H13鋼自研發(fā)以來(lái)，由于其優(yōu)異的力學(xué)性能（高強(qiáng)度、紅硬性、高韌性和良

好的塑性）和較高的淬透性、中溫穩(wěn)定性等，被廣泛研究和應(yīng)用，常用作熱擠壓

模具、高速精鍛模具、鋁合金壓鑄模具等。為提高H13鋼的使用性能和壽命，

常對(duì)其進(jìn)行熱處理。

1H13鋼的特性

H13鋼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織材料牌號(hào)為40CrMoV5,對(duì)應(yīng)不同國(guó)家的材料牌號(hào)

見(jiàn)表1,其材料成分和物理性能見(jiàn)表2?表4。H13鋼的熱處理臨界溫度見(jiàn)表5。

表1H13鋼對(duì)應(yīng)不同國(guó)家材料牌號(hào)

Table1H13steelcorrespondstomaterialgradesindifferentcountries

國(guó)家中國(guó)美國(guó)日本德國(guó)瑞典演

材料牌號(hào)4Cr5ACSiVlH13SKD6140CrM<）VSiORVARSUPREMEBH13

表2H13鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％）

Table2ChemicalcompositionofH13steel（massfraction,%）

元素csiMHC?ivuvps-

金.0.32~0.80~0.20~4.75-I.10~0.80-<<

含重0.451.200.505.501.751.20

表3H13鋼的線膨脹系數(shù)

Tabic3Linerexpansioncoclllcicnlof1113steel

溫度7200-10020-20020-30020-40020-50020-60020-700

鬃系敷/第T9.IK10-6@3x10-6|LSxl()r12.2x10-612.8x10.|3.2xl()r13.5x10

表4H13鋼的熱導(dǎo)率

Table4ThermalconductivityofH13steel

溫度/寬2565(7

熱導(dǎo)率N?(m?k)-132.228.8

表5H13鋼臨界溫度(幻)

Table5CriticaltemperatureofH13steel(1)

〕門(mén)

Ac?AC3ArAM,Mf

=860915775815—34021^-

2H13鋼常規(guī)熱處理工藝

H13鋼鍛后組織呈帶狀并通常含有粗大的一次碳化物，鍛后零件組織內(nèi)存在

較大的內(nèi)應(yīng)力，對(duì)后續(xù)模具加工、服役和使用壽命均存在不利影響。為改善H13

鋼的顯微組織和綜合性能,鍛造后需進(jìn)行適當(dāng)熱處理,進(jìn)而提升模具的綜合性能。

H13鋼常規(guī)熱處理工藝主要包括預(yù)備熱處理、淬火和回火，如圖1所示。

1000-1080

(0.25-0.45inin/inni)

800-850

S<600-650(0.5min/mi/)

￡>3inin/inm)/~

時(shí)間/min

圖1H13鋼常規(guī)熱處理工藝

2.1預(yù)備熱處理

H13鋼的預(yù)備熱處理工藝主要為退火或正火，有一次預(yù)熱、

多次預(yù)熱等。預(yù)備熱處理工藝和預(yù)熱次數(shù)主要取決于鋼材尺寸大

小和模具復(fù)雜程度，如去應(yīng)力退火+球化退火、正火+球化退火、

雙級(jí)球化退火等，其目的主要是：①改善鋼材鍛后產(chǎn)生的帶狀組

織，消除網(wǎng)狀碳化物，為球化組織和后續(xù)熱處理作組織準(zhǔn)備；②

避免較快的加熱速度導(dǎo)致鋼材內(nèi)外部溫差太大，產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，

進(jìn)而引起嚴(yán)重的變形或?qū)е潞罄m(xù)淬火裂紋。

H13鋼碳含量為0.35%?0.45%,含有8%左右的合金元素，導(dǎo)致合金共析點(diǎn)左

移，屬于過(guò)共析鋼。過(guò)共析鋼在淬火前，為了消除網(wǎng)狀碳化物，常在其A口溫度

附近進(jìn)行球化退火，或在A”?限溫度之間進(jìn)行不完全退火。H13鋼預(yù)備熱處理

退火溫度一般選擇600?650℃,球化退火溫度800?850℃。第一階段較低的預(yù)

熱溫度，可有效去除工件因前期加工產(chǎn)生的應(yīng)力，防止后續(xù)加熱導(dǎo)致的工件嚴(yán)重

畸變，進(jìn)而造成開(kāi)裂；也可以加快工件相變重結(jié)晶的加熱速度，使厚大工件內(nèi)外

部溫度均勻時(shí)間縮短，大截面上奧氏體晶粒分布更加均勻細(xì)小，從而提高整體熱

后性能。但過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致后續(xù)回火時(shí)晶粒長(zhǎng)大或碳化物聚集球化，從而使

工件脆性增大。第二階段較高的預(yù)熱溫度，可使碳化物大量析出并分段球化，此

過(guò)程細(xì)小碳化物彌散程度更高，也避免過(guò)高溫度下導(dǎo)致的熱應(yīng)力和晶粒長(zhǎng)大。

對(duì)H13鋼分別進(jìn)行〃鍛造+正火+球化退火〃和"鍛造+球化退火〃工藝，結(jié)果表

淬火組織中殘余奧氏體含量增加，殘余奧氏體分布在板條馬氏體

之間起到阻礙裂紋擴(kuò)展的作用，提高了沖擊韌性。因此，為了獲

得熱后較高的紅硬性，淬火溫度一般選擇上限溫度；為了獲得較

好的韌性，淬火時(shí)采用下限溫度。

對(duì)H13鋼分別在6500c和850℃預(yù)熱30min后，在1020?1080℃奧氏體化保

溫5?7min后油淬，結(jié)果表明：隨淬火溫度升高，硬度先升高后下降，在1050℃

淬火時(shí)硬度最高，達(dá)到53HRC。胡志剛對(duì)H13鋼在550℃和800℃兩級(jí)預(yù)熱后，

分別在1030、1070和1100℃溫度下淬火，保溫后進(jìn)行油冷及600℃回火，結(jié)果

表明：淬火溫度提升后可以提高H13鋼室溫和高溫卜?的熱疲勞性能。

2.2.2分級(jí)淬火工藝

為了減少淬火組織應(yīng)力，H13鋼常進(jìn)行分級(jí)淬火，即先將鋼材在Ms溫度以

上進(jìn)行鹽浴淬火，保持淬火液溫度一段時(shí)間后將鋼材取出，再在空氣中進(jìn)行冷卻。

分級(jí)淬火可以獲得一定的淬火冷卻速度，在基體中保留高固溶度的合金組織，防

止晶間碳化物過(guò)量析出；另外，降低了直接快速降溫至室溫時(shí)鋼材內(nèi)外冷熱收縮

不一致產(chǎn)生的淬火應(yīng)力，工件內(nèi)部及外表面可以同時(shí)進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，并減少下

貝氏體的生成量，減少模具外形尺寸的快速收縮，防止淬火后變形開(kāi)裂。

目前，除普通鹽浴爐之外，淬火冷卻過(guò)程也大量應(yīng)用真空爐。真空爐淬火是

指整個(gè)淬火過(guò)程在真空爐內(nèi)進(jìn)行，將淬火介質(zhì)（如高純氮?dú)猓┧腿胝婵諣t內(nèi)，通過(guò)

控制氣體的流量和溫度來(lái)控制冷卻速度，熱效率較高，既可實(shí)現(xiàn)快速升溫和降溫,

又可實(shí)現(xiàn)緩慢加熱以減少工件內(nèi)應(yīng)力，溫度控制嚴(yán)格且精確，淬火后工件表面無(wú)

氧化、無(wú)脫碳和無(wú)氫脆等缺陷，且自動(dòng)化程度高，得到廣泛應(yīng)用。

除此之外，生產(chǎn)中還應(yīng)用流動(dòng)粒子爐進(jìn)行淬火冷卻。即在特定設(shè)備中用可燃

氣體產(chǎn)生熱量，利用歐玉砂、石英砂、碳化硅砂等流動(dòng)的粒子流的不斷運(yùn)動(dòng)進(jìn)行

熱交換和傳熱加速，從而對(duì)工件完成冷卻過(guò)程。整個(gè)過(guò)程爐溫可控、升溫速度快、

環(huán)境污染小，工件也不會(huì)發(fā)生脫碳、氧化等現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)淬火，淬火后也

可以直接進(jìn)行模具發(fā)藍(lán)處理。

對(duì)大、中、小三種不同尺寸的H13鋼模具進(jìn)行單級(jí)鹽浴淬火、雙級(jí)鹽浴淬火、

真空分級(jí)淬火和流態(tài)化床淬火，分析不同淬火方法下試塊的硬度和組織，試驗(yàn)最

終表明：雙級(jí)淬火的第一級(jí)冷卻保溫時(shí)間應(yīng)當(dāng)足夠長(zhǎng)以保證模具表面和中心溫度

均勻一致，組織轉(zhuǎn)變不會(huì)在恒溫過(guò)程中發(fā)生，因而可以適當(dāng)延長(zhǎng)第一級(jí)冷卻保溫

時(shí)間以使鋼中貝氏體量盡量少，建議H13鋼第一級(jí)冷卻溫度大約為520℃,第二

級(jí)冷卻溫度大約為200℃。

2.3回火

淬火后鋼材內(nèi)部一般存在較大的內(nèi)應(yīng)力，需要進(jìn)行適當(dāng)回火?；鼗鹂杀M量降

低組織內(nèi)應(yīng)力，使其趨于平衡，避免后續(xù)因組織轉(zhuǎn)變?cè)斐赡＞咄庑纬叽绲妮^大改

變；還可將鋼內(nèi)殘余奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，在保證韌性提高的情況下不

降低硬度。

H13鋼的回火工藝一般選擇500?650℃高溫回火。此溫度內(nèi)一般會(huì)發(fā)生H13

鋼的二次硬化，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的同時(shí)，回火馬氏體中析出細(xì)密碳化物

顆粒產(chǎn)生二次硬化，工件硬度重新升高至淬火時(shí)水平，鋼材殘余應(yīng)力減小。

對(duì)鍛后H13鋼進(jìn)行860℃球化退火、1030℃淬火保溫30min后油冷、590℃

回火保溫2h后油冷，對(duì)回火態(tài)H13鋼碳化物種類(lèi)進(jìn)行分析和熱力學(xué)計(jì)算，統(tǒng)計(jì)

不同部位碳化物析出尺寸和數(shù)量，結(jié)果表明：H13鋼回火態(tài)主要析出富V元素的

MC碳化物、富Mo元素的M2C碳化物(<200nm)和富Cr元素的M23C6碳化物

(>200nm),其中前兩者主要沉淀強(qiáng)化作用，在1/2R處析出最多，表面最少。

由于一次回火后殘余奧氏體未發(fā)生全部轉(zhuǎn)變，為進(jìn)一步提高材料的性能，

常進(jìn)行二次回火，甚至多次回火，使組織中析出更多細(xì)小彌散的強(qiáng)化相提高其整

體性能。

3其他熱處理技術(shù)

3.1氮化處理和氮碳共滲

氮化處理和氮碳共滲可顯著提高H13模具鋼的疲勞強(qiáng)度、耐磨性和耐蝕性，

具有滲氮速度快、滲氮層性能好的優(yōu)點(diǎn)。生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，常應(yīng)用在模具加

工完成之后。

對(duì)H13模具鋼進(jìn)行雙級(jí)預(yù)熱+1030℃淬火+600°(:回火后，再進(jìn)行580℃x4.5h

氣體氮碳共滲，油冷，得到氮碳共滲層厚度約0.20mm,模具表面硬度達(dá)到900HV

以上。氣體氮碳共滲相當(dāng)于模具淬火、加工后的一次回火，模具壽命是常規(guī)熱處

理的2倍以上。

對(duì)H13鋼進(jìn)行1050℃淬火+560?600℃兩次回火處理后，再進(jìn)行540?

570℃xl2h離子滲氮，得到表面滲層厚度0.24mm,白亮層約lOpim,硬度約67HRC,

模具表面耐磨性和壽命得到一定提升。

3.2多能束流表面處理

近年來(lái)，激光處理因其工作效率高、強(qiáng)化層淡、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)受到各行業(yè)廣

泛的關(guān)注和研究。

對(duì)H13鋼表面進(jìn)行激光熔覆H13合金涂層，激光功率為1.4kW,掃描速度為

14mm/min,送粉速率為42g/min,涂層的截面顯微硬度達(dá)到669?698HV,為