热处理工艺对H13模具钢组织和性能的影响

夏云峰 张光川 胡永平 李 巍

(内蒙古北方重工业集团有限公司，内蒙古014033)

H13模具钢已被广泛用作压铸模、热冲模、热锻和热挤压等热作模具材料，模具的使用环境极其复杂，工作过程中不仅需与高温坯料甚至液态金属直接接触，被反复地加热和冷却，同时还要承受高压冲击的作用。热作模具的失效形式主要有三种：一是由于高温金属液流动而造成的模腔磨损冲蚀；二是在机械应力和热应力交互作用下而引起的模腔尺寸超差；三是由于冲击载荷和反复的加热-冷却而导致的疲劳裂纹。因此其对材料的性能要求非常严格，不仅需具备良好的高温强度和冲击韧性，还需具有优良的抗氧化性和耐冷热疲劳性能。众所周知，金属材料的性能及其组织形态与热处理工艺直接相关，要想充分挖掘H13模具钢的材料特性，研究热处理工艺对H13模具钢组织和性能的影响具有十分重要的意义。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用H13模具钢工艺流程为“电炉冶炼→LF炉精炼→VD炉真空精炼→铸锭→ESR电渣重熔→高温扩散退火→30 MN油压机锻造成形”，锻坯规格830 mm宽×250 mm厚×3000 mm长，墩粗比为2.0，总锻比为5.8。锻后进行等温球化退火后从端部切除200 mm余料，再切取1块厚25 mm的试片，加工为若干块100 mm×55 mm×25 mm试块，试验用钢的化学成分见表1。

表1 H13模具钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of H13 die steel (mass fraction, %)

通过测定，该钢的临界转变温度如下：Ac1=845℃，Accm=870℃，Ms=270℃，Mf=105℃。

1.2 试验设备

试验设备有箱式电阻加热炉2台、硬度计、金相显微镜、美标冲击仪器。

1.3 试验步骤

(1)淬火预热和淬火加热分别在两台箱式电阻炉内进行，首先将两台箱式电阻炉升至所规定的温度；

(2)将100 mm×55 mm×25 mm试样放置在预热加热箱式电阻炉中保温30 min(到温装炉)；

(3)保温结束后将试样转移至淬火加热的电阻炉中进行淬火温度保温30 min(开关炉后，炉温降低，待电阻炉升至规定温度时开始计算保温时间)；

(4)保温结束后针对样块进行淬火(采用水或油淬方案，水或油温控制在30℃以下)；

(5)回火在箱式电阻炉内进行，按照规定的温度对试样进行回火；

(6)回火结束后针对试样样块进行硬度检验并记录；

(7)将试样加工至美标冲击要求尺寸后进行冲击试验并记录；

(a)1030℃×30min淬火+610℃×2h回火+620℃×2h回火(b)1060℃×30min淬火+610℃×2h回火+620℃×2h回火(c)1080℃×30min淬火+610℃×2h回火+620℃×2h回火

图2 淬火加热温度对H13模具钢金相组织的影响
Figure 2 Effect of heating temperature during quenching on the microstructure of H13 die steel

(8)金相组织检验。

2 热处理工艺试验

2.1 淬火加热温度对金相组织的影响

依据H13模具钢的材料特性及测定的临界转变温度，为考察不同的淬火加热温度对其组织和性能的影响，特选定3组试样(每组3个)分别在1030℃、1060℃和1080℃温度下进行淬火，保温时间均为30 min，然后全部采用610℃±5℃进行第一次回火，620℃±5℃进行第二次回火，工艺见图1。

热处理后试样经打磨、抛光并腐蚀后，使用BX51金相显微境进行金相组织分析，检查金相组织和碳化物形态，图2为不同淬火加热温度下的金相组织照片。

由图2可以看出，1030℃淬火+两次回火后得到的组织为回火索氏体+颗粒状碳化物，组织中存在较多的未溶碳化物。而随着淬火加热温度的升高，未熔碳化物数量逐步减少，由此可见，淬火温度低是大量未溶碳化物存在的主要原因，这些未熔碳化物在回火时部分会发生融合和生长，降低弥散强化效果。

据有关资料介绍，铬(Cr)的碳化物900℃开始溶解，到1100℃时几乎全部溶于奥氏体中；钒(V)的碳化物在900～1000℃几乎不溶解，只有到1000～1200℃时才开始溶解。试验结果显示H13模具钢提高淬火温度后未溶铁素体显著减少，且晶粒度更加细小。加热温度的提高会使得更多的碳化物溶入奥氏体中，增加奥氏体的稳定性和马氏体的含碳量，但温度过高会使得奥氏体的稳定性增强，冷却后得到粗大的马氏体和更多的残余奥氏体，影响冲击韧性及硬度指标。

1060℃和1080℃两个淬火温度下得到的组织相比，后者的组织优于前者。由此得出，提高淬火温度至1080℃时会使碳化物的溶解更为充分，减少或细化淬火组织中的碳化物，使得回火阶段可均匀弥散析出细小的颗粒状碳化物，最终提高回火组织的稳定性。

2.2 淬火加热温度对硬度及冲击性能的影响

为测定不同淬火加热温度对H13模具钢硬度和冲击性能的影响，同样选取四组试样(每组3个)分别在1030℃、1060℃、1080℃和1100℃温度下进行淬火，保温时间均为30 min，然后全部采用610℃±5℃进行第一次回火，620℃±5℃进行第二次回火。试样热处理后按照GBT 229—2007标准要求加工成10 mm×10 mm×55 mm的夏比V型缺口冲击试样，逐个进行冲击吸收能量和洛式硬度检测，检测结果见表2。

表2 淬火加热温度对H13模具钢冲击性能的影响Table 2 Effect of heating temperature during quenching on the impact property of H13 die steel

从表2试验结果可知，随着淬火加热温度在1030～1100℃范围内逐步升高，试样的硬度有逐步提高的趋势，冲击韧性指标先上升，超过1080℃后又开始下降，说明当淬火加热温度超过1080℃后，晶粒度已经开始粗化，裂纹敏感性开始增加。

2.3 回火工艺参数对H13模具钢金相组织和性能的影响

为测定不同的回火制度对该钢种的冲击韧性、硬度和金相组织的影响，固定淬火工艺参数为1060℃×30 min水冷后，调整回火工艺参数的检验结果如表3所示。

由表3可知相同的淬火工艺下，不同的回火制度对冲击及硬度指标的影响较明显。回火温度低于620℃时冲击韧性下降幅度较大；只进行两次回火时缺口冲击吸收能量波动较大，而采用三次回火时冲击性能稳定性显著提高，相对于1060℃淬火+610℃回火+620℃回火，增加一次600℃回火后冲击韧性略有提升，且硬度无明显降低。图3为不同回火工艺后H13模具钢的金相组织照片，图中基体组织均为回火索氏体+弥散分布的颗粒状碳化物。多次回火不仅可精确调整锻件的硬度指标，并提高塑韧性，且经多次回火，进一步释放钢中的内应力，使得组织转变更为充分，从而稳定材料的组织，减小冲击波动。

(a)1060℃+590℃+610℃(b)1060℃+610℃+620℃回火(c)1060℃+590℃+590℃+610℃回火(d)1060℃+600℃+610℃+620℃

图3 回火工艺参数对H13模具钢金相显微组织的影响
Figure 3 Effect of tempering process parameters on metallographic microstructure of H13 die steel

3 结论

(1)在一定范围内，适当提高H13模具钢的淬火加热温度能够提高钢的冲击韧性和抗回火性能，理想的淬火加热温度为1060～1080℃，淬火加热温度超过1080℃后会导致其晶粒显著粗化，影响钢的力学性能。

(2)H13模具钢淬火后在600℃左右进行三次回火可有效提高冲击性能的稳定性。