H13鋼是使用更廣泛和更具代表性的熱作模具鋼種，其特性非常適合用于鋁型材擠圧生產。

　　

　　　　然而，隨著鋁型材擠壓行業的發展，鋁型材向更大、更復雜的方向發展，這就對擠壓模具提出了更高的性能要求。

　　

　　　　化學成分對H13鋼性能的影響

　　

　　　　1、C含量與鋼的強度成正比關系，鋼中增加C含量將提高鋼的強度，對熱作模具鋼而言，會使高溫強度、熱態硬度和耐磨損性提高，但會導致其韌度的降低。

　　

　　　　2、Cr對鋼的耐磨損性、高溫強度、熱態硬度、韌度和淬透性都有有利的影響；含量較高時，其回火抗力也高，同時它溶入基體中會顯著改善鋼的耐蝕性能。

　　

　　　　3、Ti、V、Mo元素。鍛造或淬火階段，Ti、V. Mo等碳化物形成元素會形成難溶于奧氏體的合金碳化物，進而阻礙奧氏體晶粒長大，起到細化奧氏體晶粒功效。

　　

　　　　另外，回火工序階段，因H13鋼含有較多碳化物形成元素(Ti、V , Mo)，當回火溫度高于500℃時，滲碳體溶解，形成細小、彌散分布的合金碳化物。合金碳化物的彌散析出可使H13出現二次硬化現象。

　　

　　　　H13鋼的金相組織與性能

　　

　　　　1、球化退火組織

　　

　　　　H13鋼以退火狀態驗收時，此狀態下鋼材的主要組織為珠光體。退火工藝不同，生成的珠光體形態也不同。在Ac1+(20 ~ 40)℃或 Acm-(20 ~ 30)℃保溫后，等溫冷卻或直接緩慢冷卻便可得到粒狀珠光體。粒狀珠光體與化學成分相同的片狀珠光體相比，強度、硬度較低，而塑性韌性較好。

　　

　　　　綜上所述，對于退火狀態的H13鋼，為了后續機加工成型更容易進行,也為了在淬火階段得到細化晶粒的奧氏體，一般要求原始組織為點狀或粒狀珠光體，見圖1。

　　

　　　　2、熱處理強化

　　

　　　　退火態的H13主要組織為珠光體，其性能還達不到模具工作的要求，必須對其進行淬火-回火熱處理強化，以提高其整體性能。

　　

　　　　淬火階段，把鋼材加熱到奧氏體化溫度以上，再以較大的過冷度冷卻鋼材，以獲得淬火馬氏體組織。回火階段，把鋼材重新加熱到奧氏體化溫度以下，使淬火馬氏體組織轉變成回火馬氏體組織，以提高鋼材的綜合性能。

　　

　　　　（1）淬火階段

　　

　　　　通過對企業大量的過早失效的模具進行金相分析發現，奧氏體晶粒粗大是導致模具過早失效的重要原因之一。奧氏體晶粒的粗細直接關系到模具的使用壽命。

　　

　　　　粗大晶粒會降低沖擊韌度，降低裂紋擴展功、提高冷脆區域，晶粒越大，鋼淬火時開裂和畸變傾向會越大。因此，須對奧氏體晶粒大小進行有效控制。

　　

　　　　鋼的原始組織和熱條件會對奧氏體晶發生影響。因此，在淬火階段，要獲得細化晶粒的奧氏體，必須嚴格控制好加熱溫度和保溫時間。

　　

　　　　（2）回火階段

　　

　　　　鋼材淬火后，內部會存在較大內應力。而且生成的組織（淬火馬氏體、殘余奧氏體）也屬于亞穩定結構，不能直接使用。后續工序回火的目的就是消除內應力，使亞穩定組織轉變成穩定組織。

　　

　　　　回火過程中，隨著溫度的增高，組織的變化可分為四個階段。

　　

　　　　階段是70-200℃：

　　

　　　　淬火馬氏體分解成低碳馬氏體和ε碳化物，并消除內應力。

　　

　　　　第二階段在200-300℃：

　　

　　　　殘余奧氏體分解成馬氏體。

　　

　　　　第三階段在250℃以上進行：

　　

　　　　把馬氏體和ε相轉變成鐵素體加滲碳體，隨著溫度增加發生連續軟化過程，滲碳體呈片狀析出時會表現出低溫脆化現象。

　　

　　　　第四階段是含有Cr、W、Mo、V、Ti等碳化物生成元素的合金鋼，在約500℃以上置換型擴散自由進行的溫度下伴隨有溫度碳化物析出和長大的變換。

　　

　　　　此外，除Cr外，這些碳化物微粒析出時使晶格畸變，或因為位錯被釘住，鋼再度硬化（二次硬化）。

　　

　　　　C、Mn、Cr的含量越多，淬火溫度越高和冷卻速度越慢，則殘余奧氏體量就越多。

　　

　　　　過多的殘余奧氏體會降低淬火硬度，使用中因時效變形（轉變成馬氏體）而發生脆化。一般的一次回火并不能使殘余奧氏體降低到合理水平，在實際生產中，采用二次回火，回火溫度通常為590℃左右，風冷。

　　

　　　　由于馬氏體是在快速冷卻下形成的，所以每次回火結束后風冷，以形成溫度梯度，使殘余奧氏體更徹底地進行轉變。二次回火后，工件硬度保持在HRC 47-50便可保證其性能滿足要求。

　　

　　　　3、帶狀偏析

　　

　　　　（1）形成機理

　　

　　　　H13鋼屬于合金元素含量較高的過共析鋼，在冶煉、鑄造時均有可能出現碳化物偏析，鍛軋后形成粗大的碳化物帶。

　　

　　　　碳化物的數量、大小及分布狀態直接影響鋼材的組織與性能。由于鋼液在鑄錠結晶過程中選擇性結晶形成化學成分呈不均勻分布的枝晶組織，鑄錠中的粗大枝晶在軋制時沿變形方向被拉長，并逐漸與變形方向一致，從而形成碳及合金元素的貧化帶和貧化帶彼此交替堆疊。成分偏析越嚴重，形成的帶狀組織也越嚴重。

　　

　　　　（2）帶狀偏析組織的力學性能對比

　　

　　　　選取兩個不同供應商（A廠和B廠）材料分別各制取3個試樣進行室溫和高溫（550℃）力學性能對比（表1和表2 ）。

　　

　　　　其中1#、3#、4#為A廠樣品；2#、 5#、 6#為B廠樣品。

　　

　　　　通過上述圖表數據對比得知：

　　

　　　　A、1#試樣帶狀偏析更嚴重，三項性能均有明顯下降的趨勢。

　　

　　　　B、3#、4#試樣帶狀偏析基本消除，但仍存在的部分偏析影響了其延伸率和斷面收縮率。

　　

　　　　（3）帶狀偏析組織消除方法

　　

　　　　帶狀組織是一種原材料缺陷，生產中很難避免，只能靠后續工序減輕或消除。一般采用的方法是均勻化退火或多次鍛打。

　　

　　　　均勻化退火是指將鋼加熱到略低于固相線溫度，長時間保溫然后隨爐冷卻。以使鋼的化學成分和組織均勻化。均勻化退火的缺點是能耗高，易使晶粒粗大。

　　

　　　　為細化晶粒，均勻化退火后應進行完全退火或正火改善。均勻化退火只能解決晶內偏析，并不能根除帶狀組織，這是因為原子在固態下移動的距離有限。

　　

　　　　鍛打就是鍛造，是一種利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產生塑性變形。

　　

　　　　以上兩種方法交替使用，可明顯減輕或消除帶狀偏析現象。近年來發展起來的鍛后淬火后高溫回火工藝，對大碳化物以及不嚴重帶狀組織有一定的細化效果。

　　

　　　　東锜模具鋼總結：就鋁型材企業而言，模具的優劣直接影響了擠壓鋁型材產品的質量，而模具的質量又與其選材息息相關。因此，對于模具加工廠，乃至鋁型材企業，模具鋼材料的質量控制是至關重要的，它影響著模具的使用壽命、產品質量與生產效益等。

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