通过真空感应加热实现MC/α相的界面稳定性控制，以提高H13热作模具钢的高温强度

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Interface stability control of MC/α via vacuum induction heating to enhance high-temperature strength of H13 hot working die steel

H13钢通过真空感应加热（VIH）优化热处理工艺，研究显示1100℃淬火结合5分钟保温（VIH-2）可使650℃高温强度达688±10 MPa，同时保持优异韧性。其机理在于VIH-2处理的MC纳米碳化物高密度稳定分布，与基体保持Baker-Nutting取向关系，有效抑制位错滑移和晶界应力集中。研究对比了传统箱式炉（CH）与VIH处理，VIH-2在保证韧性的前提下强度提升130±13 MPa，且热稳定性优于CH处理。

　　H13热作模具钢是一种广泛应用于高要求工业场景的重要材料，它在诸如铸造、锻造和挤压等工艺中发挥着关键作用。然而，这种钢在高温下的性能表现仍然面临一定的挑战，特别是在保持高硬度的同时维持良好的韧性方面。为了解决这一问题，研究人员采用了一种控制真空感应加热（VIH）工艺的热处理方法，并通过调整淬火温度，探索了如何提升H13钢的高温强度并同时保持其韧性。

通过实验发现，当淬火温度设定为1100°C（标记为VIH-2）时，H13钢在高温（650°C）下的强度得到了显著增强，达到了688±10 MPa。与此同时，该处理方式并未牺牲材料的冲击韧性，保持了优异的机械性能。这一增强效果被归因于MC纳米碳化物的热稳定性增强。在VIH-2处理后的H13钢中，MC碳化物呈现出细小而均匀的分布，并且具有较高的体积分数。值得注意的是，即使在650°C的高温变形条件下，这些碳化物仍然能够维持与基体的Baker-Nutting取向关系，形成一个稳定的界面。这种稳定的界面关系显著提高了MC碳化物在高温下的位错钉扎效应，从而减少了晶界处的应力集中，抑制了裂纹的形成。

上述发现表明，VIH技术作为一种高效且精确的热处理方法，特别适用于满足HWD钢在高温环境下的性能需求。该技术在高温下对材料的强化效果明显优于传统的箱式炉热处理方式。这不仅提高了材料的高温强度，还增强了其在高温条件下的韧性，为工业应用提供了更可靠的选择。

### 热处理工艺的优化

在本研究中，通过一系列实验，探讨了不同淬火温度和加热速率对H13钢高温性能的影响。实验材料为Fe-5.0Cr-1.5Mo-1.0Si-3.2Ni-1.0V-0.4C组成的H13钢，经过真空感应加热设备处理后，形成不同的热处理工艺条件。其中，VIH-2处理的淬火温度为1100°C，加热速率为250°C/s，而传统的箱式炉处理（CH）则采用50°C/min的加热速率。实验结果表明，较高的加热速率有助于实现更细小的晶粒结构，而合理的淬火温度则能确保MC纳米碳化物的充分析出和稳定分布。

在加热阶段，VIH处理的样品表现出显著的温度梯度，其中外壁温度上升速度接近250°C/s，而内部核心的温度上升速度约为125°C/s。这种快速的加热过程有助于在短时间内达到所需的淬火温度，从而减少晶粒粗化和碳化物粗化现象。而在保持阶段，温度波动控制在10°C以内，确保了热处理过程的均匀性和稳定性。通过对比不同处理方式下的样品，研究人员发现，VIH-2处理的样品在高温下的性能优于其他处理方式，特别是在高温强度和韧性方面表现突出。

### 微结构分析

为了深入理解VIH处理对H13钢高温性能的影响，研究人员采用了多种微结构分析技术，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和电子背散射衍射（EBSD）。这些技术揭示了不同处理方式下H13钢的微观组织变化。

在SEM图像中，VIH-2处理的样品显示出更细小的片状晶粒结构，其晶粒宽度在0.15至0.25微米之间，远优于传统处理方式下的晶粒结构。同时，MC碳化物在VIH-2处理的样品中呈现出细小且均匀的分布，其体积分数达到7.42%。相比之下，传统处理方式下的MC碳化物则表现出较高的粗化趋势，其体积分数仅为2.23%。此外，EBSD分析显示，VIH-2处理的样品具有较低的晶界偏析和较高的晶界兼容性，这进一步解释了其在高温下表现出更强的位错钉扎效应。

在TEM图像中，研究人员观察到MC碳化物在高温下的稳定性显著优于M3C碳化物。VIH-2处理的样品中，MC碳化物在高温变形后仍然保持其原始的取向关系，并且与基体之间形成一个稳定的界面。而传统处理方式下的MC碳化物则在高温下发生粗化，并逐渐失去与基体的取向关系，导致其对强度的贡献减少。这些结果进一步证明了VIH处理在高温强化中的优势。

### 高温性能的提升

为了评估不同热处理方式对H13钢高温性能的影响，研究人员进行了拉伸试验和冲击韧性测试。在650°C的高温下，VIH-2处理的样品表现出更高的拉伸强度，达到了688±10 MPa，比传统处理方式下的样品高出约130 MPa。这表明VIH处理能够显著提升H13钢的高温性能。同时，冲击韧性测试结果也显示，VIH-2处理的样品在室温下的冲击韧性值为55±4 J/cm2，显著优于其他处理方式。

此外，通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和原子探针断层扫描（APT）分析，研究人员进一步揭示了MC碳化物在高温下的热稳定性。APT分析表明，VIH-2处理的样品中，MC碳化物的元素组成更加均匀，其Fe、Cr、Mo和V的含量较高，这有助于提高其在高温下的稳定性。相比之下，传统处理方式下的MC碳化物在高温下更容易发生粗化，导致其与基体之间的界面失去兼容性，从而影响其对材料强度的贡献。

### 机械性能的综合分析

除了高温强度和韧性外，研究人员还评估了不同热处理方式对H13钢其他机械性能的影响。例如，通过岩氏硬度测试，发现VIH-2处理的样品在淬火后和回火后均表现出较高的硬度，其峰值硬度接近46–47 HRC。这表明VIH处理不仅能够提高材料的高温强度，还能在高温下维持较高的硬度，从而增强其整体的机械性能。

在回火处理阶段，样品的硬度随着回火温度的升高而逐渐降低。然而，VIH-2处理的样品在回火温度达到620°C时，其硬度仍保持在较高的水平，说明其具有较好的高温稳定性。此外，通过分析不同热处理方式下的高温时效测试结果，研究人员发现VIH-2处理的样品在高温下表现出更优异的强度保持能力，其硬度在8小时内仅略有下降，而在12小时后仍能维持在较高的水平。

### 热处理机制的探讨

本研究还探讨了不同热处理方式对H13钢高温性能的贡献机制。通过分析MC碳化物的形成和分布，研究人员发现，VIH处理能够有效促进MC碳化物的析出，并且其分布更加均匀。这种均匀的分布有助于提高材料的高温强度，同时减少晶界处的应力集中，从而提高其韧性。

此外，研究还揭示了MC碳化物的热稳定性与其取向关系和界面兼容性密切相关。在VIH-2处理的样品中，MC碳化物与基体之间的取向关系保持稳定，界面兼容性较高，这有助于其在高温下保持较高的强度。而在传统处理方式下，MC碳化物的取向关系和界面兼容性较低，导致其在高温下更容易发生粗化和界面不兼容，从而影响其对材料的强化效果。

### 工业应用的前景

随着工业技术的不断发展，对高性能热作模具钢的需求也在不断增长。传统的热处理方法虽然在一定程度上能够提高H13钢的高温性能，但往往伴随着较高的合金含量，这可能导致材料的韧性下降，进而影响其在高温下的可靠性。相比之下，VIH处理能够在较低的合金含量下实现较高的高温强度，同时保持良好的韧性，这为工业应用提供了新的可能性。

此外，VIH处理还具有许多优势，例如快速加热、高能量转换效率、无氧化和脱碳、淬火后变形小、尺寸精度高以及提升材料强度和自动化生产能力等。这些优势使得VIH成为一种特别适合用于热作模具钢的热处理技术。通过优化加热和淬火参数，VIH能够有效控制MC碳化物的析出和分布，从而实现材料性能的全面提升。

### 总结

综上所述，本研究通过系统分析真空感应加热（VIH）对H13热作模具钢高温性能的影响，发现VIH-2处理能够在保持材料韧性的同时显著提高其高温强度。这一处理方式不仅能够实现MC纳米碳化物的均匀分布和稳定界面，还能够有效抑制晶界处的应力集中，从而减少材料在高温下的失效风险。此外，VIH处理的高效性和精确性使其成为一种极具潜力的热处理技术，能够满足现代工业对高性能热作模具钢的严苛要求。未来的研究可以进一步探索VIH处理在不同合金成分和工艺参数下的应用潜力，以推动其在更多工业领域的应用。