H13鋼是使用最廣泛和最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(chǎn)。

化學(xué)成分對(duì)H13鋼性能的影響

1、C含量與鋼的強(qiáng)度成正比關(guān)系，鋼中增加C含量將提高鋼的強(qiáng)度，對(duì)熱作模具鋼而言，會(huì)使高溫強(qiáng)度、熱態(tài)硬度和耐磨損性提高，但會(huì)導(dǎo)致其韌度的降低。

2、Cr對(duì)鋼的耐磨損性、高溫強(qiáng)度、熱態(tài)硬度、韌度和淬透性都有有利的影響；含量較高時(shí)，其回火抗力也高，同時(shí)它溶入基體中會(huì)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(huì)形成難溶于奧氏體的合金碳化物，進(jìn)而阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，起到細(xì)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(dāng)回火溫度高于500℃時(shí)，滲碳體溶解，形成細(xì)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(xiàn)二次硬化現(xiàn)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(tài)驗(yàn)收時(shí)，此狀態(tài)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(tài)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(xué)成分相同的片狀珠光體相比，強(qiáng)度、硬度較低，而塑性韌性較好。

綜上所述，對(duì)于退火狀態(tài)的H13鋼，為了后續(xù)機(jī)加工成型更容易進(jìn)行,也為了在淬火階段得到細(xì)化晶粒的奧氏體，一般要求原始組織為點(diǎn)狀或粒狀珠光體，見(jiàn)圖1。

2、熱處理強(qiáng)化

退火態(tài)的H13主要組織為珠光體，其性能還達(dá)不到模具工作的要求，必須對(duì)其進(jìn)行淬火-回火熱處理強(qiáng)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(guò)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(zhuǎn)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(guò)對(duì)企業(yè)大量的過(guò)早失效的模具進(jìn)行金相分析發(fā)現(xiàn)，奧氏體晶粒粗大是導(dǎo)致模具過(guò)早失效的重要原因之一。奧氏體晶粒的粗細(xì)直接關(guān)系到模具的使用壽命。

粗大晶粒會(huì)降低沖擊韌度，降低裂紋擴(kuò)展功、提高冷脆區(qū)域，晶粒越大，鋼淬火時(shí)開(kāi)裂和畸變傾向會(huì)越大。因此，須對(duì)奧氏體晶粒大小進(jìn)行有效控制。

鋼的原始組織和熱條件會(huì)對(duì)奧氏體晶發(fā)生影響。因此，在淬火階段，要獲得細(xì)化晶粒的奧氏體，必須嚴(yán)格控制好加熱溫度和保溫時(shí)間。

（2）回火階段

鋼材淬火后，內(nèi)部會(huì)存在較大內(nèi)應(yīng)力。而且生成的組織（淬火馬氏體、殘余奧氏體）也屬于亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，不能直接使用。后續(xù)工序回火的目的就是消除內(nèi)應(yīng)力，使亞穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定組織。

回火過(guò)程中，隨著溫度的增高，組織的變化可分為四個(gè)階段。

第一階段是70-200℃：

淬火馬氏體分解成低碳馬氏體和ε碳化物，并消除內(nèi)應(yīng)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(jìn)行：

把馬氏體和ε相轉(zhuǎn)變成鐵素體加滲碳體，隨著溫度增加發(fā)生連續(xù)軟化過(guò)程，滲碳體呈片狀析出時(shí)會(huì)表現(xiàn)出低溫脆化現(xiàn)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(kuò)散自由進(jìn)行的溫度下伴隨有溫度碳化物析出和長(zhǎng)大的變換。

此外，除Cr外，這些碳化物微粒析出時(shí)使晶格畸變，或因?yàn)槲诲e(cuò)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(guò)多的殘余奧氏體會(huì)降低淬火硬度，使用中因時(shí)效變形（轉(zhuǎn)變成馬氏體）而發(fā)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(shí)際生產(chǎn)中，采用二次回火，回火溫度通常為590℃左右，風(fēng)冷。

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

3、帶狀偏析

（1）形成機(jī)理

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

碳化物的數(shù)量、大小及分布狀態(tài)直接影響鋼材的組織與性能。由于鋼液在鑄錠結(jié)晶過(guò)程中選擇性結(jié)晶形成化學(xué)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(shí)沿變形方向被拉長(zhǎng)，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(yán)重，形成的帶狀組織也越嚴(yán)重。

（2）帶狀偏析組織的力學(xué)性能對(duì)比

選取兩個(gè)不同供應(yīng)商（A廠和B廠）材料分別各制取3個(gè)試樣進(jìn)行室溫和高溫（550℃）力學(xué)性能對(duì)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(guò)上述圖表數(shù)據(jù)對(duì)比得知：

A、1#試樣帶狀偏析最嚴(yán)重，三項(xiàng)性能均有明顯下降的趨勢(shì)。

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(chǎn)中很難避免，只能靠后續(xù)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(xiàn)溫度，長(zhǎng)時(shí)間保溫然后隨爐冷卻。以使鋼的化學(xué)成分和組織均勻化。均勻化退火的缺點(diǎn)是能耗高，易使晶粒粗大。

為細(xì)化晶粒，均勻化退火后應(yīng)進(jìn)行完全退火或正火改善。均勻化退火只能解決晶內(nèi)偏析，并不能根除帶狀組織，這是因?yàn)樵釉诠虘B(tài)下移動(dòng)的距離有限。

鍛打就是鍛造，是一種利用鍛壓機(jī)械對(duì)金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)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(xiàn)象。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的鍛后淬火后高溫回火工藝，對(duì)大碳化物以及不嚴(yán)重帶狀組織有一定的細(xì)化效果。

金華洲模具鋼總結(jié)：就鋁型材企業(yè)而言，模具的優(yōu)劣直接影響了擠壓鋁型材產(chǎn)品的質(zhì)量，而模具的質(zhì)量又與其選材息息相關(guān)。因此，對(duì)于模具加工廠，乃至鋁型材企業(yè)，模具鋼材料的質(zhì)量控制是至關(guān)重要的，它影響著模具的使用壽命、產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效益等。