H13钢热处理工艺介绍

H13钢自研发以来，由于其优异的力学性能（高强度、红硬性、高韧性和良

好的塑性）和较高的淬透性、中温稳定性等，被广泛研究和应用，常用作热挤压

模具、高速精锻模具、铝合金压铸模具等。为提高H13钢的使用性能和寿命，

常对其进行热处理。

1H13钢的特性

H13钢的国际标准化组织材料牌号为40CrMoV5,对应不同国家的材料牌号

见表1,其材料成分和物理性能见表2〜表4。H13钢的热处理临界温度见表5。

表1H13钢对应不同国家材料牌号

Table1H13steelcorrespondstomaterialgradesindifferentcountries

国家中国美国日本德国瑞典演

材料牌号4Cr5ACSiVlH13SKD6140CrM<）VSiORVARSUPREMEBH13

表2H13钢化学成分（质量分数，％）

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钢的线膨胀系数

Tabic3Linerexpansioncoclllcicnlof1113steel

温度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钢的热导率

Table4ThermalconductivityofH13steel

温度/宽2565(7

热导率N•(m•k)-132.228.8

表5H13钢临界温度(幻)

Table5CriticaltemperatureofH13steel(1)

〕门

Ac।AC3ArAM,Mf

=860915775815—34021^-

2H13钢常规热处理工艺

H13钢锻后组织呈带状并通常含有粗大的一次碳化物，锻后零件组织内存在

较大的内应力，对后续模具加工、服役和使用寿命均存在不利影响。为改善H13

钢的显微组织和综合性能,锻造后需进行适当热处理,进而提升模具的综合性能。

H13钢常规热处理工艺主要包括预备热处理、淬火和回火，如图1所示。

1000-1080

(0.25-0.45inin/inni)

800-850

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

£>3inin/inm)/~

时间/min

图1H13钢常规热处理工艺

2.1预备热处理

H13钢的预备热处理工艺主要为退火或正火，有一次预热、

多次预热等。预备热处理工艺和预热次数主要取决于钢材尺寸大

小和模具复杂程度，如去应力退火+球化退火、正火+球化退火、

双级球化退火等，其目的主要是：①改善钢材锻后产生的带状组

织，消除网状碳化物，为球化组织和后续热处理作组织准备；②

避免较快的加热速度导致钢材内外部温差太大，产生较大内应力，

进而引起严重的变形或导致后续淬火裂纹。

H13钢碳含量为0.35%〜0.45%,含有8%左右的合金元素，导致合金共析点左

移，属于过共析钢。过共析钢在淬火前，为了消除网状碳化物，常在其A口温度

附近进行球化退火，或在A”〜限温度之间进行不完全退火。H13钢预备热处理

退火温度一般选择600〜650℃,球化退火温度800〜850℃。第一阶段较低的预

热温度，可有效去除工件因前期加工产生的应力，防止后续加热导致的工件严重

畸变，进而造成开裂；也可以加快工件相变重结晶的加热速度，使厚大工件内外

部温度均匀时间缩短，大截面上奥氏体晶粒分布更加均匀细小，从而提高整体热

后性能。但过高的温度可能导致后续回火时晶粒长大或碳化物聚集球化，从而使

工件脆性增大。第二阶段较高的预热温度，可使碳化物大量析出并分段球化，此

过程细小碳化物弥散程度更高，也避免过高温度下导致的热应力和晶粒长大。

对H13钢分别进行〃锻造+正火+球化退火〃和"锻造+球化退火〃工艺，结果表

淬火组织中残余奥氏体含量增加，残余奥氏体分布在板条马氏体

之间起到阻碍裂纹扩展的作用，提高了冲击韧性。因此，为了获

得热后较高的红硬性，淬火温度一般选择上限温度；为了获得较

好的韧性，淬火时采用下限温度。

对H13钢分别在6500c和850℃预热30min后，在1020〜1080℃奥氏体化保

温5〜7min后油淬，结果表明：随淬火温度升高，硬度先升高后下降，在1050℃

淬火时硬度最高，达到53HRC。胡志刚对H13钢在550℃和800℃两级预热后，

分别在1030、1070和1100℃温度下淬火，保温后进行油冷及600℃回火，结果

表明：淬火温度提升后可以提高H13钢室温和高温卜•的热疲劳性能。

2.2.2分级淬火工艺

为了减少淬火组织应力，H13钢常进行分级淬火，即先将钢材在Ms温度以

上进行盐浴淬火，保持淬火液温度一段时间后将钢材取出，再在空气中进行冷却。

分级淬火可以获得一定的淬火冷却速度，在基体中保留高固溶度的合金组织，防

止晶间碳化物过量析出；另外，降低了直接快速降温至室温时钢材内外冷热收缩

不一致产生的淬火应力，工件内部及外表面可以同时进行马氏体转变，并减少下

贝氏体的生成量，减少模具外形尺寸的快速收缩，防止淬火后变形开裂。

目前，除普通盐浴炉之外，淬火冷却过程也大量应用真空炉。真空炉淬火是

指整个淬火过程在真空炉内进行，将淬火介质（如高纯氮气）送入真空炉内，通过

控制气体的流量和温度来控制冷却速度，热效率较高，既可实现快速升温和降温,

又可实现缓慢加热以减少工件内应力，温度控制严格且精确，淬火后工件表面无

氧化、无脱碳和无氢脆等缺陷，且自动化程度高，得到广泛应用。

除此之外，生产中还应用流动粒子炉进行淬火冷却。即在特定设备中用可燃

气体产生热量，利用欧玉砂、石英砂、碳化硅砂等流动的粒子流的不断运动进行

热交换和传热加速，从而对工件完成冷却过程。整个过程炉温可控、升温速度快、

环境污染小，工件也不会发生脱碳、氧化等现象，可以实现连续淬火，淬火后也

可以直接进行模具发蓝处理。

对大、中、小三种不同尺寸的H13钢模具进行单级盐浴淬火、双级盐浴淬火、

真空分级淬火和流态化床淬火，分析不同淬火方法下试块的硬度和组织，试验最

终表明：双级淬火的第一级冷却保温时间应当足够长以保证模具表面和中心温度

均匀一致，组织转变不会在恒温过程中发生，因而可以适当延长第一级冷却保温

时间以使钢中贝氏体量尽量少，建议H13钢第一级冷却温度大约为520℃,第二

级冷却温度大约为200℃。

2.3回火

淬火后钢材内部一般存在较大的内应力，需要进行适当回火。回火可尽量降

低组织内应力，使其趋于平衡，避免后续因组织转变造成模具外形尺寸的较大改

变；还可将钢内残余奥氏体继续转变为马氏体组织，在保证韧性提高的情况下不

降低硬度。

H13钢的回火工艺一般选择500〜650℃高温回火。此温度内一般会发生H13

钢的二次硬化，残余奥氏体转变为马氏体的同时，回火马氏体中析出细密碳化物

颗粒产生二次硬化，工件硬度重新升高至淬火时水平，钢材残余应力减小。

对锻后H13钢进行860℃球化退火、1030℃淬火保温30min后油冷、590℃

回火保温2h后油冷，对回火态H13钢碳化物种类进行分析和热力学计算，统计

不同部位碳化物析出尺寸和数量，结果表明：H13钢回火态主要析出富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),其中前两者主要沉淀强化作用，在1/2R处析出最多，表面最少。

由于一次回火后残余奥氏体未发生全部转变，为进一步提高材料的性能，

常进行二次回火，甚至多次回火，使组织中析出更多细小弥散的强化相提高其整

体性能。

3其他热处理技术

3.1氮化处理和氮碳共渗

氮化处理和氮碳共渗可显著提高H13模具钢的疲劳强度、耐磨性和耐蚀性，

具有渗氮速度快、渗氮层性能好的优点。生产中应用非常广泛，常应用在模具加

工完成之后。

对H13模具钢进行双级预热+1030℃淬火+600°(:回火后，再进行580℃x4.5h

气体氮碳共渗，油冷，得到氮碳共渗层厚度约0.20mm,模具表面硬度达到900HV

以上。气体氮碳共渗相当于模具淬火、加工后的一次回火，模具寿命是常规热处

理的2倍以上。

对H13钢进行1050℃淬火+560〜600℃两次回火处理后，再进行540〜

570℃xl2h离子渗氮，得到表面渗层厚度0.24mm,白亮层约lOpim,硬度约67HRC,

模具表面耐磨性和寿命得到一定提升。

3.2多能束流表面处理

近年来，激光处理因其工作效率高、强化层淡、无污染等优点受到各行业广

泛的关注和研究。

对H13钢表面进行激光熔覆H13合金涂层，激光功率为1.4kW,扫描速度为

14mm/min,送粉速率为42g/min,涂层的截面显微硬度达到669〜698HV,为