黃 宇，成國光，鮑道華

北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

1 H13模具鋼簡介

模具鋼主要分為熱作模具鋼、冷作模具鋼和塑料模具鋼三大類，是用于制造冷沖模、熱鍛模、壓鑄模等模具的鋼種. 模具是機(jī)械制造、電器、車輛等工業(yè)部門中制造零件的主要加工工具，是衡量一個國家制造業(yè)水平高低的重要指標(biāo)之一，模具使用壽命的長短主要受到模具鋼冶金質(zhì)量的影響.

H13鋼作為熱作模具鋼的典型代表，各個國家對于其化學(xué)成分的要求相差不大，各元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為C 0.4、Cr 5、Mo 1.3、V 1、Si 1、Mn 0.5左右. H13鋼中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的合理搭配，使得H13鋼的抗拉強(qiáng)度、高溫硬度、熱穩(wěn)定性以及抗疲勞性能均表現(xiàn)良好. 針對H13鋼的相關(guān)材料性能與溫度之間的關(guān)系，日本學(xué)者已經(jīng)做了非常詳細(xì)的研究，結(jié)果如圖1所示. 當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度在500 ℃以下時，H13鋼的硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率、伸長率以及沖擊性能變化不大，與常溫條件下基本相同. 所以，各項(xiàng)材料性能的高溫穩(wěn)定性是H13鋼被廣泛地用于制造熱作模具鋼的主要原因.

熱疲勞失效是H13鋼主要的失效形式，且是后期無法修補(bǔ)和挽救的，約占失效形式的70%左右[1]. H13熱作模具鋼在使用過程中會受到循環(huán)的加熱和冷卻作用，夾雜物的線性膨脹系數(shù)與鋼基體不同，夾雜物與基體之間會存在較大的熱應(yīng)力集中. 同時H13熱作模具鋼在壓鑄和擠壓過程中，由于夾雜物與基體的硬度和塑性不同，在夾雜物與基體之間還會受到循環(huán)的應(yīng)力集中. 在兩種應(yīng)力的共同作用下，夾雜物周圍會產(chǎn)生微裂紋，隨著應(yīng)力的繼續(xù)累積，微裂紋合并長大形成裂紋，最終導(dǎo)致模具的失效[2]. 所以，H13鋼中的大尺寸夾雜物（特別是大尺寸碳氮化物）是導(dǎo)致其疲勞失效的主要原因，夾雜物的類型、尺寸、位置等特征均會對熱疲勞裂紋的萌發(fā)和擴(kuò)展產(chǎn)生影響. H13鋼中Cr、Mo、V、C等元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了8%左右，加上凝固過程中合金元素的偏析作用，導(dǎo)致大尺寸一次碳化物的析出在所難免.

圖1 H13鋼的材料性能與溫度之間的關(guān)系. （a）硬度；（b）抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；（c）伸長率和斷面收縮率；（d）沖擊韌性Fig.1 Variation of temperature with material properties of H13 steel: (a) hardness; (b) yield and tensile strength; (c) elongation and reduction of area;(d) impact toughness

日本學(xué)者Yoshida和Ozaki研究了一次碳化物與模具鋼使用壽命之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示[3-4]. 隨著鋼中碳化物體積分?jǐn)?shù)的增加，模具鋼的疲勞失效強(qiáng)度逐漸降低；當(dāng)鋼中的碳化物分布在試樣表面時，其失效交變應(yīng)力次數(shù)較小，也就是說一次碳化物分布在鋼表面的危害性要遠(yuǎn)大于分布在基體內(nèi)部. 當(dāng)一次碳化物的尺寸較小時，即使碳化物分布在表面，也能有較高的失效交變應(yīng)力次數(shù)，特別是當(dāng)碳化物的尺寸小于10 μm時. 所以一次碳化物的數(shù)量和尺寸的降低均可以有效延長模具鋼的使用壽命，合理控制H13鋼中一次碳化物是提高其使用壽命的關(guān)鍵.

2 H13鋼中一次碳化物的特點(diǎn)

2.1 H13鋼中一次碳化物的形貌

要想有效控制H13鋼中的一次碳化物，首先需要了解一次碳化物的特點(diǎn)，特別是形貌、析出機(jī)理、分布、熱穩(wěn)定性等. 謝有等[5-6]在國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的H13鋼中發(fā)現(xiàn)了大量多層分布的大尺寸一次碳氮化物，形貌如圖3所示. 中心的黑色區(qū)域?yàn)镸g-Al-O，灰色區(qū)域?yàn)楦籘i、V碳氮化物，外圍的亮白色區(qū)域?yàn)楦籒b碳氮化物. 由于此鋼種有進(jìn)行Nb微合金化處理，所以在最后的成品鋼中發(fā)現(xiàn)了含Nb的一次碳氮化物. 劉建華等[7]通過解剖5.0 t的H13鋼鑄錠發(fā)現(xiàn)了數(shù)微米甚至數(shù)十微米的塊狀富Ti-V氮化物以及沿晶界分布的條狀富V-Mo碳化物. 李晶等[8-9]分別在鑄態(tài)H13鋼和電渣重熔H13鋼中同樣發(fā)現(xiàn)了大尺寸的一次碳化物. 由于H13鋼中合金元素種類較多，合金元素的加入還會帶入Ti元素，冶煉過程中空氣中的N元素還會進(jìn)入鋼液中，所以導(dǎo)致H13鋼中一次碳化物的種類非常復(fù)雜，主要包括碳化物、氮化物以及碳氮化物. 不同種類的本質(zhì)其實(shí)是凝固過程中C和N元素與Ti、V、Cr、Mo等合金元素結(jié)合能力相互競爭的結(jié)果. 由于H13鋼中C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)大于N元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且大多數(shù)研究者觀察到的主要是碳化物或碳氮化物，所以為了論述方便，在本文中統(tǒng)一稱為一次碳化物. 所以大尺寸的一次碳化物在H13鋼中是普遍存在的，且當(dāng)H13鋼中還存在細(xì)小彌散分布的Mg-Al-O類夾雜物時，Mg-Al-O類夾雜物還能作為一次碳化物的形核核心，會進(jìn)一步促進(jìn)一次碳化物的析出.

圖3 H13鋼中一次碳化物的二維形貌Fig.3 Two-dimensional morphology of primary carbide in H13 steel

為了更加全面地分析H13鋼中一次碳化物的形貌，利用非水溶液電解法將鋼基體溶解，使得一次碳化物的三維形貌顯露出來，如圖4所示[10]. 一次碳化物的二維形貌和三維形貌之間存在顯著的區(qū)別，一次碳化物的三維形貌為典型的樹狀結(jié)構(gòu)，可以分為“樹干”上的富Ti、V碳化物和“樹枝”上的富V碳化物，而二維形貌僅僅是樹狀結(jié)構(gòu)的某一個切面. 所以，一次碳化物的二維形貌以塊狀和條狀為主. 此外二維觀察下將低估一次碳化物的尺寸，高估一次碳化物的數(shù)量，這與一次碳化物的實(shí)際特征之間存在較大的誤差，在后續(xù)的研究中值得進(jìn)一步探討. 同時從“樹干”和“樹枝”中元素的成分差異，進(jìn)一步得出H13鋼中一次碳化物的析出順序?yàn)槭紫任龀龈籘i、V碳化物，隨后析出富V碳化物.

圖4 H13鋼中一次碳化物的三維形貌Fig.4 Three-dimensional morphology of primary carbide in H13 steel

2.2 H13鋼中一次碳化物的析出機(jī)理

由于H13鋼中合金元素種類較多，所以H13鋼中一次碳化物的種類比較復(fù)雜. 根據(jù)形貌的不同，H13鋼中的一次碳化物可分為多邊形、長條形、塊狀及片層狀；根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，一次碳化物又可分為MC、M6C、M2C或M23C6；根據(jù)成分的不同，可分為富Mo型、富V型和富Ti、Nb 型[11].目前，研究者普遍認(rèn)為凝固過程中Cr、Mo、V、C、Ti等合金元素在固液界面前沿的富集是導(dǎo)致一次碳化物析出的直接原因，但給出直接的實(shí)驗(yàn)證明結(jié)果的還較少[12]. 所以本課題組首先利用化學(xué)腐蝕的方法得到H13鋼錠的最后凝固區(qū)域，隨后利用EPMA分析了最后凝固區(qū)域的元素組成以及一次碳化物的分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示. 色標(biāo)注表示對應(yīng)元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù). 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為H13鋼錠的最后凝固區(qū)域，其中Cr、Mo、V、C等合金元素在最后凝固區(qū)域存在明顯的富集現(xiàn)象. 此外，在最后凝固區(qū)域還發(fā)現(xiàn)了大量的一次碳化物，圖中的紅色部分，類型主要包括富Ti、V碳化物和富V碳化物，且一次碳化物僅分布在最后凝固區(qū)域，在基體中沒有發(fā)現(xiàn)一次碳化物. 基于此，用實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接驗(yàn)證了凝固過程中合金元素的偏析是導(dǎo)致H13鋼中大尺寸一次碳化物析出的直接原因.

圖5 H13鋼中最后凝固區(qū)域的元素分布Fig.5 Elements mapping of the last-to-solidify region in H13 steel

對于H13鋼中一次碳化物的析出機(jī)理，目前主要通過Thermo-Calc熱力學(xué)軟件中的POLY-3模塊和Scheil模塊或Clyne-Kurz模型進(jìn)行相關(guān)的理論計(jì)算. 謝有等[13-16]對于各類微合金化H13鋼中大尺寸一次碳化物的析出機(jī)理做了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)和理論熱力學(xué)計(jì)算，主要是利用Thermo-Calc中的Scheil模塊進(jìn)行計(jì)算，該模型認(rèn)為元素在液相中完全擴(kuò)散，在固相中不擴(kuò)散. 計(jì)算結(jié)果表明，一次碳化物在凝固末期析出，直到鋼液完全凝固也沒有消失，隨著固相率的增加，富Ti碳化物首先析出，如果有Nb微合金化就隨后析出富Nb碳化物，接著析出富V碳化物，最后析出富Mo、Cr碳化物. 熱力學(xué)計(jì)算的一次碳化物的析出順序與實(shí)驗(yàn)觀察到的多層結(jié)構(gòu)的一次碳化物的析出順序完全吻合. 隨后進(jìn)一步分析了實(shí)驗(yàn)過程中各類碳化物中Ti、V、Nb或（Mo+Cr）元素的摩爾分?jǐn)?shù)與理論計(jì)算的Ti、V、Nb或（Mo+Cr）元素的摩爾分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者之間具有良好的對應(yīng)關(guān)系，所以Scheil模型的計(jì)算結(jié)果能夠很好地說明H13鋼中一次碳化物的析出機(jī)理.

2.3 H13鋼中一次碳化物的分布和熱穩(wěn)定性

實(shí)際生產(chǎn)過程中H13鋼錠凝固后還需要進(jìn)一步進(jìn)行鍛造和熱處理工藝，所以本課題組從三維觀察的角度進(jìn)一步分析了H13鋼中一次碳化物的分布和熱穩(wěn)定性[17]. H13鋼錠中一次碳化物的分布如圖6所示，一次碳化物的三維尺寸沿中心線呈現(xiàn)明顯的對稱分布. 從邊緣到中心，一次碳化物的尺寸逐漸增加. 這主要是由于凝固速率不同導(dǎo)致的，在邊緣，鋼錠的凝固速率非常大，固相形核率較高，一次碳化物析出后沒有足夠的時間和良好的動力學(xué)條件長大，所以一次碳化物的尺寸相對較小. 而在鋼錠的中心部位，由于其凝固速率相對較小，固相形核率較低，且成分偏析較大，所以有較好的生長動力學(xué)條件，最后導(dǎo)致了大尺寸一次碳化物的生成.

圖6 H13鋼錠中一次碳化物的分布Fig.6 Distribution of primary carbide in H13 ingot

鍛造過程雖然可以一定程度上改變H13鋼中一次碳化物的分布，但是對其基本形貌影響不大，所以進(jìn)一步分析了加熱過程對于一次碳化物的影響[18]. 分別在1150、1200、1250 ℃對尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的小試樣進(jìn)行充氬保護(hù)后保溫1 h，研究了一次碳化物的熱穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示[17]. 隨著加熱溫度的升高，一次碳化物的三維尺寸逐漸降低，但即使加熱溫度達(dá)到1250 ℃，一次碳化物仍然沒有完全溶解. 當(dāng)加熱溫度為1150 ℃時，一次碳化物的外圍出現(xiàn)明顯的溶解現(xiàn)象，當(dāng)加熱溫度在1250 ℃時，一次碳化物的樹枝狀幾乎完全溶解. 所以，高溫處理一方面可以有效降低H13鋼中一次碳化物的尺寸，另一方面對于中心的富Ti碳化物的去除效果有限. 此外，考慮到實(shí)際冶煉過程中加熱爐的加熱能力有限，且加熱溫度過高時，奧氏體晶粒將顯著惡化，所以對于加熱溫度的選擇還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，這與其他人的研究結(jié)果基本相吻合[19].

圖7 H13鋼中一次碳化物的熱穩(wěn)定性Fig.7 Thermal stability of primary carbide in H13 steel

3 H13鋼中一次碳化物的控制手段

為了能夠有效地控制H13鋼中的一次碳化物，大量的研究者已經(jīng)做了相關(guān)的工作. 主要包括以下四種方法：（1）優(yōu)化H13鋼的成分，開發(fā)新鋼種；（2）凝固過程中采用快冷的方式降低一次碳化物的尺寸；（3）Mg處理，在鋼液中形成大量彌散分布的Mg-Al-O或MgO，增加一次碳化物的形核核心，降低其尺寸；（4）稀土處理，通過改質(zhì)鋼中的氧化物形核核心，增加一次碳化物的形核能，進(jìn)而降低其數(shù)量，同時稀土的凈化鋼液和微合金化作用可以有效增加H13鋼的材料性能.

3.1 成分優(yōu)化

日本幾大優(yōu)秀的模具鋼生產(chǎn)企業(yè)（大同、山陽、日立以及愛知）在H13鋼的成分優(yōu)化上出奇的一致，各大鋼廠以H13鋼的化學(xué)成分為基礎(chǔ)，已經(jīng)成功開發(fā)了大量綜合性能更加優(yōu)異的商用新鋼種. H13鋼的成分優(yōu)化方向主要有兩個，一個是低Si高M(jìn)o，主要是通過鋼中碳化物的合理控制來增加H13鋼的韌性和高溫強(qiáng)度；另一個方向是添加Ni或W等元素，主要是通過強(qiáng)化固溶強(qiáng)化來增加H13鋼的耐磨性和硬度.

Mesquita等[20-21]的研究結(jié)果表明，隨著Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，不同溫度條件下H11熱作模具鋼的硬度和沖擊性能逐漸增加. 低Si模具鋼Cr、Mo、V等合金元素的二次碳化物與高Si模具鋼中M2C碳化物具有相同的析出強(qiáng)化效果. 低Si模具鋼中在淬火和回火馬氏體的條狀區(qū)域中均勻彌散分布的富Cr碳化物是導(dǎo)致其具有更高強(qiáng)度的主要原因. Si元素會顯著的促進(jìn)早期回火過程中滲碳體的析出，使得碳化物粗化，硬化效果不明顯，所以Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時，會降低H11 熱作模具鋼的二次硬化效果. Delagnes等[22]通過研究Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對于H11熱作模具鋼的疲勞性能的影響發(fā)現(xiàn)，低Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)的H11鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率以及斷面收縮率均高于高Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)的H11鋼.

關(guān)于Si含量對于一次碳化物行為的影響的相關(guān)報(bào)道較少，Sudoh[23]的研究結(jié)果表明，通過降低鋼中Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以降低Cr、Mo、V等合金元素的偏析，減少一次碳化物的析出量. Umino等[24]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低可以抑制晶界碳化物M23C6的析出，此外Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低還有利于熱處理過程中大尺寸一次碳化物的溶解，如圖8所示. 由圖可知，Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，淬火后未溶解的一次碳化物含量越高，而對于二次碳化物的析出影響不大. 所以Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低可以有效降低淬火后鋼中一次碳化物的含量. 此外，提高M(jìn)o元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的同時往往伴隨著V元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，主要是由于富V一次碳化物在凝固過程中更容易析出，且熱穩(wěn)定性要高于富Mo碳化物，在后期的鍛造和熱處理過程中較難去除，所以為了彌補(bǔ)V元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低帶來的二次硬化效果的降低，往往會提高M(jìn)o元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù). 對于Ti、Nb元素微合金化的H13鋼中不同Ti和Nb元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對于一次碳化物的影響的相關(guān)報(bào)道還較少，考慮到Ti和Nb元素均與C元素具有極強(qiáng)的結(jié)合能力，更容易形成穩(wěn)定的一次碳化物，實(shí)際應(yīng)用過程中還需要謹(jǐn)慎對待.

圖8 Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對于碳化物的影響. （a）淬火后未溶解的碳化物；（b）二次碳化物Fig.8 Effect of Si content on the carbides in H13 steel: (a) undissolved carbides during quenching; (b) secondary carbides

雖然Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低可以有效提高模具鋼的各項(xiàng)材料性能，但是并不是越低越好. 日本學(xué)者Fujii與Matsuda[25-26]研究了Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對于Cr系熱作模具鋼切削性能的影響，當(dāng)Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.3%時，模具鋼的二次硬化效果顯著，導(dǎo)致切削過程中造成剪應(yīng)力增加進(jìn)而導(dǎo)致切削力和加工溫度增加，加劇了切削工具的失效，顯著降低了切削工具的使用壽命. 所以為了達(dá)到高溫強(qiáng)度和切削性能的平衡，新開發(fā)的熱作模具鋼中Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在0.3%左右.通過成分優(yōu)化來控制模具鋼中的碳化物進(jìn)而開發(fā)出性能優(yōu)異的新商品鋼，這在國外已經(jīng)取得了成功，但是新鋼種的開發(fā)是一個非常系統(tǒng)的工程，對于國內(nèi)的研究者而言還需要做大量的相關(guān)工作.

3.2 冷速控制

凝固過程中Cr、Mo、V、C等合金元素的偏析導(dǎo)致了H13鋼中大尺寸一次碳化物的析出，而凝固過程中冷速的高低對于合金元素的偏析影響較大，所以凝固過程中冷速的變化對于H13鋼中大尺寸一次碳化物的尺寸影響較大. 除此之外，H13鋼錠完全凝固后的冷卻方式以及熱處理過程中的冷卻方式都對H13鋼中大尺寸碳化物的特征產(chǎn)生較大的影響.

Mao等[27]系統(tǒng)研究了冷速對于H13鋼中一次碳化物的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷速越大，凝固組織的二次枝晶間距越小，合金元素的偏析率越大，一次碳化物的數(shù)量、尺寸和平均面積占比均顯著降低. 凝固速率的增加可以一定程度上降低一次碳化物的尺寸，但是對于一次碳化物的形貌影響不大，對于一次碳化物的優(yōu)化效果有限. 日本學(xué)者河野正道[28]研究了不同冷速對于H13鋼中碳化物的析出行為和沖擊性能的影響，冷卻溫度從1250 ℃開始，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示. 當(dāng)冷速小于10 ℃·min-1時，將沿奧氏體晶界析出大尺寸的碳化物，大量沿晶界析出的大尺寸碳化物顯著降低了H13鋼的沖擊性能. 在實(shí)際冶煉過程中主要是利用電渣重熔工藝來達(dá)到快速冷卻的目的，但是考慮到H13鋼錠的大型化，在其內(nèi)部同樣能夠發(fā)現(xiàn)大量的大尺寸一次碳化物，所以快速冷卻對于H13鋼中一次碳化物尺寸的降低能夠起到一定的效果，但是作用有限.

圖9 冷卻速率與H13鋼的沖擊性能之間的關(guān)系Fig.9 Variation of cooling rate with the impact value

3.3 Mg處理

“氧化物冶金”是最近幾年興起的用于細(xì)化鋼鐵材料晶粒、提高強(qiáng)度和韌性的比較熱門的新方法、新技術(shù)，已經(jīng)成功用于非調(diào)質(zhì)鋼、微合金低碳鋼、管線鋼以及焊接技術(shù)中. 李晶課題組[29-30]在研究H13鋼中的一次碳化物時，同樣發(fā)現(xiàn)了復(fù)合結(jié)構(gòu)的一次碳化物，以Al2O3和MgAl2O4作為形核核心，外圍為V(C, N)，由此提出了通過細(xì)小彌散分布的氧化物形核核心（特別是MgAl2O4和MgO）來降低凝固過程中生成的大尺寸一次碳氮化物的尺寸，利用氧化物冶金的技術(shù)來達(dá)到降低H13鋼中一次碳化物尺寸的目的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示. 隨著Mg元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸增加，H13鋼中一次碳化物的數(shù)量、面積和最大尺寸均呈現(xiàn)降低的趨勢. 主要是由于Mg元素的添加將Al2O3改質(zhì)為MgAl2O4或MgO，而與Al2O3相比，MgAl2O4和MgO的潤濕角較小，更容易在鋼液中彌散分布，不容易長大，而且小體積夾雜物在鋼液中的浮力小，導(dǎo)致上浮的動力減小，保留下來的夾雜物數(shù)量更多. 所以Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加優(yōu)化了H13鋼中一次碳化物的相關(guān)特征[31].

表1 Mg元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對一次碳化物特征的影響[32]Table 1 Effect of Mg content on the characteristics of the primary carbide

雖然Mg處理可以一定程度的降低H13鋼中一次碳化物的尺寸，但是還存在一些問題有待解決. 首先在實(shí)際冶煉過程中添加Mg是非常危險(xiǎn)的，由于Mg 元素低的氣化溫度，會導(dǎo)致鋼水劇烈沸騰，存在較大的安全隱患. 如果通過鋼渣反應(yīng)來增加鋼液中的Mg含量，達(dá)到控制MgAl2O4的目的，還需要做大量的相關(guān)研究工作.

3.4 稀土處理

稀土元素因其獨(dú)特的4f殼層結(jié)構(gòu)的能價態(tài)可變和大原子尺寸電子層結(jié)構(gòu)而具有極強(qiáng)的化學(xué)活性，是鋼液極強(qiáng)的凈化劑和潔凈鋼夾雜物的有效變質(zhì)劑，是有效控制鋼中弱化源、降低局域區(qū)能態(tài)和鋼局域弱化的強(qiáng)抑制劑. 此外稀土元素可以有效的提高金屬材料的沖擊、抗腐蝕、疲勞等各項(xiàng)性能，所以稀土元素在鋼中的合理應(yīng)用對于生產(chǎn)具有“中國特色”的特殊鋼品種意義重大[33].

目前關(guān)于稀土元素對于H13鋼中一次碳化物的影響的研究相對較少. 韓國學(xué)者Song等[34-35]研究了稀土元素對于H13鋼鑄錠中元素偏析和一次碳化物的影響，結(jié)果表明，稀土元素的添加顯著降低了H13鋼鑄錠的中心偏析、孔洞，增大了中心等軸晶區(qū)域，細(xì)化了凝固組織，鋼錠中元素偏析的降低優(yōu)化了鋼中的一次碳化物，使得其沖擊性能增加. Lan等[36]通過對比含稀土H13鋼和不含稀土H13鋼的組織和性能發(fā)現(xiàn)，稀土元素的添加有效地抑制了一次碳化物的析出. 本課題組的研究結(jié)果表明[37]，H13鋼中Ce元素的添加可以有效地將Mg-Al-O類夾雜物完全改質(zhì)為Ce-O或Ce-O-S，生成的Ce-O或Ce-O-S無法作為大尺寸碳氮化物的形核核心，有效地抑制了一次碳氮化物的析出，降低了一次碳氮化物的數(shù)量，Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低對于H13鋼中一次碳氮化物的影響至關(guān)重要.

目前關(guān)于稀土元素對于工具鋼中一次碳化物的優(yōu)化效果已被大量研究者所證實(shí). Fu等[38]研究了稀土Ce對于Fe-V-W-Mo高速鋼的組織和性能的影響，Ce元素的添加將一次碳化物的形貌由長條片狀變?yōu)槎绦“魻?，?jīng)過淬火處理后，含Ce高速鋼中的大多數(shù)一次碳化物均得到了球化處理且分布均勻，進(jìn)而使得高速鋼的沖擊性能提高了37.8%，這與Yang等[39]的研究結(jié)果基本一致.Liu等[40]通過向M2高速鋼中加入混合稀土，發(fā)現(xiàn)鋼中一次碳化物的形貌得到了改善，網(wǎng)狀分布的碳化物被打斷，長條狀碳化物向短小轉(zhuǎn)變，增大了碳化物的固溶量，進(jìn)而使得M2高速鋼的沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別增加了27%和10.76%. 稀土元素還可以提高高速鋼的抗熱裂紋能力，高速鋼中的熱裂紋容易在大尺寸M6C和M7C3碳化物與基體的界面處產(chǎn)生并擴(kuò)展，而稀土元素的添加降低了大尺寸一次碳化物的數(shù)量，所以顯著提高了高速鋼的抗熱裂紋能力[41]. 所以，如何將稀土對工具鋼中的優(yōu)化效果應(yīng)用到H13鋼中還需要做大量的工作.

雖然稀土元素的添加對于鋼中碳化物具有很好的優(yōu)化效果，但是具體的影響機(jī)理目前還沒有得到統(tǒng)一的觀點(diǎn). 目前文獻(xiàn)報(bào)道的主要影響機(jī)理有以下幾種：（1）稀土元素會在晶界偏析，提高過冷度，促進(jìn)了新相形核和枝晶搭橋，進(jìn)而細(xì)化組織和碳化物[42]；（2）稀土元素添加后會生成稀土夾雜物，新生成的稀土夾雜物作為固相的形核核心，細(xì)化了凝固組織[43]；（3）稀土元素的添加降低了C、Cr、Mo、V等合金元素的偏析，進(jìn)而推遲了一次碳化物的析出，起到了優(yōu)化一次碳化物的目的[34]；（4）稀土元素的添加，降低了碳化物和基體之間的各向異性界面能，進(jìn)而使得條狀碳化物向點(diǎn)狀轉(zhuǎn)變[44]. 針對以上機(jī)理，目前廣泛使用的是（1）和（2），但是針對稀土元素微量添加的鋼中，還沒有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)來表征稀土元素的晶界偏析. 大量研究者利用錯配度或邊邊理論計(jì)算稀土夾雜物與凝固組織之間的匹配度關(guān)系，計(jì)算結(jié)果均表明稀土夾雜物可以作為凝固組織的形核核心，但是目前還沒有直接的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來證明此過程，所以，針對影響機(jī)理的確定還有大量的工作需要做.

4 結(jié)論

（1）H13鋼中各項(xiàng)材料性能的高溫穩(wěn)定性是其被廣泛使用的直接原因，從冶金質(zhì)量的角度而言，凝固過程中析出的一次碳化物是降低H13鋼使用壽命的主要因素之一，特別是一次碳化物的尺寸.

（2）凝固過程中合金元素的偏析是導(dǎo)致一次碳化物析出的直接原因；二維觀察對于一次碳化物的形貌、數(shù)量和尺寸均有較大的失真，三維觀察對于一次碳化物的相關(guān)特征才具有更全面的認(rèn)識.

（3）H13鋼中一次碳化物的種類復(fù)雜，含Ti類一次碳化物的熱穩(wěn)定性最高，后續(xù)的加熱和熱處理過程均無法有效去除；各類一次碳化物析出先后的實(shí)質(zhì)是各類元素與C或N元素結(jié)合能力強(qiáng)弱的結(jié)果；從H13鋼錠的邊緣到中心，一次碳化物的尺寸呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢.

（4）成分控制、冷速控制、Mg處理和稀土處理對于H13鋼中的一次碳化物均具有一定的優(yōu)化效果，成分優(yōu)化方面國外學(xué)者已經(jīng)走在了前面，且已經(jīng)成功開發(fā)出相關(guān)的商品鋼，我們還有很大的差距要追趕；如何實(shí)現(xiàn)快冷速凝固和Mg處理的工業(yè)化應(yīng)用均給我們提出了挑戰(zhàn)；稀土處理可能會成為具有我國特色的一類控制手段，但對于具體的影響機(jī)理目前還不夠明確.