H13钢及其热处理

H13钢及其热处理

陈杰(中国一拖集团有限公司热处理厂，河南洛阳471000)

摘要：通过对热挤压模具钢H13材料以及热处理工艺的研究，我们能够获得有效的方法来满足对使用这种材料的日益增多的要求，更好地满足该种材料模具的使用性能。

关键词：热挤压；模具钢；脱碳敏感性；常规淬火；低温淬火；渗碳；保护气氛淬火

0 前言

H13钢是一种空冷硬化的铬系热挤压模具钢。H13是采用美国AISI-SAE统一编号的钢材，系中碳中铬热模具钢。该钢具有较高的热强度和硬度，尤其在中温(600℃)时具有较高的热强度和硬度，高的耐磨性和韧性，较好的耐冷热疲劳性能。由于这种钢具有良好的综合机械性能，而越来越广泛地被用于制造模锻锤的锻模、热挤压模具与芯棒、锻造压力机模具、精锻机用模具、镶块以及铝、铜及其合金的压铸模等。

1 材料的基本性能

1.1材料的化学成分(见表1)以及合金元素的影响

H13属铬系热模具钢，材料中含有大约5%的铬，并加有钼、钨、钒和硅等合金元素。由于含铬较高，因而有较高的淬透性，加入1%Mo时的淬透性更高。故尺寸较大的模具淬火时也可以空冷。铬、硅可以提高钢的耐热疲劳性和抗氧化性，但是硅的存在却增加了材料的脱碳敏感性。钒可以加强钢的二次硬化效果，增加钢的稳定性。铬系热作模具钢的韧性、耐热疲劳性都较好，但是由于这种材料中含钨较少，故其回火稳定性低于钨系。

1.2材料的其它性能(见表2)

2 材料的热处理方法

2.1锻后球化退火

该钢锻打后应及时退火。退火温度为860～880℃。由于加热到Ac1温度以上，碳化物开始溶解，但又未完全溶解，导致奥氏体的成分极不均匀，在随后的冷却过程中，或以未溶的细小碳化物微粒为核心，或在不均匀奥氏体中碳原子富集处产生新的核心，而均匀地长大形成颗粒状的碳化物。

经过球化退火，可以降低材料的硬度，改善切削加工性，并为以后淬火处理作好组织准备。退火保温时间取决于工件透烧时间，不宜过长。冷却速度一般30℃/h，冷至500℃以下出炉空冷。球化退火工艺曲线如图1。

图1 球化退火工艺曲线图2 去应力退火工艺曲线2.2去应力退火

为了消除锻后因冷速较快而产生的残余应力以稳定尺寸，避免引起变形、开裂，可以采用一次补充去应力退火。去应力退火温度为730～750℃。温度在Ac1以下，没有重结晶过程，不能细化钢的晶粒和组织。但经过去应力退火后，不但可以消除或降低因锻轧而存在的内应力，而且降低了硬度，便于切削加工。退火后应缓慢冷却，以免产生新的应力，一般可以随炉冷却，冷至300℃以下出炉空冷。去应力退火工艺曲线如图2。

2.3退火后硬度和组织(见表3)

2.4常规淬火

H13钢中由于合金元素Si的存在，增大了脱碳敏感性，因此淬火加热时一般采用盐浴或真空加热。同时，由于钢中含有较多的合金元素，淬火加热前需预热，一般预热温度830～850℃。H13钢淬火温度与硬度、晶粒度关系如图3。

图3 硬度、晶粒度与淬火温度的关系图4 常规淬火工艺曲线

根据模具所要求的性能以及对硬度、晶粒度的要求，推荐的淬火加热温度为1020～1050℃。预热保温时间一般为加热保温时间的2倍。工艺曲线见图4。

H13材料具有良好的淬透性，油冷完全可以满足要求。油温控制在20～60℃，冷至200℃左右出油，使其冒青烟而不着火。淬火后硬度最高可达HRC58～59。

2.5低温淬火

在实际生产中，我们还采用了低温淬火工艺，也取得了较为理想的效果。采用低温淬火不但可以减少模具的变形和内应力，而且有利于减少模具的开裂现象，提高模具的使用寿命。模具在油淬后高温回火过程中，剩余的奥氏体转变为马氏体。另外，由于合金元素钒(V)的作用，加强了二次硬化现象，未溶碳化物较多，因而高温回火后硬度反而提高，并且低温淬火和常规淬火二者硬度相当。采用低温淬火，不但可以细化晶粒，而且在保证模具硬度的条件下，强韧性得到提高，改善了模具的使用性能。低温淬火温度一般为950～960℃，保温时间比常规淬火保温时间长。工艺曲线如图5。

图5 低温淬火工艺曲线图6 回火硬度曲线(1020℃油淬，两次回火)

2.6回火

淬火后模具需及时回火。回火硬度曲线如图6。

由于合金元素钼、铬的作用，形成明显的二次硬化效应。H13钢经淬火高温回火(500～600℃)后，在回火马氏体基体上弥散分布着回火时析出的可产生明显二次硬化作用的M2C、MC型碳化物，强韧性得到大大提高，抗拉强度可达2000MPa/m2，δ为10%～15%，具有良好的综合机械性能。根据模具的使用性能以及对硬度的要求，一般采用的回火温度为580℃。回火时间视工件尺寸而定，一般不应当少于2h。回火工艺如表4。

2.7渗碳炉保护气氛淬火

由于H13材料中存在合金元素硅，脱碳敏感性较大。对于尺寸较大的模具，为了防止模具表面脱碳，我们在生产中采用了渗碳炉保护加热淬火，也取得了较好的效果。我们利用一台u-75渗碳炉，通过控制煤油的滴入量来进行保护。实验结果如表5。

回火目的回火温度/℃加热设备冷却回火后/HRC消除应力和降低硬度580空气炉空气47～493通常采用两次回火，第二次回火温度比第一次低20℃。

通过表5我们可以看出，采用60滴/min的煤油滴量是比较合适的。工件保温时间由工件尺寸大小决定。工艺曲线如图7。

3 结论

H13钢经热处理后，具有良好的综合机械性能，完全可以满足对模具的内在质量要求。另外，模具表面如果经过渗氮或氰化后，更能够提高模具的使用寿命，满足生产的要求。

H13热作模具钢失效分析及热处理工艺

H13钢（4Cr5MoSiV1）是国际上广泛应用的一种空冷硬化型热作模具钢。H13钢具有较高的韧性和耐冷热疲劳性能，不容易产生热疲劳裂纹：而且抗粘结力强，与熔融金属相互作用小，因此广泛应用于热镦锻、热挤压和压铸模具的制造。

失效分析：

由于模具使用厂家的不合理技术要求，往往会造成H13模具早期断裂失效。常见的造成模具早期失效的H13热作模具钢不合理技术要求有：“表面硬度低芯部硬度高；硬度要求过高；表面硬度高芯部硬度低等。

由化学成分分析表明绝大多数批次H13钢化学成分符合标准，仅少数批次的合金元素含量不足。在生产实践中经常发现一些钢厂生产的H13化学成分偏析严重，模具厂家又未进行合理的锻造和球化退火，经常造成H13钢在热处理过程中或安装使用时断裂。

（1）硬度偏高造成模具早期断裂

（2）模具表层硬度太低，产生模具早期龟裂失效

（3）模具表面硬度高，基体硬度低，产生早期龟裂失效

热处理：

H13钢的临界点：Ac1为853℃；Ac3为912℃；Ms为310℃

锻造：先缓慢加热到750℃，在快速加热到1120-1150℃的锻造温度，减少氧化和脱碳；始锻温度为1080-1120℃，始锻温度≥850℃，锻后缓冷，并及时退火。另外要求锻造比大于4.

退火：H13退火用TTT曲线位于淬火用TTT曲线的左侧，过冷奥氏体的稳定性降低，有利于退火软化处理。等温退火加热到800℃，保温2h，降温至750℃等温2-4h，炉冷到500℃出炉空冷，硬度为192-229HBS，锻后必须立即进行球化退火。

淬火和回火：淬火前二次预热，1040±10℃淬火，540±10 ℃回火 ,获得回火马氏体加碳化物组织 ,硬度 HRC46～50 ,可满足热作模具钢的性能要求。