模具是工业生产的基础工艺装备，H13钢作为应用范围最广和最具代表性的热作模具钢种，为装备制造业的热锻、挤压、注塑等工艺过程提供基础工具，其质量水平及使用寿命直接关系着一个国家模具行业的发展。随着国民经济的高速发展，冶金机械、航空航天、船舶等重点行业迫切需要提升模具钢的材料性能和配套水平。目前，我国高品质H13钢只能通过电渣重熔制造，其最大的不足之处在于生产成本高以及生产周期长，而对于组织以及碳化物的控制同样需要进行深入的研究。为了提高重大装备基础材料研发水平，降低成本，本文提出了以稀土纯净化处理为技术手段，结合优化的热处理工艺，对H13钢的深度纯净化机制、夹杂物变质机制、合金元素的偏析控制、链状碳化物控制以及双细化处理等科学问题，开展了系统的实验研究，开发了高品质电炉稀土H13模具钢。本文的主要研究内容和结论包括：　　1.研究了低氧钢锭的稀土作用机理。系统分析了稀土处理前钢液中不同原始氧含量对钢中最终氧含量和夹杂物的影响，开展了真空高纯H13模具钢的制备工作，探讨了稀土加入量对H13钢的组织和力学性能的影响。研究发现，稀土加入前钢液中的氧含量对深脱氧效果和夹杂物的演化有着密切关系。当钢液中初始氧含量高时，稀土加入对深脱氧几乎没有作用，但可以细化夹杂物;而当钢液中初始氧含量足够低时，稀土加入对深脱氧效果非常明显，可使钢中的氧含量降低至2 ppm，而且夹杂物的性质和状态发生了明显的改变，主要为细小的稀土氧硫化物，均匀弥散地分布在基体内。这种类型的夹杂物可以被钢液润湿，不易聚集长大，与δ-Fe的错配度小，可有效地作为非自发形核核心，因而起到细化晶粒的作用。通过研究不同稀土加入量对H13钢的晶粒度和力学性能的影响，发现稀土残余量约为0.015％时，由于晶粒的细化和夹杂物的均匀细小和弥散分布，使得H13钢的冲击韧性大幅度提高;随着稀土加入量的增多，由于夹杂物发生了聚集，且尺寸增大，导致材料的冲击韧性反而下降。　　2.研究了预变形处理促进H13钢均质化机制。由于H13钢中经常出现严重的带状偏析，对于这种缺陷采用常规的扩散退火工艺消除效率很低，因此提出了在扩散退火之前进行预变形处理的方法来加速合金元素的均质化，优化扩散退火工艺。在本文中，研究了不同预变形量对H13钢在高温扩散时合金元素和组织均匀化的影响规律。结果表明，在相同保温时间条件下，高温扩散前进行适当的预变形处理，会引起空位及位错密度的增加，有利于合金元素的均质化;但是单向预变形量的过大会导致带状偏析的出现，造成合金元素聚集程度增大，使得后续的高温扩散处理难以将其消除。研究发现，材料在高温扩散前进行20％的预变形，不会出现带状偏析，这对合金元素的均质化具有较大的促进作用。此外，实验研究和有限元数值模拟均显示，预变形可消除疏松等缺陷，提高钢的致密度。　　3.系统分析了链状碳化物的形成机理、控制方法及其对材料横向冲击性能的影响。结果表明，锻后缓慢冷却时，碳化物易在晶界处析出并形成链状，由于链状碳化物在断裂面上呈线性分布，应力集中较大，裂纹易在此处扩展，由此降低了材料的横向冲击性能;相比之下，H13钢锻后的快速冷却可有效防止碳化物在高温过程中析出，从而抑制链状碳化物的形成，使得碳化物在随后的低温球化退火过程中实现弥散析出。　　4.系统研究了H13钢双细化处理及等温球化退火处理工艺。结果表明，双细化处理能够使更多的合金元素固溶到基体中，阻碍碳及铁原子的扩散，可有效细化组织。通过控制双细化处理后冷却速度，阻碍链状碳化物的析出，有利于碳化物在随后的等温球化退火过程中弥散细小析出。多次等温球化后，碳化物经过多次循环溶解—析出，弥散细小分布趋势增大。通过该工艺的实施，材料的横向冲击韧性得到了大幅度提升。　　5.根据研究结果制定了全流程H13模具钢制备工艺，并进行了工业试制，生产了6炉电炉稀土处理模具钢。实验结果表明，尺寸最大的φ455mm的棒类模具钢横向无缺口冲击韧性可达300 J/cm2以上，横向Ⅴ型缺口冲击韧性超过15 J/cm2，钢中的细系夹杂物均小于0.5级，碳化物等级接近1级，晶粒度达到9级以上，达到了国外优质电渣模具钢水平，优质H13钢生产的吨钢成本下降干元以上。本项研究为优质模具钢的生产提供了理论依据。