝酸酒精溶液(体积分数)腐蚀, 采用LEICAMEF4M光学显微镜(OM)及SISCIAS8.0金相图像分析软件分别进行图像采集和分析; 采用TIMETH300 Rockwell硬度计进行硬度测量; 采用S-4300冷场发射扫描电镜(SEM)进行像采集及EDS分析; 采用FEI Quanta 650FEG热场发射扫描电镜进行EBSD分析; 采用Thermo-Calc软件计算MC相开始析出温度.

表1 实验钢的化学成分

Steel	C	Mn	Si	Cr	Mo	V	P	S	Nb
Standard	0.32~0.45	020~0.50	0.80~1.20	4.75~5.50	1.10~1.75	1.10~1.75	<0.025	<0.005	-
H13	0.370	0.36	1.10	5.02	1.38	1.07	0.009	0.003	-
H13-Nb	0.365	0.44	0.96	5.19	1.37	1.08	0.008	0.004	0.06

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图1

Fig.1 H13和H13-Nb钢退火态的OM像

2 实验结果

2.1退火组织

2.1.1偏析分析退火态的质量是国内外衡量H13钢质量最重要的指标^[11], 包括纵向带状偏析、球化退火组织均匀性和液析碳化物. 一般而言, H13钢的退火组织芯部偏析最严重, 原因是芯部铸态枝晶组织偏析最严重^[11], 因此, 本工作重点观察H13和H13-Nb芯部偏析的差异. 图1a, c和b, d分别是H13和H13-Nb芯棒芯部的OM像, 由图可知, H13芯棒纵向带状偏析和横向偏析均不明显; 相比而言, H13-Nb芯棒纵向为明显的带状偏析, 横向组织表现为明显的类似枝晶组织的偏析形貌.

H13钢的含C量为0.4%左右, 其合金元素总量达8%, C及合金元素(通常为Cr, Mo, V元素)易形成枝晶偏析, 偏析可在随后的热加工过程中沿锻轧方向拉长, 形成带状组织, 从而严重影响钢材的等向性和横向冲击韧性. 在通常情况下, H13钢锭可通过合理的高温扩散、锻造和退火工艺处理, 以减轻或消除带状偏析组织^[12]. 本实验中, 芯棒经相同的扩散及热加工处理后, H13钢中的带状偏析基本消除, 但H13-Nb钢仍然保留较明显的带状偏析及枝晶偏析形貌, 因此可以判断, H13-Nb钢中铸态组织枝晶偏析加重, Nb的加入使得高温扩散过程中合金元素的扩散变得更加困难. 因此, 图1b和d所示的偏析组织实际上是铸态组织枝晶偏析的遗留.

2.1.2 液析碳化物及组织均匀性分析图2为H13和H13-Nb芯棒退火态芯部的SEM像. 芯棒组织均为粒状或小球状珠光体和液析碳化物, 偏析形貌是由二次碳化物的分布密集程度差异造成. H13芯棒芯部二次碳化物比较均匀地分布于铁素体基体上, 未见明显偏析条带区, 图2a中箭头所指为液析碳化物, 经EDS分析为以V为主的MC型碳化物. 与H13芯棒相比, H13-Nb芯棒芯部退火组织可见明显偏析区, 与图1b所示金相组织中的带状偏析相对应. 根据二次碳化物的分布密集程度可以划分为A区和B区, A区二次碳化物数量较少, B区二次碳化物较多, 为合金元素富集区, 对应金相组织中的黑色条带偏析区. 图2b中箭头所示为链状分布液析碳化物, 颗粒较大, 数量较多, 经能谱分析为以V, Nb为主的MC型碳化物. 可见, 在H13-Nb钢中, Nb改变MC液析碳化物类型, 由VC为主变成以(Nb, V)C为主^[13].

液析碳化物是在非平衡结晶时, 由钢液析出的共晶碳化物. H13-Nb链状液析碳化物在锻造后破碎, 沿锻造方向呈小块碳化物的形态. 其形成机理是, 在电渣重熔过程中, 因选分结晶的原因, 存在枝晶偏析, 枝晶间最后凝固残液内, 形成C及合金的元素富集区, 达到共晶成分, 凝固后形成液析碳化物. H13-Nb金相组织中纵向黑色偏析条带和横向黑色类枝晶间网, SEM分析发现成链状的液析碳化物也聚集于此, 表明液析碳化物是在钢液凝固后期直接从钢液中成分偏析严重的区域析出^[12].

根据Thermo-Calc软件计算, H13和H13-Nb芯棒中的MC相开始析出的温度分别为1161.23和1315.02 ℃. H13-Nb钢锭在凝固过程中, 由于添加微量的Nb, 显著提高MC相液析碳化物开始析出温度, MC相碳化物有相对较长的时间长大, 并产生更多的MC相液析碳化物.

2.2 力学性能

结合H13钢淬火、回火硬度变化规律及芯棒在实际使用中的性能要求^[14], 采用1030 ℃油淬, 640 ℃回火2次的热处理工艺, 调整芯棒硬度至36~40 HRC. 本实验中, H13和H13-Nb芯棒冲击试样经热处理后硬度平均值分别为39.0和39.5 HRC, 表明Nb的加入未对H13钢硬度产生较大的影响^[8]. 芯棒各位置横向室温冲击韧性如图3所示, 可知, H13和H13-Nb芯棒冲击韧性从芯部到边部逐渐变大. 相同位置, H13冲击韧性远远大于H13-Nb, 尤其是芯部, 高出128%.

2.2.1 断口形貌分析图4为H13和H13-Nb芯棒冲击试样断口的宏观形貌, 从左到右依次为芯部、1/4直径和边部位置试样, 由图可知, 芯棒均为脆性断口. H13芯棒试样断口能明显分辨出放射区和剪切唇区, 由芯部至边部放射区的放射条纹越来越明显, 剪切唇区面积逐渐增大, 与其冲击功数值相对应. H13-Nb芯棒试样断口能分辨出剪切唇区和放射区, 但是放射区的放射条纹不明显. H13-Nb芯棒3个位置冲击试样断口近缺口处可见明显与裂纹扩展方向垂直的横向条纹, 横向条纹较深, 如图4箭头所示.

2种芯棒的芯部试样冲击值最低, 同时冲击值差异也最大, 利用SEM对芯棒芯部断口放射区进行分析. 图5a中箭头所示为H13断口凹陷处的液析碳化物, 能谱分析为以V为主的MC型液析碳化物. 图5b为横向条纹放大区域, 在横向条纹的凹陷处存在较多的呈链状分布的液析碳化物, 尺寸较大, 具有明显的解理平面, 经EDS分析为以(Nb, V)C为主的MC型液析碳化物. 退火态中H13中以VC为主的MC型和H13-Nb中的以(Nb, V)C为主的MC型液析碳化物的液析碳化物在淬、回火后, 没有发生改变^[15], 这些碳化物对芯棒横向力学性能有较大的影响.

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图2

Fig.2 H13和H13-Nb退火态显微组织的SEM像和EDS谱

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图3

Fig.3 H13和H13-Nb钢的横向冲击韧性

为了探究液析碳化物数量及粒径大小与冲击韧性的关系, 在冲击试样上随机选取1个5 mm×5 mm区域, 统计该区域内所有液析碳化物的数量及粒径. 图6为H13和H13-Nb芯棒芯部试样液析碳化物粒径统计分布图, 可知, H13和H13-Nb液析碳化物平均粒径分别为5.17和4.92 µm, 总数分别为73和456个. 粒径尺寸大于10 µm的液析碳化物数量, H13和H13-Nb分别为2和31个. H13液析碳化物粒径主要分布3~6 µm区间, 约占总数量的70%, H13-Nb液析碳化物粒径主要分布3~7 µm区间, 约占总数量的82%. H13-Nb芯棒液析碳化物的平均粒径大于H13芯棒, 大粒径尺寸的碳化物都要远远多于H13芯棒. H13和H13-Nb芯棒芯部试样冲击韧性分别为16和7 J, H13-Nb中较多液析碳化物严重影响其韧性. H13冲击试样断口面上的河流状的放射条纹说明试样在冲击实验中吸收较多的能量. 而H13-Nb没有明显的河流状的放射条纹, 是由于碳化物集中在横向条纹区域, 造成这一带组织薄弱. 在冲击实验中, 横向条纹区域是试样易产生开裂的地方, 开裂方向是由近缺口横向条纹向后扩展.

图7为H13-Nb和H13芯棒芯部冲击试样断口的SEM像, 断口形貌均为撕裂岭和准解理断裂面, 即大量高密度的短而弯曲撕裂岭连接着大小取向不一致准解理断裂面. 对比2种芯棒断口微观形貌, H13-Nb的撕裂岭较少, 准解理断裂面尺寸比H13大. 对一般的断口分析表明, 冲击韧性好的试样有较小的解理断裂单元(cleavage fracture unit), 断裂单元大小与有效晶粒尺寸相对应^[16].

2.2.2 有效晶粒尺寸分析回火马氏体的微观结构由原奥氏体晶粒(grain)、板条束(packet)、板条块(block)和板条(lath)组成. 板条束为原奥氏体晶粒内具有相同惯习面的马氏体板条晶区, 板条块为板条束内大角度晶界包围的区域, 具有相似晶体学取向^[17]. 图8为利用EBSD分析的H13和H13-Nb芯棒芯部回火试样的反极图取向成像(inverse pole figure)图, 扫描区域为80 µm×80 µm, 步长为0.1 µm. 图中颜色代表晶体学取向, H13和H13-Nb芯棒亚结构为细长的板条块组成, 板条块内部基本为同一颜色, 即位相基本一致. 但是, H13芯棒试样相同颜色板条块尺寸更小, 相邻板条块之间的颜色差异也更大. 图中黑线代表大角度晶界(大于15°), 其尺寸可以用来描述马氏体钢中的有效晶粒尺寸(effective grain size, EGS), 这实际上代表了马氏体结构板条块的尺寸. 利用截线法对EGS进行统计, H13和H13-Nb的EGS分别为4.07和5.60 µm. 由此可见, H13-Nb钢较大的EGS值是造成冲击断口中更大的准解理刻面的原因.

H13芯棒的有效晶粒均匀且较小, 其冲击韧性较大. 合金钢有效晶粒尺寸与韧脆转变温度关系可以用如下公式表示^[18]:

(1) $T_{c} = a - b l n d^{- 1 / 2}$

式中, a包括了除晶粒尺寸以外的其它因素对韧脆转变温度的影响, b为材料常数, 一般b=11.5 ℃/mm^1/2, d为晶粒尺寸, T_c为韧脆转变温度, 晶粒细化可以使韧脆转变温度大幅度降低, 增加材料的韧性.

晶粒细化时, 单位体积内晶粒数目增加, 塑性变形可以分散在更多的晶粒内进行, 塑性变形越均匀, 应力集中越小, 细化的有效晶粒增加了晶界总面积, 从而增加裂纹扩展阻力. 与此同时, 晶界总面积的增加还可以减轻晶界上杂质元素的偏聚, 降低沿晶脆性断裂的倾向. 此外, 细小的晶粒使得裂纹穿过晶界进入相邻晶粒并改变方向的频率提高, 消耗的能量增加, 所以材料的韧性提高^[19].

对比图8a和b, H13钢的有效晶粒尺寸均匀性高于H13-Nb. 图8b中用粗黑线描边的2个板条块, 其长度方向尺寸40 µm, 远远超过其它板条块, 存在类似混晶的现象. 对比图3退火组织形貌, H13二次碳化物分布均匀, H13-Nb二次碳化物较多聚集在B区偏析条带中. 这种带状偏析会遗留到淬火态及回火态, 在淬、回火过程中, 不同的偏析条带间的组织转变存在差异, 造成组织的不均匀性^[15], 在微观上表现为板条块尺寸不均匀.

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图4

Fig.4 H13和H13-Nb钢冲击试样的断口宏观形貌

3 分析与讨论

如图1和2a, b所示, H13和H13-Nb钢主要的差异为H13-Nb中Nb加重偏析, 带状偏析区分布着以(V,Nb)C为主的MC型链状液析碳化物, 液析碳化物周围分布较多的二次碳化物. Nb加重H13-Nb偏析有2种形式, 一种是Nb固溶在基体γ-Fe中偏聚, 另一种是以NbC的形式偏析. 在H13-Nb中, 1200 ℃以下, γ-Fe和Nb的原子直径分别为0.25835和0.29613 nm, Nb的原子直径比γ-Fe的原子直径大, 晶格畸变能较大, 溶质Nb原子有向界面和位错线上偏聚倾向^[20]. 而Cr, V等元素固溶在钢基体中, 晶格畸变能较小. 在凝固时, Nb将被分配到柱状晶间区, 形成Fe+NbC共析体, 此共析体的体积分数主要取决于钢中Nb的含量^[21]. 在初期凝固, Nb是一种强碳化物形成元素, 易先与C先形成NbC, 在1200 ℃不考虑其它元素对NbC的影响, 根据固溶度积公式^[20]:

(2) $l g (c_{N b} c_{C}) = 2.206 - 6746 / T$

式中, c_Nb, c_C为Nb和C的质量分数, 分别为0.06%和0.04%; T为温度. 计算出未溶解的MC相的质量分数为0.05573%, 形成的NbC在奥氏体中几乎不溶解. 随着凝固温度的降低, 陆续生成其它第二相, 根据碳化物成分的不同, MC型液析碳化物可能下沉、漂浮或者均匀地分布. 纯Fe的密度为7.02 g/cm³(T=1500 ℃), NbC和VC的密度分别为7.79和5.7 g/cm³. H13-Nb中的MC相液析碳化物以(V, Nb)C为主, 密度介于NbC和VC之间. 对比H13和H13-Nb, 其化学成分基本一致, 忽略Nb对H13-Nb熔体的密度的影响, 重力可能造成H13-Nb中的MC相液析碳化物在熔体中有偏析趋势^[21]. 凝固过程中后析出的较小碳化物有在较大的液析碳化物依附形核的趋势, Nb的加入还间接地抑制了C的长程扩散, 对C原子产生拖拽作用. 初生液析碳化物周围C含量较高, 从而形核率更大, 更易在其周围形成较多的粒状碳化物^[22].

H13-Nb和H13钢锭经过相同高温扩散处理, 扩散过程是原子无规则行走的Brown运动模型. 一方面由于H13-Nb偏析严重, 较多的合金元素集中在偏析区内, 扩散通道相对较小, 同时Nb的加入, 对其它元素的扩散产生一定干扰, 扩散比较难进行. 另一方面, 合金元素Cr, Mo, V, Nb在奥氏体的扩散系数可由Arrhenius方程式计算得出, 扩散激活能等相关数据可参考文献[23], 在1200 ℃, D_Cr=4.72×10^-10 cm²/s, D_Mo=1.10×10^-10 cm²/s, D_V=1.21×10^-10 cm²/s, D_Nb=1.90×10^-10 cm²/s (D_Cr, D_Mo, D_V, D_Nb分别为Cr, Mo, V, Nb的扩散系数). Nb的偏析系数较小, 不容易偏析. Nb的加入使得高温扩散过程中合金元素的扩散变得更加困难.

Nb在高温合金钢中也存在偏析现象, 如GH4169合金中Nb在枝晶间偏聚^[24]. 在H13-Nb退火组织中, 这种偏析使偏析条带中链状液析碳化物周围聚集着较多的二次碳化物. 液析碳化物在经过淬、回火后没有发生变化, H13-Nb中液析碳化物严重影响韧性. H13-Nb退火态的偏析形成不均匀的二次碳化物, 在经淬火、回火后, 二次碳化物溶解在基体, 而后由从基体析出, 由于淬火、回火温度较低且时间较短, 合金元素几乎未发生较大移动, 形成的不均匀碳化物影响有效晶粒尺寸.

文献［7~9］关于Nb在H13的应用都是基于小试样研究, 实验钢均采用25 kg感应炉冶炼, 然后浇筑在小型陶瓷模型进行冷却得到所需尺寸的试样, 或者小钢锭凝固后进行多次锻造得到所需尺寸的试样. 小尺寸的试样或者小钢锭在凝固过程中, 整体密度、温度和凝固速度均等, 后经高温扩散, 整体的合金成分趋于一致. 在这些试样的铸态或者其退火态组织中, NbC形成的MC相碳化物一般以二次碳化物或者较小的液析碳化物存在, 且均匀分布在基体, 在宏观上, 基体不存在明显的偏析. 刘等^[25]在对大尺寸的Fe-0.45%C钢锭凝固过程中研究发现, 钢锭存在偏析带中正偏析、钢锭底部负偏析、顶部正偏析现象. 液体流动与晶粒运动、晶粒与熔体之间存在的较大质量密度差会引起固相晶粒沉淀等, 并将影响宏观偏析. 大尺寸钢锭的凝固过程很复杂, 很容易产生偏析. 本实验中, H13和H13-Nb采用3000 kg真空感应炉和电渣重熔冶炼, 钢锭尺寸较大, 存在尺寸效应, 偏析严重. 比较图6中液析碳化物统计可以发现, H13芯棒液析碳化物的尺寸分布趋势与H13-Nb相似, H13芯棒也存在尺寸较大的液析碳化物, 说明工业生产过程中, 产生较大和较多的液析碳化物是不可避免的. H13-Nb中加入0.06%Nb, 可以提高MC型液析碳化物析出温度, 即析出的时间也变长, 局部凝固的时间变长, 促使偏析严重. 同时液析碳化物有较长的时间长大, 并形成较多的液析碳化物.

由于液析碳化物偏聚严重影响韧性, 在凝固过程, 进行孕育处理产生细的质点或者通过搅拌及快速凝固有助于更细小共晶MC的形成^[21]. 通过计算可以发现, 在H13添加0.01%Nb, MC相的析出温度为1200 ℃, 即可通过降低Nb的含量来降低MC相析出温度, 减少液析碳化物的数量同时减轻偏析程度. 对于H13芯棒, 适量添加Nb, 提高高温扩散的温度或时间, 可消除或者减轻偏析, 得到均匀的组织. 在提高其热稳定性同时保持一定韧性, 达到提高芯棒使用寿命的目的.

4 结论

(1) H13-Nb中0.06%Nb加重了的偏析, 改变MC相液析碳化物的类型, 由VC为主变成以(V, Nb)C为主, 提高了MC相析出的温度, 产生较多的液析碳化物.

(2) H13-Nb退火态偏析在经过淬、回火热处理后, 偏析造成钢的有效晶粒尺寸较大且分布不均匀, 降低了H13-Nb芯棒的韧性.

(3) 液析碳化物经过淬火、回火没有发生改变, H13-Nb中较多较大的液析碳化物对韧性也有较大的影响.

(4) 大型芯棒H13和H13-Nb存在尺寸效应, 从芯部到边部, 偏析逐渐减轻, 液析碳化物数量逐渐减少, 冲击功也逐渐增大.

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Nb对芯棒用H13钢偏析、液析碳化物及力学性能的影响*

EFFECT OF Nb ON SEGREGATION, PRIMARY CARBIDES AND TOUGHNESS OF H13 STEEL

1 实验方法

2 实验结果

2.1退火组织

2.2 力学性能

3 分析与讨论

4 结论

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Nb对芯棒用H13钢偏析、液析碳化物及力学性能的影响^*

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