H13热作模具钢的热处理
测定了H13钢的临界点和退火用TTT曲线，研究了热处理工艺对H13组织和性能的影响，试验结果表明，H13钢在840～860 ℃退火，软化效果{zh0}，在1 020～1 040 ℃加热淬火，580～600 ℃回火，可满足热作模具钢的硬度要求。
关键词　H13钢　热处理　硬度
Heat Treatment of Hotworking Die Steel H13
Li Wenxue, Wang Yufeng and Liu Zongchang
(Baotou Iron and Steel Institute, Baotou 014010)
Abstract　The effect of heat treatment process on structure and hardness of steel H13 has been studied by determined critical point and time temperature transformation (TTT) curves of steel H13 for annealing. The results show that the optimum annealing temperature region is 840～860　℃ and the 1 020～1 040 ℃ quenching with 580～600 ℃ tempering is available to get the requirement hardness for steel H13.
Material Index　Steel H13, Heat Treatment, Hardness
　　H13钢是美国热作模具钢，钢锭经锻造后，先进行软化退火，加工成各种热变形模具，再经淬火、回火处理，获得HRC47～51的硬度，可满足热作模具钢的性能要求。本文对H13钢的热处理工艺及组织进行了研究。
1　试验用钢及试验方法
　　试验用钢采用抚顺特殊钢有限公司冶炼、锻造的H13钢，其化学成分(%)为：0.34 C，0.91 Si, 0.39 Mn,1.34 Mo, 5.11 Cr, 0.91 V。
　　将试验用钢加工成Φ3 mm×10 mm的膨胀试样，用日本产Formastor-Digital全自动相变测量仪，测定了该钢的临界点和退火用TTT曲线，并与淬火用TTT曲线进行了比较。进行退火、淬火、回火工艺试验，用扫描电镜和X射线衍射仪观察其组织确定退火钢中碳化物类型及大小，测定了不同热处理后试样的硬度。
2　试验结果及分析
2.1　试验用钢的临界点和退火用TTT曲线
　　利用日本产Formastor-Digital全自动相变测量仪，测得了该钢的临界点为：
　　Ac1 835 ℃，Ac3 895 ℃，Ar1 770 ℃，Ms304 ℃。
　　国外资料介绍了H13钢经1 010 ℃奥氏体化后的TTT曲线［1］，这个奥氏体化温度相当于用该钢制造的模具淬火加热温度，在此温度下，较多的碳化物溶入了奥氏体，使奥氏体中合金元素Cr、Mo、V以及C的含量大大提高，奥氏体的稳定性增加。从资料介绍情况看出，淬火用TTT曲线中珠光体的“鼻子”温度约为720 ℃，转变开始的时间约为20 min，终了时间约为3 h。如此高的奥氏体化温度不适用球化退火。因为，奥氏体化温度越高，奥氏体中碳及合金元素量越多，奥氏体的稳定性越高，越不利于获得较低的退火硬度，而且实际退火时间延长，不利于生产率的提高。所以要测定、研究H13钢退火用TTT曲线。本文将奥氏体化温度定为880 ℃，测定的H13钢退火用TTT曲线如图1所示。

图1　H13钢退火用TTT曲线
Fig.1　Time temperature transformation diagram of steel H13 for annealing
　　由图1可见，H13钢退火用TTT曲线属于两个“鼻子”的类型。因为这种钢中含有较多的Cr、Mo、V，这些元素在加热时溶入奥氏体，可推迟过冷奥氏体的分解［2］。同时，它们还影响过冷奥氏体的分解温度，使珠光体转变区移向较高温度，使贝氏体转变温度下降，出现了一个处于　中间部位的过冷奥氏体稳定区。退火用TTT曲线中珠光体转变的“鼻子”温度约为750 ℃，时间为30 s，终了时间为250 s,有利于退火软化钢材。
　　测定的H13钢临界点和退火用TTT曲线，为球化退火工艺的制订提供了依据。
2.2　退火工艺及碳化物类型尺寸
　　根据测定H13钢的临界点和退火用TTT曲线，制订退火工艺，软化效果较好的工艺见表1。
表1　　H13钢推火工艺及硬度/HB
Table 1　Annealing technology and hardness of steel H13/HB
温度
/℃    冷却速率/℃.h-1
    10～15    20～30    507
840    183    -    190
850    174    187    197
860    168    197    -
　　采用表1所示的退火工艺，所得组织为在铁素体基体上分布着粒状碳化物，如图2所示。利用X射线衍射仪测定碳化物类型为Fe3C、VC、Cr7C3、Cr23C6。利用扫描电镜测定碳化物颗粒尺寸为141~490nm，其中小颗粒为钒的碳化物，大颗粒为铬的碳化物。

图2　H13钢860 ℃加热，20 ℃/h冷却组织，×3 000
Fig.2　Microstructure of steel H13, heating at 860\C, 20\C/h cooling, ×3 000
　　模具钢退火软化是为了有利于切削加工和模具成型，在退火工艺上，加热温度应选在 Ac1稍上。H13钢的Ac1 835 ℃，退火温度为840～860 ℃。在此温度时，奥氏体的成分不均匀，保留较多的未溶碳化物，碳及合金元素的量少，过冷奥氏体的稳定性差。退火冷却速度应小于50 ℃/h，在较慢的冷速下，过冷奥氏体以未溶碳化物为核心，转变成粒状珠光体。冷速愈慢，碳化物粒子有机会聚集长大，粒子间距增大，钢的硬度愈低。
2.3　淬火回火工艺试验
　　热作模具在较高温度下工作，承受很大压力和磨损。要求有较高的硬度(HRC 46～50)，良好的耐磨性以及耐热性等。H13钢含有较多的Cr、Mo、V,可满足耐热性要求。对H13钢进行了不同工艺的淬火、回火处理，结果如图3、图4所示。

图3　淬火温度对H13钢硬度的影响
Fig.3　Effect of quenching temperature on hardness of steel H13
　　从图3可以看出，随淬火温度的升高，H13钢淬火后硬度升高。H13钢退火组织中存在大量碳化物，有Fe3C,VC,Cr7C3,Cr23C6,这些碳化物在淬火加热时，随加热温度的升高，逐渐溶入奥氏体，使奥氏体中的碳及合金元素的量增加，淬火后钢的硬度增加。在1050 ℃加热时，仍有部分钒和铬的碳化物未溶入奥氏体，淬火组织为马氏体加未溶碳化物。
　
图4　回火温度对H13钢硬度的影响 (1 040 ℃淬火)
Fig.4 Effect of tempering temperature on hardness of steel h13
　　从图4看出，在正常淬火温度下淬火后，随回火温度的升高，硬度开始下降，但下降到一定程度后硬度又开始上升，约在520 ℃左右回火时，硬度达{zg}值，之后再随回火温度的升高，硬度又开始下降。因为随回火温度的升高，马氏体中析出碳化物，马氏体中含碳量下降，钢的硬度下降。当回火温度升高到一定温度时，从马氏体中析出了特殊碳化物，造成“二次硬化”，使
硬度再次升高。回火后的组织为回火马氏体加碳化物。