曹光明
（潍坊学院 机电工程系，山东 潍坊 261061）
摘要：研究了H13钢的锻造、预备热处理、淬火回火、表面热处理对其性能和模具寿命的影响。针对H13钢质量的差别及其具体使用情况，指出了每个工艺过程的较佳工艺参数。并介绍了H13钢表面处理的最新进展。 关键词：H13钢， 模具钢，模具寿命
Research on Heat Machining Technics Applied in H13 Die Steel
CAO Guang-ming
(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Weifang University, Weifang Shandong 261061, China)
Abstract: The effects on the properties and die lifespan of forging, conditioning heat treatment, quenching and tempering, surface heat treatment are researched. The preferable technics parameters are proposed according to different qualities and different used conditions of H13 steel. The recent progresses on the surface heat treatment of H13 steel are also discussed.
Kewords: H13 steel, die steel, die lifespan
H13（4Cr5MoSiV1）钢是目前国内外广泛使用的热作模具钢。因其具有良好的热强性、红硬性、较高的韧性和抗热疲劳性能，广泛用于铝合金的热挤压模和压铸模；同时也可制作热锻模和塑料模。是一种强韧兼备、质优价廉的钢种。本文根据不同的工作条件和使用性能的要求，研究了有利于提高H13钢模具寿命的热加工工艺方法。
1 H13钢的锻造
H13钢根据质量分为一般H13钢和优质H13钢。优质H13钢由于采用了较先进的生产工艺技术，钢质纯净，组织均匀，偏析轻微，等向性好，具有更高的韧性及热疲劳性能。实验表
明，优质H13钢改锻后模具寿命与改锻前基本相当，因此改锻意义不大[1]。但一般H13钢必须进行改锻，以击碎大块非金属夹杂物，消除碳化物偏析，均匀组织及力学性能，提高模具寿命。
H13钢由于合金元素含量高，导热性差，共晶温度又较低，易引起过烧。因此，加热时要控制好炉温，且加热要缓慢均匀。对于≥φ70mm的坯料，应先在800~900℃区间预热，然后再加热至始锻温度1065~1175℃。预热加热速度为1~1.5min/mm，高温加热速度为0.8~1min/mm。为保证加热均匀，坯料在炉膛内要翻转90°不少于2次。锻造时，采用“二轻一重”锻造法，进行多次拔长镦粗，总锻造比≥3，各工序镦粗比≥2[2]。 2 H13钢的预备热处理
H13钢常规预备热处理为改锻后进行球化退火，目的在于均匀组织，降低硬度，改善切削性能。H13钢由于合金元素的影响，本质上为过共析钢，一般采用等温球化退火。H13钢等温球化退火工艺为：加热至845~900℃保温1h+1mim/mm，炉冷至720~740℃等温2h+1min/mm，随炉冷至500℃以下出炉空冷，组织为粒状珠光体，硬度≤229HBS [3]。
H13钢通过扩散退火及球化退火，能消除一次碳化物，改善偏析，使二次碳化物呈球状均匀分布在铁素体基体上，能显著提高钢的横向冲击韧性。试验表明，H13钢经高温均匀化处理，退火态的横向冲击功超过90J，淬火回火态冲击功超过20J，其冲击功较未扩散退火处理的高1倍以上，达到或接近Uddeholm8407S钢的水平（其冲击功分别78J和23J）[4]。文献[5]介绍，H13钢通过1040℃×100min油冷+920℃×6h炉冷+760℃×8h炉冷的扩散退火加球化退火的预备热处理，然后经常规淬火回火，模具的硬度及冲击值均较高，具有最佳的使用寿命。虽然处理时间长一些，成本高一些，但结合使用寿命考虑，成本还是最低的。
H13钢也可采用调质（1160℃淬火+720℃回火）代替球化退火[6]。研究表明，随着奥氏体化温度升高，H13钢硬度及断裂韧性升高，但冲击韧性下降。若采用调质作为预备热处理，可在几乎不降低冲击韧性的条件下得到最大的断裂韧性，有力于提高H13钢热作模具的抗热疲劳性能，硬度值也有所提高。
3 H13钢的淬火及回火
3.1 淬火
H13钢淬火加热一般要进行两次预热。第一次为550~600℃×（30min+1min/mm），第二次为800~850℃×（10min+0.5min/mm）[3]，然后再升温至奥氏体化温度，避免造成过大的热应力，防止变形开裂，并能有效地促进奥氏体均匀化。
H13钢低于1000℃淬火，不能充分发挥合金元素的作用；高于1070℃，晶粒开始明显长大，冲击韧性下降，而硬度并没有明显增加。实践表明，H13钢较合适的淬火温度为1020~1060℃×（20~25s/mm[3]）。对于压铸模，要求红硬性高，可采用上限温度淬火。对于热挤压模，要求良好的强韧性及耐磨性，可采用下限温度淬火。H13钢淬火加热后要在高温时立即淬火，不宜停留时间太长，否则过冷奥氏体在珠光体转变区缓冷时会从中直接析出碳化物，使冲击韧性下降[7]。
H13钢多采用分级淬火。H13钢在400~600℃之间奥氏体非常稳定，为分级淬火创造了条件。采用分级淬火可减少模具的变形、开裂，还可防止氧化脱碳。分级淬火可采用一级淬火（即在其Ms点335℃以上等温后空冷）；也可采用二级淬火。二级淬火比一级淬火有更高的冲击韧性[8]。二级淬火通常在500~600℃分级后移至240~300℃硝盐浴中冷却，待内外均温后取出空冷[9]。对于要求高强韧性的热挤压模具，要用较高的淬冷速度，以抑制碳
化物沿晶析出和出现上贝氏体组织，以提高韧性及回火抗力，但冷速要控制在不出现淬裂及畸变的范围。当模具尺寸精度要求不高或回火后可修整的条件下，也可油淬，但复杂模具切勿油淬。油淬时油温控制在60~100℃较为妥当。
H13钢也可采用等温淬火。H13钢采用1030℃加热，250℃×10min等温淬火时可以得到适量的B下/M的复相组织，回火后能达到良好的强韧性配合[10]。与常规处理相比，在高温强度和塑性不变的情况下，可使高温冲击韧性提高33.4%。采用上述工艺的H13钢管子钳活动钳头热锻模和固定钳口哈夫模，活动钳头热锻模平均寿命超过1.3万件/副，固定钳口哈夫模平均寿命超过3万件/副，使用寿命分别提高1.5和6倍。
3.2 回火
H13钢模具淬火后冷至100℃左右应立即回火，回火温度一般为540~650℃。425~520℃为回火脆性区[2]。回火温度选择一般取决于模具的工作条件及硬度要求。对于热挤压模及压铸模，其工作温度达600℃，因此回火温度要比工作温度高25~50HRC，可取620~640；热锻模可取低一些。硬度是确定回火温度的重要依据，如表1；一般热挤压模及压铸模的硬度
要求为42~48HRC，硬度越高，热疲劳性能越好，但韧性变差，因此一般取≤48HRC，最佳为46HRC[11]。对于热疲劳性能要求高的可取上限48HRC；对于强韧性要求高的可取下限42HRC。大尺寸模具淬火后难以得到高硬度，同时为保证韧性，硬度一般取下限。高于650℃回火，强度、硬度及耐磨性均显不足。H13钢一般要经两次回火，第二次回火温度通常比第一次要低20℃。
表1 H13钢回火温度与硬度的关系[9]
回火温度/℃ | 680 | 650 | 630 | 610-620 | 560-580 | 550 |
回火硬度/HRC | 32-33 | 36-37 | 40-41 | 46-44 | 50-48 | 51-52 |
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采用国产H13钢制作的模具，由于其成分偏析，经常规处理后会出现回火不足及残余奥氏体带状组织，热疲劳性能下降，使模具出现早期破坏。适当提高回火温度（630℃）可消除带状组织[5]。因此采用常规处理工艺时，设计硬度指标可降低2~3HRC，以便提高回火温度。改锻后如果经过扩散退火及球化退火预备热处理，对改善带状组织，提高性能更有利。
4 H13钢的表面热处理
H13钢常规淬火、回火后的硬度一般为42激光熔覆工艺~48HRC，耐磨性不足，模具寿命短。鉴于模具失效大都由表面开始，因此，对H13钢模具进行表面改性处理，是综合改善模具寿命的关键。
4.1 表面低温化学热处理
低温化学热处理可以提高H13钢的抗热疲劳、耐热磨损和耐蚀性能，且工艺成本低廉，故应用广泛。常用工艺有离子渗氮、N-C共渗（软氮化）、S-N-C共渗以及多元共渗等。
4.1.1 离子渗氮
H13钢中有较多的Cr、Mo等元素，氮化时能生成丰富稳定的氮化物并使其弥散分布,有利于提高H13钢热作模具的耐磨性、耐蚀性、抗粘结性及抗热疲劳性能。实验表明，在520℃左右对H13钢进行1.5h以上的离子渗氮处理,可以得到最佳的渗氮层组成相及表面硬度。表面化合物层厚度可达6μm,渗氮层总厚度达0.3mm左右。渗氮层的表面硬度随渗氮温度变化出现一极大值，在520℃左右最高，达1100HV0.1以上，而且耐磨性能也最佳[12]。高于570
℃离子渗氮，化合物层中易出现网状氮化物，耐磨性下降[13]。某厂用H13钢制造挤压铝型材的空心模，经1080℃油淬+ 560℃×2h两次回火，硬度为48HRC。经过520℃×4h的离子渗氮，每副模具挤压的型材从1000kg左右提高至4500kg，寿命提高了3倍[12]。表面渗氮并非一次完成，而是在模具使用前期进行至少3~4次的反复渗氮处理，一般要使渗氮层厚度达到0.15~0.20mm。
关于离子渗氮层中的化合物对H13钢热疲劳性能的影响，文献[14]采用加氩渗氮以除去化合物层和无氩渗氮两种方法进行了比较。结果发现，无氩渗氮的化合物层虽然能推迟热疲劳裂纹的萌生,阻止热裂纹向基体内部扩展；但多周疲劳后期，表面热裂纹直、宽、多，易于剥落并且扩展快速。因此，采用含化合物层的离子氮化处理用于H13钢铝合金压铸模应慎重。
4.1.2 N-C共渗（软氮化）[15]
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