低压脉冲磁场对H13钢凝固组织及性能的影响

• 作 者: 张建伟
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2016年期
• 关键词: 模具钢 脉冲磁场 凝固组织 元素偏析 力学性能 热变形行为

H13钢是应用最广泛和最具代表性的热作模具钢之一。目前国内高品质H13钢主要采用电渣重熔铸坯轧制或者锻造进行生产。但电渣重熔H13钢锭倾向于产生粗大的凝固组织，偏析严重，影响后续加工过程，因此，H13钢电渣重熔凝固组织细化和均质化对提高H13钢品质具有重要意义。　　低压脉冲磁场凝固技术是一种新的凝固控制方法，已经在多种合金中取得了良好的晶粒细化效果，同时以其具有良好的工业应用前景受到越来越多研究者关注。本文首先采用定向凝固方法系统研究低压脉冲磁场参数、抽拉速率等参数对H13钢凝固组织、元素偏析、力学性能和热变形行为的影响，然后通过顺序凝固实验，在较大尺度范围内考察低压脉冲磁场的作用效果，并进一步研究了低压脉冲磁场对轧制、锻造变形性能的影响。　　通过实验研究了脉冲电压、频率以及抽拉速率对定向凝固H13钢凝固组织的影响。结果表明低压脉冲磁场显着细化定向凝固H13钢凝固组织。在50-200V脉冲电压范围内，H13钢的一次枝晶和二次枝晶间距减小，且减小的程度随着脉冲电压升高而增加;随着脉冲频率的升高，一次枝晶和二次枝晶间距均呈现先减小后增加的趋势;不同生长速率下，低压脉冲磁场均能够细化凝固组织，当生长速率较小时，低压脉冲磁场细化效果更显着。同时施加低压脉冲磁场和电流密度为7.6×10-2A/mm2轴向交流电流时，低压脉冲磁场也有显着的细化效果，脉冲参数对枝晶间距的影响规律与单独施加脉冲磁场时相似。　　研究了低压脉冲磁场对定向凝固H13钢溶质元素分布的影响。结果表明低压脉冲磁场未改变H13钢中元素的偏析类型，Mo、V、Cr、Si元素仍表现为正偏析，但施加低压脉冲磁场后减轻了上述元素的偏析程度，促进了元素的均匀化程度。　　采用热模拟实验研究低压脉冲磁场对H13钢热变形行为的影响。结果表明无论是否施加低压脉冲磁场，定向凝固H13钢样品应力应变曲线均呈现动态再结晶特征，施加低压脉冲磁场后合金变形过程中流变应力升高。推导出热变形过程中的变形激活能和本构方程，并得到相应的热加工图。结果表明施加低压脉冲磁场降低了合金的变形激活能，减小了流变失稳区域，提高了H13钢的热加工性能。　　开展了低压脉冲磁场作用于H13钢的顺序凝固实验，结果显示，施加低压脉冲磁场显着细化了铸锭的凝固组织。随脉冲频率升高，细化效果呈现先增强后减弱趋势;保持脉冲频率不变，凝固组织细化效果随脉冲电压的升高而增强。施加低压脉冲磁场后，不同浇注温度下铸锭凝固组织均有一定的细化效果，浇注温度为1650℃时细化效果最优。　　研究了低压脉冲磁场对热轧和锻造变形性能的影响。结果表明低压脉冲磁场提高了H13钢轧制后的综合力学性能，抗拉强度、屈服强度和伸长率分别从1476MPa、1295MPa和8.3％提高到1507MPa、1314MPa和11.5％;锻造变形后的冲击功也得到大幅提高，由未施加低压脉冲磁场的19.1 J/cm2提高到施加低压脉冲磁场的20.8 J/cm2。