H13钢材(4Cr5MoSiV1)的标准、成分与热处理

H13 钢材属于热作模具钢。其执行标准为 GB/T1299-2000。它的统一数字代号是 A20502，牌号为 4Cr5MoSiV1。合金工具钢又称为合工钢，是在碳工钢的基础上添加合金元素而形成的钢种。

化学成分

单位(%)

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;

热处理

淬火:790度+-15度预热

1000度(盐浴)或1010度(炉控气氛)+-6度加热

保温5~15min空冷

550度+-6度回火退火、热加工;

塑胶模具能够处理到 HRC48 至 52 度，而压铸模具处理到 HRC42 至 46 度是比较好的

热处理工艺

市场上供应的 H13 钢钢材和模坯，在钢厂已做好退火热处理。这保证了其具有良好的金相组织、适当的硬度以及良好的加工性，所以无需再进行退火。然而，制造厂进行改锻后，破坏了原来的组织和性能，还增加了锻造应力，因此必须进行重新退火。

等温球化退火工艺如下：首先将其加热到 860 至 890℃并保温 2 小时；接着降温至 740 至 760℃并等温 4 小时；最后炉冷至 500℃左右后出炉。

对于要求以热硬性为主的模具，其淬火工艺规范为：加热温度在 1050 到 1080℃之间，采用油冷的冷却方式，硬度为 56 到 58HRC。

推荐的回火温度为 530℃至 560℃，此时硬度在 48HRC 至 52HRC 之间；回火温度处于 560℃至 580℃；硬度为 47HRC 至 49HRC。

回火需要进行两次。当在 500℃进行回火时，会出现回火二次硬化峰，此时回火硬度达到最高，峰值大约在 55HRC 左右，然而韧性却是最差的。所以，回火工艺最好避开 500℃左右的温度。依据模具的使用需求，在 540℃到 620℃这个范围内进行回火是比较好的。

淬火加热需要进行两次预热。一次预热的温度范围是 600 到 650℃，另一次预热的温度范围是 800 到 850℃。这样做是为了减少在加热过程中产生热应力。

H13 钢进行化学热处理时，若进行气体渗氮或氮碳共渗，能够使模具进一步强化。不过，其氮化温度不应高于回火温度，这样才能保证心部强度不会降低，进而提高模具的使用寿命。

特性

电渣重容钢，这种钢具备高的淬透性以及抗热裂的能力。它含有较高含量的碳和钒，所以耐磨性较好，不过韧性相对有所减弱。该钢具有良好的耐热性，在较高温度时能展现出较好的强度和硬度，同时具备高的耐磨性与韧性，拥有优良的综合力学性能以及较高的抗回火稳定性。

用途

用于制造锻模，这种锻模需承受大的冲击载荷；用于制造热挤压模；用于制造精锻模；用于制造铝的压铸模；用于制造铜的压铸模；用于制造铜及其合金的压铸模。

硬度分析

钢中含碳量会对淬火钢的基体硬度产生决定作用。通过钢中含碳量与淬火钢硬度的关系曲线能够得知，H13 钢的淬火硬度大约在 55HRC 左右。对于工具钢来说，钢中的一部分碳会进入钢的基体，从而引起固溶强化。还有一部分碳会与合金元素中的碳化物形成元素相结合，形成合金碳化物。对于热作模具钢而言，这种合金碳化物除了有少量残留的情况外，还需要在回火过程中于淬火马氏体基体上弥散析出，以产生两次硬化现象。这样一来，热作模具钢的性能就由均匀分布的残留合金碳化合物和回火马氏体的组织所决定。由此可以看出，钢中的含 C 量不能过低。

化学成分分析

H13 钢属于 C-Cr-Mo-Si-V 型钢。这种钢在世界范围内的应用十分广泛。并且，各国的许多学者都对它进行了广泛的研究。他们还在探究如何改进其化学成分。

钢的应用广泛且具有优良特性，这主要是由钢的化学成分所决定的。同时，钢中的杂质元素必须降低。有资料显示，当 Rm 为 1550MPa 时，如果材料的含硫量从 0.005%降低到 0.003%，那么冲击韧度会提高约 13J。十分明显，NADCA 207 - 2003 标准规定：优级 H13 钢的含硫量要小于 0.005%。同时，超级 H13 钢的含硫量应小于 0.003%，含磷量应小于 0.015%。

美国 AISI H13 钢的含碳量规定为(0.32~0.45)%；UNS T20813 钢的含碳量规定为(0.32~0.45)%；ASTM(最新版)的 H13 钢的含碳量规定为(0.32~0.45)%；FED QQ-T-570 的 H13 钢的含碳量规定为(0.32~0.45)%。这几种 H13 钢的含碳量范围都是(0.32~0.45)%，是所有 H13 钢中含碳量范围最宽的。德国 X40CrMoV5 - 1 的含碳量在(0.37 - 0.43)%之间，含碳量范围较窄；德国 1.2344 的含碳量也在(0.37 - 0.43)%之间，含碳量范围较窄；德国 DIN17350 中的 X38CrMoV5 - 1 含碳量为(0.36 - 0.42)%；日本 SKD 61 的含碳量为(0.32 - 0.42)%。我国 GB/T 1299 中的 4Cr5MoSiV1 含碳量为 0.32%至 0.42%，YB/T 094 中的 4Cr5MoSiV1 含碳量为 0.32%至 0.45%，这两个含碳量分别与 SKD61 和 AISI H13 的含碳量相同。特别要指出的是：在北美压铸协会 NADCA 的 207 - 90、207 - 97 和 207 - 2003 标准里，H13 钢的含碳量都被规定为（0.37~0.42）%。含 5%Cr 的 H13 钢需要有高的韧度，所以其含 C 量应该保持在能够形成少量合金碳化物的水平上。

大家都知道，钢里面碳含量增加的话，钢的强度就会提高。对于热作模具钢来说，能让高温强度、热态硬度以及耐磨损性提高，不过却会让它的韧度降低。学者在工具钢产品手册文献中，通过对各类 H 型钢性能的比较，很明显地证明了这个观点。一般认为，会使钢的塑性和韧度降低的含碳量界限是 0.4%。为此要求人们在进行钢合金化设计时遵循以下原则：要在保持强度的前提下，尽可能降低钢的含碳量。有资料提出：当钢的抗拉强度达到 1550MPa 以上时，含 C 量在 0.3% - 0.4%较为适宜。关于 H13 钢的强度 Rm，有文献介绍其在 46HRC 时为 1503.1MPa，在 51HRC 时为 1937.5MPa。

对于热作模具钢有更高强度的要求时，所采用的方法是在 H13 钢成分的基础上提高 Mo 含量，或者提高含碳量。后面还会对这些内容进行论述。当然，韧度和塑性会略有降低，这是可以预料到的。

铬是合金工具钢中较为普遍含有的一种合金元素，且价格较为低廉。在美国的 H 型热作模具钢里，含 Cr 的量处于 2%到 12%这个范围。在我国的合金工具钢（GB/T1299）的 37 个钢号当中，除了 8CrSi 和 9Mn2V 之外，其余的钢号都含有 Cr。铬对钢的耐磨损性有有利影响，对高温强度有有利影响，对热态硬度有有利影响，对韧度有有利影响，对淬透性有有利影响。同时，铬溶入基体中能显著改善钢的耐蚀性能。在 H13 钢中，含 Cr 和 Si 会使氧化膜致密，从而提高钢的抗氧化性。另外，以 Cr 对 0.3C - 1Mn 钢回火性能的作用来分析，加入 6%的钢淬火后在 550℃回火会出现二次硬化效应。人们对热作钢模具钢一般选5%铬的加入量。

工具钢中的铬，有一部分会溶入钢中，起到固溶强化的作用。另外一部分会与碳结合，依据含铬量的高低，以(FeCr)3C、(FeCr)7C3 和 M23C6 的形式存在，以此来对钢的性能产生影响。另外要考虑合金元素的交互作用影响。比如，当钢中含有铬、钼和钒时，且铬含量大于 3%[14]，此时铬能够阻止 V4C3 的生成并推迟 Mo2C 的共格析出。V4C3 和 Mo2C 是能够提高钢材高温强度和抗回火性的强化相[14]。这种交互作用能够提高该钢的耐热变形性能。

铬能够溶入钢的奥氏体当中，从而增加钢的淬透性。Cr 这种元素是这样，Mn、Mo、Si、Ni 这些元素也和 Cr 一样，它们都是能够增加钢淬透性的合金元素。人们习惯用淬透性因子来进行表征。一般来说，国内现有的资料[15]仅仅应用了 Grossmann 等的资料。后来，Moser 和 Legat[16,22]做了更进一步的工作，他们提出由含 C 量和奥氏体晶粒度决定基本淬透性直径 Dic，以及由合金元素含量确定淬透性因子（示于图 3 中），以此来计算合金钢的理想临界直径 Di。同时，也可以通过以下式子进行近似计算：Di = Dic×2.21Mn×1.40Si×2.13Cr×3.275Mo×1.47Ni 。在（1）式中，各合金元素是以质量百分数来表示的。人们通过该式，对 Ni 元素影响钢淬透性有相当明确的半定量了解。

Cr 对钢共析点有影响，它与 Mn 的影响大致相似。当含铬量约为 5%时，共析点的含 C 量会降到 0.5%左右。此外，Si、W、Mo、V、Ti 的加入会更显著地降低共析点的含 C 量。由此可知：热作模具钢如同高速钢一样属于过共析钢。共析含 C 量降低后，会增加奥氏体化后组织以及最后组织中的合金碳化物含量。

钢中合金 C 化物的行为和其自身的稳定性存在关联。实际上，合金 C 化物的结构以及稳定性与相应 C 化物形成元素的 d 电子壳层的电子欠缺程度有关，同时也与 S 电子壳层的电子欠缺程度相关。电子欠缺程度下降时，金属原子半径会减小。同时，碳和金属元素的原子半径比 rc/rm 会增加。合金 C 化物会从间隙相向间隙化合物发生变化，其稳定性减弱，相应的熔化温度和在 A 中的溶解温度降低，生成自由能的绝对值减小，相应的硬度值也下降。VC 碳化物具有面心立方点阵，其稳定性较高。约在 900 到 950℃的温度范围内开始溶解。在 1100℃以上开始大量溶解，溶解终结温度为 1413℃。它在 500 到 700℃的回火过程中会析出，并且不易聚集长大，能够作为钢中的强化相。中等碳化物形成元素 W 和 Mo 能形成 M2C 和 MC 碳化物。这些碳化物具有密排点阵和简单六方点阵。它们的稳定性相对差一些。同时，它们具有较高的硬度、熔点和溶解温度。所以，它们仍可作为在 500 到 650℃范围使用的钢的强化相。M23C6（例如 Cr23C6 等）具备复杂立方点阵。它的稳定性较差，结合强度较弱。其熔点和溶解温度较低，在 1090℃时会溶入 A 中。只有在少数耐热钢中经过综合合金化后，它才会有较高的稳定性，比如 (CrFeMoW)23C6，这种物质可作为强化相。M7C3 具有复杂六方结构，像 Cr7C3、Fe4Cr3C3 或 Fe2Cr5C3 等。这种结构的稳定性较差，它与 Fe3C 类碳化物类似，很容易溶解和析出，并且聚集长大速度较大，一般不能用作高温强化相。