Page 77 - 机械工程材料2024年第十一期

2024 年 11 月 第 48 卷 第 11 期 Vol. 48 No. 11 Nov. 2024

DOI：10. 11973/jxgccl230557

不同冶炼工艺生产 H13 钢中非金属夹杂物特征

及其对力学性能的影响

邸英南，马党参，周 健，迟宏宵，谷金波

（钢铁研究总院特殊钢研究院，北京 100081）
摘 要： 采用真空感应+真空自耗（VIM+VAR）、电弧炉+炉外精炼+真空脱气+保护气氛电
渣重熔（EAF+LF+VD+PESR）、EAF+LF+VD以及EAF+LF+VD+电渣重熔 （ESR）等 4 种
工艺冶炼H13热作模具钢，并进行高温扩散、轧制、奥氏体化和回火处理，研究了不同冶炼工艺生产
H13钢中非金属夹杂物特征及其对力学性能的影响。结果表明：4种冶炼工艺生产的试验钢回火组
织均为回火马氏体+未溶碳化物+析出碳化物；VIM+VAR工艺生产的试验钢中非金属夹杂物含
量最少且尺寸较小，该钢的洁净度较高，力学性能最佳；EAF+LF+VD工艺生产的试验钢中非金属
夹杂物含量最高且尺寸大，其碳化物质点易发生破碎，该钢的塑性最低。细小且数量少的非金属夹
杂物在拉伸过程中不易作为裂纹源加速材料断裂，因此较高的洁净度可以提高H13钢的力学性能。
关键词： 冶炼工艺；非金属夹杂物；热作模具钢；冲击韧性；拉伸性能
中图分类号：TG14 文献标志码：A 文章编号：1000-3738（2024）11-0069-07

0 引 言 空脱气+电渣重熔（EAF+LF+VD+ESR）工 艺
是 21 世纪生产优质合金钢的主要技术之一，与电
H13钢是国内外应用最广泛的热作模具钢，具
炉炼钢相比，该工艺在金属液滴通过熔渣层时，能
有优异的淬透性及良好的热强性，主要用于制造压
利用熔渣的吸附作用有效去除钢中的非金属夹杂
铸模、热锻模、热挤压模等。H13钢热作模具较为常
物，从而提高金属的洁净度。早期的ESR在大气环
见的失效方式为冷热疲劳开裂，由于高强度可以延
境中进行，电渣钢中会出现易氧化元素烧损和增氢
缓疲劳裂纹的萌生，良好的韧性可以阻止裂纹的扩
［1］
展，因此提高H13钢的强韧性成为研究的热点 。 等问题。为此，研究人员开发出保护气氛电渣重熔
（PESR） 技术，并将其与EAF+LF+VD结合（简称
钢的洁净度通常由钢中有害元素（磷、硫、氮、
EAF+LF+VD+PESR） 熔炼钢材，以降低钢材中
氢、氧）含量以及非金属夹杂物的数量、形态和尺寸
［4］
来评价。有害元素含量越低，夹杂物数量越少、尺寸 的氢含量 。然而，ESR和PESR对于钢中氮含量的
越小，钢的洁净度越好。当非金属夹杂物的尺寸小 控制并不理想，因此又提出一种真空感应+真空自
耗（VIM+VAR） 的超纯净冶炼技术，该技术通过真
于2 μm，并且数量少到彼此之间的距离大于10 μm
［2］
时，通常不会对材料性能造成影响 。然而，较多夹 空下的电弧超高温处理去除材料中的气体（氮含量明
杂物的存在会破坏金属基体的连续性，在交变载荷 显降低）和其他杂质，形成均匀、致密且纯度更高的
［5］
的作用下容易作为裂纹源，从而降低材料的韧性、塑 铸锭，进一步提高洁净度以提升材料的力学性能 。
［3］
性等性能 。因此，在冶炼时需要严格控制冶炼工 作者采用上述4种不同冶炼工艺生产了H13热作模
艺以降低钢中夹杂物的数量和尺寸。 具钢，借助ASPEX夹杂物仪研究了不同冶炼工艺生
H13钢常采用电弧炉+炉外精炼+真空脱气 产的试验钢中非金属夹杂物的种类、数量和尺寸，探
（EAF+LF+VD） 工艺进行冶炼，产品存在洁净度 究了其对力学性能的影响。
较差和明显的尺寸效应等不足，并且制备的大规
1 试样制备与试验方法
格铸锭的心部韧性较差。电弧炉+炉外精炼+真
试验材料为H13热作模具钢，分别采用VIM+
收稿日期：2023-11-23；修订日期：2024-10-08
VAR、EAF+LF+VD+PESR、EAF+LF+VD、
作者简介： 邸英南（1996—），男，黑龙江哈尔滨人，博士研究生
导师：马党参正高级工程师 EAF+LF+VD+ESR工艺进行熔炼。钢锭规格
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