热处理工艺对H13钢组织与性能的影响.pdf

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热加工工艺2007年第36卷第4期Material&HeatTreatment材料热处理

（2）热处理工艺对H13钢组织与性能的影响林高用，郑小燕（中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410083）摘要：

通过硬度和金相分析，研究了热处理工艺对模具材料H13钢（4Cr5MoSiV1）的组织与力学性能的影响，并分析了热处理后的试样缺陷。

结果表明，H13钢经1050200s+（560600）2h回火，可使其硬度达到较佳的使用范围（4852HRC）；采用同样的回火工艺进行二次回火后，其组织更加稳定和均匀，且硬度适中。

关键词：

H13钢；热处理；硬度；淬火；回火中图分类号：

TG162.4;TG142.45文献标识码：

A文章编号：

1001-3814（2007）04-0046-03EffectsofHeatTreatmentProcessonMicrostructureandMechanicalPropertiesofH13SteelLINGao-yong，ZHENGXiao-yan（SchoolofMaterialsScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083，China）Abstract：

TheeffectsofheattreatmentprocessonthemicrostructureandmechanicalpropertiesofH13steelwerestudiedbymeansofhardnessandmetallographicexperimentsanddefectsanalyzing.TheresultsshowthatthehardnessofH13steelmayreachtheoptimumuserange（4852HRC）afterquenchingat1050200s,thencoolinginwarmwater（5060）andtemperingat560600for2h.Aftersecondarytemperingontheconditionofthesametemperingprocess,thismaterialmayobtainmorehomogeneousandstablemicrostructureandproperhardness.Keywords：

H13steel;heattreatment;hardness;quenching;temperingH13钢（4Cr5MoSiV1）属过共析钢，其临界点与4Cr5MoSiV钢相近1；经锻造后在860890退火可得到球状珠光体和少量碳化物，其奥氏体在400500比较稳定；经10001050淬火后组织为针状马氏体，硬度可达5357HRC，但韧性较差。

淬火后立即两次或多次回火（5306502h），虽对几何尺寸大的模具可明显提高其韧性和热疲劳性能2,3，但却会显著增加模具加工的成本。

实践表明，H13钢经热处理后若硬度为4852HRC，其强韧性最好。

再经表面强化处理后，模具既可获得高的表面硬度，又有适中的心部韧性，因此能有效提高模具的使用寿命。

为了探索获得这种最佳的强韧性组合的热处理工艺，本文对H13钢进行了一组热处理实验。

1实验材料及方法实验所用材料为上海五厂生产的H13钢，其化学成分（质量分数,%）为:

0.43C，0.80Mn，0.90Si，5.60Cr，1.05V，1.25Mo。

淬火实验在Gleeble-1500热模拟试验机上通过电加热实现，以模拟盐浴加热过程使试样快速均匀升温到预定温度。

淬火加热和保温过程中采用氩气保护，采用5060温水冷却以降低淬火应力。

本文确定H13钢的淬火温度分别为1000、1050和1100，并由试样尺寸（8mm8mm8mm）确定淬火保温时间为200s。

大量研究表明,回火温度一定时,回火保温时间对硬度的影响不显著4，故回火温度分别选择520、560、600和640，回火保温时间均为2h。

回火实验在箱式空气电阻炉内进行，回火后空冷。

在69-1型布洛维光学硬度计上进行洛氏硬度测量，载荷1470N，加载时间15s；在PolyvarMET光学显微镜下进行金相显微组织分析，腐蚀剂为王水。

2实验结果及分析2.1力学性能分析收稿日期：

2006-09-25基金项目：

云南省省院省校科技合作计划基金资助项目（2003UABAB05A050）作者简介：

林高用（1966-）,男,湖南洞口人,副教授,博士,主要从事材料加工的科研与教学;电话：

0731-8830266；E-mail：

gylin6609yahoo.com.cn郑小燕（1983-）,女,四川达县人,硕士研究生,主要研究方向为材料加工;电话:

0731-883026646DOI:

10.14158/ki.1001-3814.2007.04.016热加工工艺2007年第36卷第4期Material&HeatTreatment材料热处理

（2）图1为H13钢在不同淬火温度下的硬度变化曲线。

可见，硬度随淬火温度的升高而升高，1100淬火的硬度比1000淬火的硬度高出约11%。

在1100以上淬火，硬度明显提高，脆性增加，尤其是对尺寸较大的工件，淬火时很容易产生开裂。

1050淬火时开裂较少，且硬度适中，因此选择该组试样进行回火实验。

图2为H13钢经1050淬火后硬度随回火温度的变化。

可见，回火温度越高，其硬度越低，高温回火（640）比低温回火（520）后的硬度降低了约19%。

520回火后试样的硬度仍保持在很高的水平，640回火后试样硬度太低；只有经560600的中温回火，材料的硬度才达到最佳的使用范围（4852HRC）。

2.2金相组织分析图3为H13钢的原始态组织，基体主要为奥氏体组织，其中均匀分布着少量粒状碳化物。

这种组织硬度（20.2HRC）值很低。

淬火温度对H13钢组织的影响如图4所示。

H13钢在1000淬火后，组织中有未溶的粒状碳化物、马氏体和残余的奥氏体，由于加热温度较低，奥氏体成分还没有均匀化，淬火后组织不均匀，碳化物溶解较少（图4a）；而在1050和1100淬火后（图4b、c），组织中除了马氏体、粒状碳化物之外还有针状的下贝氏体，因此硬度明显提高。

从图中还可见，随淬火加热温度的升高,组织中的碳化物明显减少且细化，回火后碳化物粒子分布均匀，回火组织的稳定性提高。

但1100淬火时，因产生很高的淬火应力，试样开裂较多。

本实验采用温水淬火，冷却强度太大，所以试样容易开裂，实际加工时通常采用油浴淬火，可使模具淬火开裂现象得到较好的控制。

回火温度对H13钢组织的影响如图5所示。

可见，随着回火温度的提高，回火组织中马氏体含量逐渐减少，奥氏体分解，铁素体和碳化物相增加，且铁素体和碳化物有聚集长大的趋向。

这种组织将明显降低材料的强度与硬度，但可提高材料的塑性与韧性。

640回火时马氏体已大量分20m图3H13钢的原始态组织Fig.3TheoriginalmicrostructureofH13steel6059585756555453100010201040106010801100淬火温度/硬度（HRC）图1H13钢淬火硬度随淬火温度的变化曲线Fig.1ThehardnessVSquendingtemperaturecurveofH13steel54535251504948474645520540560580600620640回火温度/硬度（HRC）图2H13钢硬度随回火温度的变化曲线Fig.2ThehardnessVStemperingtemperaturecurveofH13steel20m20m20m（a）1000200s（b）1050200s（c）1100200s图4H13不同温度淬火后的金相组织Fig.4ThemicrostructureofH13steelafterquenchingatdifferenttemperature47热加工工艺2007年第36卷第4期Material&HeatTreatment材料热处理

（2）解，铁素体基体充分聚集长大，此时该材料强硬度不高，但具有较好的塑性，做拉伸实验时，可观察到断口形态呈现出准解理特征，且韧窝尺寸很大4，要保证H13钢有足够的强度，则不应该出现此种组织。

图5（c）、（d）中出现的大块白色组织是非正常组织，据实际观察和经验得知，这可能是原材料在进行锻打时没有破碎的合金碳化物和金属夹杂，量少时对材料性能影响不大。

图6为H13钢在1050保温200s淬火后再进行两次回火（600保温2h）后的组织，这种组织以铁素体和渗碳体为基体，含有少量马氏体、粒状碳化物、残余奥氏体等。

这种组织比一次回火组织更均匀，性能更稳定，且硬度适中（49.2HRC），韧性好，有利于提高热加工模具的使用寿命。

图7（a）是H13钢在1100淬火时，因冷却介质为室温水（约15），冷却强度太大，淬火热应力太高，试样边部出现明显的开裂现象；（图7b）为H13钢在淬火保温过程中未加氩气保护时出现的较为明显的边部脱碳组织，这种组织将严重降低材料的硬度和使用寿命。

对于实验室的小试样尚且如此，可见在实际模具加工过程中，淬火时的冷却介质和保护气氛都是非常重要的。

因此实际生产时一般应采用盐浴加热，油浴淬火的工艺措施57。

3结论H13钢经1050淬火（保温200s,温水冷却）后再在560600的温度下回火2h，可使其力学性能达到较佳的使用范围（4852HRC）；该材料采用同样的回火工艺进行二次回火后，其组织更加稳定和均匀，且硬度适中，有利于提高热挤压模具的使用寿命。

参考文献:

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化学工业出版社,2005.2CobaldiC,GhidiniA.TemperingsinfluenceonLOS2344（AISIH13）steelcharacteristics,tobeemployedforaluminiumextrusiondiesA.Aluminium2000:

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49-55.4谢冬柏,高飞,王福会,等.H13钢的马氏体/贝氏体组织与性能J.金属热处理,2002,27（5）:

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28-30.7黄春峰.优质H13钢的热处理工艺J.新工艺新技术新设备，1998，（5）:

37-39.20m20m20m20m（a）520（b）560（c）600（d）640图5H13钢在1050200s温水淬火后于不同温度保温2h回火的金相组织Fig.5ThemicrostructureofH13steelafterquenchingat1050for200sandtemperingfor2hatdifferenttempeature20m图6H13钢二次回火金相组织Fig.6ThemicrostructureofH13steelaftermultipletempering300m300m（a）开裂（b）脱碳图7存在热处理缺陷的组织Fig.7Themicrostructurewithheattreatmentdefect48