热作模具钢中纳米析出物的析出机理及其对钢的强化作用

The strength of hot work die steel is the key factor in restricting its application scope and long service life. The previous studies show that nano-scale precipitates can not only refine materials structure but also effectively improve materials strength. Nano-scale precipitates in hot work die steel will be chosen as research object. The aim of this study is to: 1) investigate the thermodynamics and kinetics of nano-scale precipitates formation, ascertain the precipitation discipline of nano-scale precipitates, and develop corresponding theoretical model; 2) by using microstructure characterization technique of micromaterials and nanomaterials, study the types, size distribution, microstructure and phase evolution of nano-scale precipitates; 3) By using material testing methods, clarify the effect of the types and size of nano-scale precipitates on materials structure and strength, and develop reasonable evaluation system. The research results of this project will have innovative significance on the application of nano-scale precipitates reinforcement technique to tool and die steels.

热作模具钢的强度是制约其应用范围和使用寿命的关键因素。基于钢的综合强化机制和前期研究，钢中纳米级析出物不但能够细化材料组织，而且能够有效提高材料强度。本项目以热作模具钢中纳米析出物为研究对象。研究内容包括：1）研究其形成的热力学和动力学，探明纳米析出物的析出规律，建立相应的理论模型；2）采用微观结构表征技术，研究纳米级析出物的类型，粒度分布，微观结构及其物相的演变规律；3）采用材料测试分析方法，明确纳米级析出物的种类和尺寸对材料组织和强度的影响，并建立适合的评价体系。本项目的研究成果将对于纳米级析出物强化技术在工模具钢领域的应用具有开创性的意义。

热作模具钢的强度是制约其应用范围和使用寿命的关键因素。基于钢的综合强化机制和前期研究，钢中纳米级析出物不但能够细化材料组织，而且能够有效提高材料强度。本项目以热作模具钢中纳米析出物为研究对象。研究内容包括：1）研究其形成的热力学和动力学，探明纳米析出物的析出规律，建立相应的理论模型；2）研究纳米级析出物的类型，粒度分布，微观结构及其物相的演变规律；3）采用材料测试分析方法，明确纳米级析出物的种类和尺寸对材料组织和强度的影响，并建立适合的评价体系。本项目的研究成果将对于纳米级析出物强化技术在工模具钢领域的应用具有开创性的意义。热力学计算H13钢不能由液相直接生成一次碳化物，主要在凝固过程两相区生成，偏析是其生成的主要原因。而进入奥氏体区随着温度降低，富V的MC纳米粒子逐渐生成，然后是富Mo的M2C粒子，富Cr的M7C3和M23C6粒子最后生成。高温加热时纳米粒子大部分溶入基体消失，仅剩少量富含Ti、V的圆形纳米粒子，数十微米初生碳氮化物也发生了变化。退火时析出方形V8C7和球形Cr23C6纳米粒子，淬火态时仅剩少量V8C7粒子，析出强化作用为209MPa~248MPa，对屈服强度的贡献为17~19%；回火时析出粒子种类、形貌较多，其中MC和M2C为小颗粒状最多，起到最显著的沉淀强化作用，回火2h时为沉淀强度贡献为288~327MPa、贡献比例为22%~28%。经淬回火后的H13钢主要以细晶强化为主要强化方式，析出强化和固溶强化次之，铁素体晶粒尺寸直接影响H13钢的强度。本项目说明了H13钢中纳米粒子在不同状态时的特征及对H13钢性能的影响，阐述了H13钢综合强化机理的基础理论研究。综合考虑纳米碳化物和微米级一次碳化物对H13钢性能的影响，对提高模具钢的性能有重要意义。在钢铁研究总院的支持下，目前在天津市武清区建成了年产6000t以上优质模具钢生产基地，将本项目中获得的技术转化为生产力，实现了科技成果转化。