气体保护电渣重熔过程钙处理控制H13模具钢中夹杂物和一次碳化物的基础研究

The inclusions and primary carbides in H13 die steel generally significantly lower the service performance and life of the steel, which is one of the key reasons that the quality of the domestic H13 die steel is much lower than that of the imported products. Controlling the inclusions and primary carbides during electroslag remelting (ESR) is an important way to reduce their harm to H13 die steel. The present work aims to achieve the low-melting-point control by calcium treatment during ESR, meanwhile indirectly control the primary carbides in ESR ingot. The main contents of the present work include, (1) modification of Al2O3 and MgO·Al2O3 spinel inclusions by calcium treatment during ESR and its mechanism, (2) differences and similarities in controlling the inclusions and primary carbides between calcium treatment during ESR and electroslag remelting of H13 consumable electrode produced with calcium treatment, (3) the effects of transformation of Al2O3 and MgO·Al2O3 inclusions and the types of the products on the primary carbides in ESR ingots and their mechanisms, (4) the key factors for controlling primary carbides in H13 die steel by calcium modification of inclusions during ESR. In the end, the availability of calcium treatment during ESR will be verified with the determination of impact toughness and analysis of the impact fracture microstructure.

夹杂物和一次碳化物通常会严重降低H13钢的使用性能和寿命，这也是造成国产H13钢质量低于进口产品的重要原因之一。在电渣重熔过程中控制夹杂物和一次碳化物是降低其对H13钢危害的重要途径。本项目旨在通过电渣重熔过程钙处理实现Al2O3夹杂和MgO·Al2O3尖晶石的低熔点化控制，同时间接地改善电渣铸锭中的一次碳化物。主要研究内容包括：(1) 电渣重熔过程钙处理Al2O3和MgO·Al2O3夹杂变性的规律和机理；(2) 电渣重熔过程钙处理与直接电渣重熔经钙处理生产的H13自耗电极在控制夹杂物和一次碳化物方面的异同；(3) Al2O3和MgO·Al2O3夹杂变性和变性产物的类型对一次碳化物的影响与机理；(4) 通过电渣重熔过程钙处理使夹杂物变性控制H13钢中一次碳化物的关键因素。最后，通过冲击韧性检测与冲击断口微观结构分析，考察电渣重熔过程钙处理的有效性。

本项目研究了H13钢中夹杂物和碳化物生成和转变的热力学，含钙H13钢自耗电极中夹杂物在电渣过程中的转变及其对一次碳化物的影响，电渣过程在线钙处理改性Al2O3和MgO•Al2O3夹杂物及其对氮化物和一次碳化物的影响与机理，以及电渣过程钙处理对一次碳化物演变和H13钢冲击韧性的影响。主要研究结论如下：(1) 含钙H13钢电极中的氧化物夹杂为液态的CaO-Al2O3-SiO2-MgO；在金属熔池和电渣锭中均存在三类氧化物夹杂，即CaO-Al2O3-SiO2-MgO、CaO-Al2O3-MgO和MgAl2O4。CaO-Al2O3-SiO2-MgO夹杂物（Ⅰ型）源于钢液中酸溶Al还原了原始氧化物夹杂中的SiO2。CaO-Al2O3-MgO、MgAl2O4和CaO-Al2O3-SiO2-MgO夹杂物（Ⅱ型）是钢液二次氧化新形成的；与电渣过程钙处理不同，在自耗电极制备的钢液二次精炼过程钙处理改性Al2O3和MgO•Al2O3为液态钙铝酸盐夹杂物并没有使之在电渣后仍为液态夹杂物。(2) 电渣过程钙处理夹杂物改性并没有进一步降低钢中的氧和硫含量，增加夹杂物的去除率；自耗电极中未被去除的Al2O3和MgO•Al2O3夹杂物在电渣重熔钙处理时被改性为液态/部分液态CaO-Al2O3夹杂物、CaO-MgO-Al2O3夹杂物，以及少量以CaO-MgO-Al2O3为核心，外层包裹CaO-Al2O3的复合夹杂物。(3) 气体保护电渣过程中MgO•Al2O3尖晶石的钙处理改性是由于加入的钙逐层地还原了MgO•Al2O3尖晶石中的MgO而使MgO•Al2O3尖晶石转变为成分均匀的CaO-MgO-Al2O3或CaO-Al2O3夹杂。低MgO的MgO•Al2O3夹杂物的改性是由于钙还原了夹杂物中的MgO，同时Ca与MgO•Al2O3夹杂物中的Al2O3反应。Al2O3夹杂物的改性是由于Ca与Al2O3夹杂物的直接反应。(4) 钢中发现的(Ti,V)N均以Al2O3或MgAl2O4夹杂物为形核核心，几乎所有的(Ti,V)N又成为一次碳化物的形核核心。不像Al2O3和MgAl2O4夹杂物，钙铝酸盐夹杂物没有成为氮化物和碳化物形核核心，促进氮化物和一次碳化物的生成和长大。(5) 电渣过程钙处理夹杂物后钢的冲击韧性显著提高。电渣过程钙处理夹杂物变性，进而抑制氮化物和碳化物的生长是提高模具钢性能的重要途径。