H13模具钢铸造工艺研究及热处理手段

H13钢是美国牌号，相当于我国的4Cr5MoSiV1钢，是5%Cr系中的中碳中合金热作模具钢，已大量用于热锻模具。该钢具有优异的韧性和良好的冷热疲劳性能，在600℃工作条件下的机械性能与室温下的机械性能基本相同，适用于制造工作温度在600℃以下，对韧性和塑性要求较高的模具。

用H13钢替代5CrNiMo、5CrMnMo制造汽车连杆、曲轴的锻模，模具使用寿命有明显提高，用该钢制造的铝合金压铸模具和铝型材挤压模具的使用寿命也较高。另外，该钢还可以作塑料模具。目前，该钢的优良性能已在国内得到了广泛认可，用量已呈上升趋势。但是，H13钢的锻造工艺性能差，其锻造温度范围很窄，只有150-200℃。由于该钢硬而脆，锻造时极易产生裂纹。如果锻造工艺安排不当，就会产生废品。目前我国锻造此钢的经验很少，为此经我公司有关工程技术人员集体讨论研究，制定了一套最佳的锻造工艺方案。尽量减少裂纹产生的可能性，从而降低废品率。

H13钢的化学成分如下：%

C：0.32～0.45，Si：0.80～1.20，Mn：0.20～0.50，Cr：4.75～5.50，Mo：1.10～1.75，V：0.80～1.20，p≤0.030，S≤0.030；

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H13钢锻造工艺研究

从H13化学成分可以看出，它含有较高的铬、钼和钒。它的铬含量是其它常用模具钢如5CrNiMo、5CrMnMo铬含量的4-5倍，它的钼含量也是5CrNiMo、5CrMnMo钼含量的4-5倍，H13钢的钒含量是常用模具钢如3Cr2W8V钒含量的3-4倍。根据有关资料介绍，当钼含量低于0.6%时，钢的强度和硬度随钼含量的增加而增加，钢的塑性也随钼含量的增加而上升，但当钼含量高于0.6%时，钢的强度和硬度随钼含量的增加而增加，而钢的塑性开始随钼含量的增加而下降。在一般合金钢中，钒的含量一般不高于0.3%，若钒含量越高，则钢的强度、硬度越高，变形抗力越大。因此，该钢变形困难，并且在锻造过程中极易产生裂纹。

一、锻H13钢产生裂纹的原因有以下几种情况

1、坯料装炉温度过高

该钢的导热性能差。如果炉温过高，坯料装炉后，坯料表面与心部温差大，造成内应力过大产生裂纹。

2、加热温度过高

当加热温度高于1150℃时，坯料的晶粒易粗大，锻造时，受打击部位由于打击效应而温度升高，造成局部晶粒粗大加剧而产生裂纹。

3、终锻温度过低

当锻造温度低于900℃时，此钢的变形抗力增大，因该钢硬而脆，强行打击易产生裂纹。

4、打击效应 

在镦粗时，如果L＜D＜2L（其中D为坯料直径，L为上砧宽度），则坯料心部受打击时间长，由于打击效应，坯料心部温度升高，心部与其四周的温差增大，造成内应力过大而在坯料心部产生弧形裂纹。

5、棱角裂纹

锻造时，由于坯料棱角处温度降低快，使其变形抗力增大，易在棱角周围产生裂纹。

6、锻后冷却不当

二、锻H13钢产生提高锻件的成品率应该怎么做 

锻造后，如果锻件冷却速度过快，锻件的表面和心部产生的温差大，由于锻造后组织应力和温度应力叠加，造成内应力过大而产生裂纹。 

为此，在锻造工艺上，针对裂纹产生的各种可能性，我们分别采取相应的措施，避免裂纹的产生，提高锻件的成品率。

1、低温装炉

装炉时，炉温要低于500℃。冬季准备加热的钢锭要提前48小时运至室内，待其温度达到室温后方可装炉。

2、严格控制加热温度

用高温测温仪控制，确保加热温度不超过顶温1150℃。

3、严格控制锻造温度

用高温测温仪控制锻造温度在900-1100℃范围内。在此区间内，该钢的塑性较好。若坯料温度低于900℃，要及时返炉加热，适当增加锻造火次。

4、勤翻转

锻造时，对坯料要勤翻转，避免局部受打击时间过长，产生打击效应。

5、勤倒棱

锻造时，对坯料要勤倒棱，尽量减少棱角的数量。

6、锻后缓冷

锻后对锻件采取灰冷的方式进行缓慢冷却。

三、H13模具钢热处理

H13模具钢有较高的韧性、淬透性和耐冷热疲劳性能，不易产生热疲劳裂纹。这些特点也是由H13热处理工艺决定的。

1、退火工艺

H13模具钢属于共析钢，采用常规退火或等温球化退火。H13模具钢的退火工艺为:850～900℃×3～4h，保温结束后随炉冷到500℃以下出炉空冷;等温球化退火艺:845～900℃×2～4h/炉冷+700～740℃×3～4h炉冷，≤40℃/h，≤500℃出炉空冷。H13模具钢经退火处理后，适宜的组织由球状珠光体和少量粒状碳化物组成，要求热处理硬度达到HB192～229，可以获得较好的加工性能。对于质量要求较高的H13钢模具，还应进行防止白点退火。

2、淬火工艺

H13模具钢的淬火回火工艺可以采用盐浴炉、真空炉和流动粒子炉加热，模具表面光洁，热处理变形小，零件寿命长。特别是外热式刚玉流动粒子炉保护加热，吸收了盐浴炉和真空炉加热的共同优点，很适合热作模具钢的热处理加热。

H13模具钢采用盐浴炉作为加热设备时的通用淬火工艺是:400～500℃预热，650～840℃预热，1020～1050℃奥氏体化，保温结束后可视使用性能要求采用空淬、油淬、气淬或分级淬火，分级温度可取500～540℃。

3、回火工艺

H13模具钢淬火后应进行2～3次回火，以期获得所要求的力学性能。淬火后的模具温度在低于70℃时就应尽快回火，这对尺寸较大、形状复杂的热作模具尤为重要。同时，为避免热作模具回火时重新产生残余应力，回火加热和冷却应缓慢进行。

H13模具钢的回火工艺应根据热作模具的工作条件和具体的失效形态来确定回火温度和硬度。一般优质H13模具钢大都采用540～650℃×3h高温回火，以提高模具的韧性和减少残余奥氏体(Ar)在模具钢中发生转变而引起脆性。