Page 78 - 机械工程材料2024年第十一期

邸英南，等：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

为ϕ305 mm，经1 250 ℃保温45 h高温扩散后，采用 将热处理后的金相试样用体积分数为4%的硝
2 000 t快锻机快锻开坯，轧制成尺寸为ϕ20 mm× 酸乙醇溶液腐蚀 10 s后，采用OlympusGX53 型光
3 000 mm的棒材。不同工艺冶炼的试验钢的化学成 学显微镜和Quanta 650 FEG型热场发射扫描电镜
分如表1所示。采用线切割在成品棒材上制取若干 （SEM）观察显微组织。在ASPEX EXPLORER型
尺寸为ϕ20 mm×10 mm的金相试样，沿成品棒材轴 夹杂物分析仪上进行非金属夹杂物分析，设置识别
2
向制取尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的夏比U型 最小夹杂物直径为2 μm，检测面积均为50 mm ，统
缺口冲击试样和尺寸为ϕ5 mm×65 mm×M12 mm 计 3 个面。根据GB/T 19748—2019，在JBN-300B
的拉伸试样。将试样在MFLXD111-12型箱式马弗 型冲击试验机上进行室温冲击试验，测3个平行试
炉中加热至1 030 ℃保温30 min进行奥氏体化处理， 样取平均值。根据GB/T 228.1—2021，采用WDW-
油冷至室温，再加热至560 ℃保温2 h进行回火处理， 300E型万能试验机进行室温拉伸试验，拉伸速度为
空冷，共回火两次。 5 mm · min −1 ，测3个平行试样取平均值。
表1 不同工艺冶炼H13热作模具钢的化学成分
Table 1 Chemical composition of H13 hot-working die steel smelted by different processes
质量分数/%
编号 冶炼工艺
C Si Mn Cr Mo V S P H O N
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1 VIM+VAR 0.36 1.00 0.38 5.11 1.31 0.92 0.000 6 0.005 0.000 07 0.000 7 0.001 4
#
2 EAF+LF+VD+PESR 0.37 1.07 0.43 5.20 1.48 0.93 0.000 9 0.011 0.000 05 0.000 8 0.007 4
#
3 EAF+LF+VD 0.40 1.06 0.36 5.12 1.32 0.93 0.001 1 0.017 0.000 06 0.001 8 0.016 0
#
4 EAF+LF+VD+ESR 0.40 0.99 0.45 5.10 1.41 1.04 0.002 6 0.014 0.000 16 0.001 3 0.009 1
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2 试验结果与讨论 由表3可以看出：3 工艺冶炼试验钢中非金属
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夹杂物的数量最多，为1 工艺冶炼试验钢的4.72倍；
2.1 夹杂物统计及显微组织
4 种工艺冶炼试验钢中非金属夹杂物面积均主要
由表2可以看出，4种工艺冶炼试验钢中的夹杂
2
集中在10~15 μm ，其占比从大到小排序依次为2 #
物均主要由氧化物（镁铝尖晶石、铝的氧化物及钙的
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工艺冶炼试验钢、3 工艺冶炼试验钢、4 工艺冶炼
氧化物）、硫化物（硫化钙、硫化锰）以及其他未检测
试验钢、1 工艺冶炼试验钢，分别为 78%，76.9%，
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出组成的多元素复合型夹杂物 ［6-7］ 组成，其中氧化物
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60.5%，58.9%。可见，1 工艺冶炼试验钢中较大尺
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占比均最高。结合表1分析可知：1 工艺冶炼试验钢
寸的非金属夹杂物占比最低，洁净度最优。
中硫含量最低，4 工艺冶炼试验钢中硫含量最高，硫
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化物含量也最高，3 工艺冶炼试验钢中氧含量最高， 表3 不同工艺冶炼试验钢中夹杂物的面积及数量统计
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Table 3 Area and quantity statistics of inclusion in different
氧化物含量也最高。试验钢中氧化物、硫化物含量
test steels smelted by different processes
的高低与实测的氧、硫含量的高低相对应。
夹杂物的数量/个
表2 不同工艺冶炼试验钢中夹杂物的种类及含量 夹杂物的 1 工艺冶炼 2 工艺冶炼 3 工艺冶炼 4 工艺冶炼
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Table 2 Types and content of inclusions in different test 面积/μm 2 试验钢 试验钢 试验钢 试验钢
steels smelted by different processes
［2，5） 3 2 108 53
质量分数/%
夹杂物的 ［5，10） 110 72 191 297
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1 工艺冶炼 2 工艺冶炼 3 工艺冶炼 4 工艺冶炼
种类 ［10，15） 162 263 1 000 535
试验钢 试验钢 试验钢 试验钢
镁铝尖晶石 52.73 68.84 70.36 45.99 由图1和表4可见：4种冶炼工艺生产的试验钢
铝的氧化物 14.55 6.85 18.76 中较为典型的非金属夹杂物均呈黑色或深灰色，为
钙的氧化物 4.00 2.97 10.62 不规则形状；1 工艺冶炼试验钢中非金属夹杂物的尺
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硫化钙 6.18 5.93 5.85 寸明显小于其他3种工艺冶炼试验钢，钢材质量较好；
硫化锰 0.59 6.62 14.01 3 工艺冶炼试验钢中非金属夹杂物呈灰色且尺寸较
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其他 22.54 21.67 10.32 10.62 大。试验钢中非金属夹杂物主要为氧化物（含镁铝尖
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