模具钢材H13的微合金化应用

目前，国内外改进型H13钢的合金化思路包括：①提高Mn含量；②降低Si含量提高Mo含量，如ASSAB公司的Dievar；③ 高碳高硅、低Cr、高Mo，如Uddeholm公司的HOTVAR专利钢；④加入微合金元素Nb、Ti等。其中低Si高Mo的合金化途径与加Nb合金化的方法是当前H13钢成分设计上的两种趋势。

㈠低Si高Mo合金化

⒈对于Si含量降低的作用有：(1)“∨”形或“∧”形偏析减轻；(2)宏观组织均匀化；(3)微观凝固组织的树枝晶细化；(4)减少凝固时凝固界面上的成分过冷；(5)共晶碳化物的减少；(6)奥氏体晶粒细化；(7)塑性和韧度提高；(8)高温疲劳裂纹扩展速度减小；(9)蠕变裂纹扩展速度降低；(10)淬火冷却抑制贝氏体转变；(1】)抗热裂性提高。但Si含量降低带来的不足是切削性能降低。

⒉对于高Mo的优点有：(1)提高淬透性，抑制晶界碳化物的析出和贝氏体转变；(2)提高回火抗力；(3)提高高温强度和高温蠕变强度；(4)提高抗热裂能力；(5)提高韧度；(6)共晶碳化物细化和碳化物分布均匀。关于抑制贝氏体转变有资料报道：对610mm×203mmX 500mm的H13模块经3bar氮气气淬后心部和表面的贝氏体量分别达70%和40%，而对低Si高Mo的SKD61钢相应仅有2％和1%，这对模具使用寿命的提高十分有利。

⒊闵永安，吴晓春等学者在热作模具钢H13的基础上降低Si、V含量，提高Mo含量，研制了新钢种SDH8。通过对比试验对SDH8和H13进行了研究。结果表明，经同样的熔炼及常规热处理，室温时SDH8钢的硬度和冲击韧性都高于H13钢，而在中低温淬火后差值更大，且此时SDH8钢的热稳定性也明显高于H13钢，在相同热处理条件下SDH8钢的硬度明显

比H13钢高，并显示出比H13钢优越的热稳定性。

㈡添加Nb合金化

在H13钢中加入Nb的作用：铌的碳化物(和碳氮化合物)具有很高的高温稳定性，Nb相对于V更易形成稳定、细小的MC型碳化物，要达到相同的强化效果，用Nb量仅需V的1／2 。此外，由于Nb形成的MC型碳化物更为稳定细小，因而有助于提高奥氏体化温度，并阻止奥氏体晶粒长大。较高的奥氏体化温度可将部分粗大的碳化物充分溶解，使马氏体中碳和合金元素含量增加，提高淬火硬度；同时，淬火温度的提高有助于回火时弥散碳化物的析出，增加二次硬化效果，进一步提高强韧性、回火稳定性和热疲劳抗力。李麟、吴晓春等学者在H13钢合金成分设计中添加了0.01的铌，研究表明，其力学性能没有明显改善，但其热稳定性、回火稳定性及抗高温氧化性能有一定提高。同时发现，在H13钢中添加微量的铌可阻碍热疲劳裂纹的扩展，提高热疲劳抗力，显著改善H13钢的热疲劳性能。

模具钢材H13的表面处理工艺

㈠表面低温化学热处理

常用工艺有软氮化、三元共渗及多元共渗等。

⒈N—C共渗(软氮化)

模具钢材H13中有较多的Cr、Mo等元素，软氮化时能在表层生成稳定的C、N化合物并弥散分布，有利于提高H13钢热作模具的耐蚀性、抗粘结性及抗热疲劳性能，此外，这种化合物韧性好且耐磨，可减少模具表面的磨损。离子氮化时渗氮化合物中e相韧性低，膨胀系数大，对热疲劳性能产生不利影响，软氮化则能避免此缺点。

⒉N—C共渗

N-C共渗由于时间短，效果好，工艺较成熟而应用广泛。实践证明，H13钢盐浴法S、N、C共渗较适宜的温度为570℃ ，时间为3 h，表面硬度> 950 HV，渗层致密，抗粘结性、耐蚀性及抗热疲劳性能均较好_2 。H13钢在S-N—C共渗时，若加入适量稀土，可使渗层硬度提高，厚度增加，组织更加致密。

⒊多元共渗

比较典型的多元共渗工艺为C、N、O、S、B五元共渗。H13钢经五元共渗后，在工件表面形成硼化物、碳化物和氮化物，起弥散强化作用，使工件表层的硬度明显提高，扩散层则渗入了氮和碳，硬度有所提高。对比试验表明，五元共渗的硬化效果比气体渗氮和S、C、N三元共渗都好，虽然热疲劳裂纹起源较早，但不向纵深扩展，因而改善了热疲劳抗力。广东某公司为多家铝型材厂生产处理热挤压模具，挤压模多采用H13钢制造，早先使用普通渗氮工艺，效果不尽人意，后改用C、N、O、S、B多元共渗，模具的耐磨性、热疲劳抗力等性能均得到大幅度提高，使用寿命提高5～6倍，取得了良好的技术经济效益 。

㈡高能束表面处理

高能束处理特点：加热速度快，加热面积可根据需要选择，工件变形小，不需要冷却介质，处理环境清洁。

⒈激光表面处理

H13钢常规热处理后硬度为44HRC，经激光淬火，由于得到以超细化高密度位错型马氏体为主的组织，以及激光加热后自回火过程中析出弥散碳化物，使得淬硬层硬度、抗回火稳定性、耐磨性及抗蚀性均显著提高，表面硬度高达62HRC。激光熔覆技术通过在模具表面覆盖一层熔覆材料，以改善表面性能 。在H13钢表面熔覆一层Co基合金(> 40%Co+多量Cr、Ni等元素)，可得到比H13钢好得多的高温硬度、热疲劳抗力及抗循环软化能力。

⒉高能束表面合金化

对于H13钢模具，尤其铝合金压铸模，可以先在电弧离子镀设备上沉积一层铝膜，然后采用电子束辐照处理技术，在真空条件下对模具表面进行15次轰击处理，使在模具表面产生约10μm左右的致密氧化膜。这样可有效地改善模具表面的抗氧化能力、热疲劳抗力、耐磨性等性能。

㈢复合处理

Rodriguez—BaracaldoR等人一 对H13钢进行了两种表面改性处理，一种是在基体上直接PVD沉积TiMN涂层，另一种则先在基体上进行气体氮化处理，然后进行PVD沉积TiAIN涂层，形成复合层。研究表明：复合层的耐磨性能最好，单一氮化物涂层的耐磨性能较单一TiA1N涂层好，前者比后者约高5倍左右。

Sang Yul Lee对模具钢材H13先进行等离子氮化处理，然后进行非平衡磁控溅射，制备了3种复合涂层：TiN、CrN、TiN／CrN。研究表明：TiN ／CrN复合涂层的硬度最高，为36GPa；TiN为26GPa；CrN为22GPa。同时，TiN／CrN复合涂层的粘附性能、550℃时的冲击性能均较其它两种复合涂层好。

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