随着现代工业化发展的不断进步,快速加工成型制造得到了快速发展,尤其轻质金属(铝、铜及其合金)的压铸、冲压和挤压等领域,然而,在高温环境服役条件下,工件生产所需的模具寿命是限制其发展的主要因素。因此,开发一种能够适用于高温环境服役、具有长久使用寿命、具有较高强度和韧性的热作模具钢是亟待解决的关键问题。目前,国内外普遍使用的热作模具钢大多数为马氏体型热作模具钢,但当服役温度高于650℃时,马氏体型热作模具钢的硬度和强度会发生急剧下降现象,很难适用于高温服役环境。本文开发研究了一种高锰系奥氏体型热作模具钢,目的在于获得一种能更好适用于高温环境(650℃～850℃)服役的模具钢。首先,通过热力学软件计算了奥氏体热作模具钢的组织组成和碳化物析出规律;奥氏体钢的热传导性较低,电渣重熔过程中易产生中心凝固糊状区而形成缺陷,为改善电渣铸锭中心缺陷,利用定向电渣重熔工艺优化铸锭凝固组织,改善铸锭凝固模式。结果表明:定向凝固电渣重熔工艺可减小中心等轴晶区和柱状晶区交叉的糊状区,获得近似平行分布的柱状晶组织,改善铸锭中心偏析,缩小了铸锭枝晶间距分布。本研究明确了定向凝固电渣重熔工艺对枝晶生长方式的影响。利用扫描电子显微镜观察铸锭中碳化物特征和电解萃取的碳化物粉末形貌,分析电渣重熔工艺对凝固过程中析出的一次碳化物特征和三维结构的影响,明确电渣重熔工艺对碳化物形成的控制机制。结果表明:定向凝固电渣重熔可以明显地减少碳化物数量,减小碳化物尺寸,改变碳化物的三维形貌,使MC型碳化物呈现为层片状生长,但定向凝固工艺对M2C型碳化物的三维形貌没有影响;同时,凝固过程中MC型碳化物均呈树枝状结构进行生长扩展。利用凝固偏析模型和夹杂物析出热力学模型分析了合金元素偏析和夹杂物的析出行为,并结合夹杂物经典生长模型进行了夹杂物生长尺寸的理论计算。研究结果表明:定向凝固电渣重熔工艺可有效地减少钢中夹杂物的数量,减小夹杂物的尺寸,并推迟了夹杂物的析出时机,减小了夹杂物的聚集长大时间,使钢中夹杂物细小化。利用电渣重熔凝固模拟软件(Melt-Flow)模拟计算了夹杂物的运动轨迹,明确了定向凝固电渣重熔提高夹杂物去除率的机制。利用稀土微合金化改善奥氏体热作模具钢凝固组织和一次碳化物,提高热作模具钢的高温力学性能。研究结果表明:稀土微合金化可使奥氏体热作模具钢晶粒细化,增加热锻高温变形过程中奥氏体晶内孪晶数量,提高孪晶晶界面积比,使奥氏体晶粒尺寸再次被细化,利用相互交错的孪晶阻碍位错运动,达到同时提高强度和韧性的作用。