阅读说明：本技术 一种提高h13钢综合力学性能的热处理工艺 (Heat treatment process for improving comprehensive mechanical property of H13 steel ) 是由 王岳峰 王天生 史新琦 孙晓文 于 2020-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提高H13钢综合力学性能的热处理工艺,属于热处理工艺技术领域,包括球化退火、正火、球化退火、等温淬火和回火五个步骤。本发明的工艺可以提高H13钢的综合力学性能,并且工艺流程简单,易于控制,有利于实现工业化生产。(The invention discloses a heat treatment process for improving comprehensive mechanical property of H13 steel, belonging to the technical field of heat treatment processes and comprising five steps of spheroidizing annealing, normalizing, spheroidizing annealing, isothermal quenching and tempering. The process can improve the comprehensive mechanical property of the H13 steel, has simple process flow and easy control, and is beneficial to realizing industrial production.)

一种提高H13钢综合力学性能的热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种热处理工艺，具体说，涉及一种提高H13钢综合力学性能的热处理工艺。

背景技术

H13钢在我国的牌号为4Cr5MoSiV1。H13钢是一种淬透性十分优异的铬系热作模具钢，其在空气中冷却的时候就可以淬火硬化。因其优良淬透性和韧性被广泛用于工业制造，但现有常规热处理的H13钢的综合力学性能相对较差，洛氏硬度52 HRC，AK_U 10 J，标准无缺口冲击试样的冲击功在300 J左右。

为提高H13钢的强度和韧性，申请号为201910602981.X的中国专利公开了一种高韧性高抗裂性热作模具钢及其制造方法，该洛氏硬度45-48 HRC，标准无缺口冲击试样的冲击功大于等于350 J，抗拉强度大于等于1350 MPa。申请号为201910216546.3的中国专利公开了一种H13模具钢及其生产方法，该标准无缺口冲击试样的冲击功大于等于280 J。

现有技术中至少存在以下技术问题：

改善后的H13钢其抗拉强度和硬度还是相对较低，韧性相对较差。为获得力学性能更加优异的H13钢，仍需对H13钢的合金含量以及处理工艺进行了一系列的调整和改善。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种提高H13钢综合力学性能的热处理工艺，提高H13钢的综合力学性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种提高H13钢综合力学性能的热处理工艺，包括以下步骤：

（1）、球化退火：将H13钢装入加热炉，随炉加热到885~895℃保温1~1.5h，随炉冷却到745~755℃保温1~1.5h，炉冷至500℃后出炉空冷；

（2）、正火：将步骤（1）热处理后的H13钢装入加热炉，随炉加热到975~985℃保温1~1.5h，随后出炉空冷；

（3）、球化退火：将步骤（2）热处理后的H13钢装入加热炉，随炉加热到885~895℃保温1~1.5h，随炉冷却到745~755℃保温1~1.5h，炉冷至500℃后出炉空冷；

（4）、等温淬火：将步骤（3）热处理后的H13钢装入加热炉，随炉加热到1020~1040℃保温20~30min，随后在盐浴炉中快冷至310~355℃保温3~5h，出炉空冷；

（5）、回火：将步骤（4）热处理后的H13钢装入加热炉，加热到555~565 ℃保温1~1.5h，出炉空冷，然后再装入加热炉中加热到575~585 ℃保温1~1.5h，出炉空冷。

本发明方法的技术路线是：H13钢经过球化退火+正火+球化退火的预备热处理后加热至1030℃奥氏体化，再放入奥氏体的马氏体开始转变点附近温度的盐浴炉中进行等温贝氏体转变，然后空冷至室温，得到纳米贝氏体组织。

本发明方法的物理冶金学原理是：H13钢原始胚料加热到Ac1以上温度保温，使得原始组织中不规则的碳化物溶入基体中，随后炉冷到Ac1以下温度保温，使碳化物进行球化。随后的正火过程中将球化退火后的H13钢加热到Ac3以上温度保温，进一步使得不规则碳化物溶入到基体中，改变碳化物形态和分布，空冷得到马氏体组织，随后再进行一次球化退火，使得H13钢基体组织中获得了细小且均匀分布的球状碳化物。随后将预备热处理的H13钢经奥氏体化保温一段时间后在盐浴炉中进行低温（奥氏体的马氏体开始转变点附近）等温淬火的过程中发生贝氏体转变，由于Si元素抑制了等温转变过程中的碳化物的析出，所以贝氏体板条间分布着薄膜奥氏体，减小贝氏体板条宽度，即形成纳米贝氏体。而纳米贝氏体的力学性能十分的优异，从而会提高H13钢的综合力学性能。

上述球化退火+正火+球化退火的预备热处理主要有两个作用：一、H13钢通过所述预处理可以降低钢材硬度，便于切削成型，为后续的热处理做准备；二、H13钢通过所述预处理后得到了球化率高、弥散分布的球状碳化物。在随后的热处理过程中球状未溶碳化物可以钉扎晶界，防止奥氏体晶粒的长大，起到细晶强化的作用。同时，弥散分布的球状碳化物可以钝化裂纹尖端，改变裂纹路径，减缓裂纹的扩展，提高钢材韧性。

纳米贝氏体钢比马氏体钢更耐回火，纳米贝氏体钢的强度和硬度对碳的固溶强化依赖性较小，贝氏体铁素体板条的厚度决定了整体强度。传统的H13钢采用淬火+两次回火的热处理工艺得到回火马氏体组织，在回火过程中，高过饱和碳原子在回火马氏体中以渗碳粒子的形式析出，同时马氏体的位错密度也会明显降低，因此回火马氏体的强度和硬度随着渗碳体的析出和位错密度的降低而急剧下降。而纳米贝氏体钢在短时间的回火时并不会显著降低硬度，因为组织中的薄膜状残余奥氏体随后分解为渗碳体和铁素体，在贝氏体铁素体板条边界处有碳化物析出，析出的碳化物钉扎在边界处防止铁素体板条的粗化和长大。由于纳米贝氏体钢的强度和硬度主要来源于贝氏体铁素体板条厚度的细小，所以钢材能够抵抗硬度和强度的损失，因此，H13钢通过所述热处理工艺处理后得到的组织会比传统淬火+两次回火的热处理工艺处理后得到的组织具有更好的回火性能，更长的服役寿命。

本发明的有益效果是：1、提高了H13钢的综合力学性能，等温淬火后的H13钢夏比U型缺口冲击功为27~40J，标准无缺口冲击功大于等于392 J，洛氏硬度51~53.6HRC，抗拉强度2002~2224MPa，延伸率10.8~16.2%；回火后的H13钢的标准夏比U型缺口冲击功为14~16J，洛氏硬度52.9~53.4 HRC，本发明热处理后的H13钢的综合力学性能均优于常规热处理的H13钢；2、工艺流程简单，易于控制，有利于实现工业化生产。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例1-6的热处理工艺图；

图2为实施例1制备的H13钢拉伸曲线；

图3为实施例2制备的H13钢拉伸曲线；

图4为实施例3制备的H13钢拉伸曲线。

具体实施方式

本发明一种提高H13钢综合力学性能的热处理工艺，包括以下步骤。

（1）、球化退火：将H13钢装入加热炉，随炉加热到885~895℃保温1~1.5h，随炉冷却到745~755℃保温1~1.5h，炉冷至500℃后出炉空冷。

（2）、正火：将步骤（1）热处理后的H13钢装入加热炉，随炉加热到975~985℃保温1~1.5h，随后出炉空冷。

（3）、球化退火：将步骤（2）热处理后的H13钢装入加热炉，随炉加热到885~895℃保温1~1.5h，随炉冷却到745~755℃保温1~1.5h，炉冷至500℃后出炉空冷。

（4）、等温淬火：将步骤（3）热处理后的H13钢装入加热炉，随炉加热到1020~1040℃保温20~30min，随后在盐浴炉中快冷至310~355℃保温3~5h，出炉空冷。

（5）、回火：将步骤（4）热处理后的H13钢装入加热炉，加热到555~565 ℃保温1~1.5h，出炉空冷，然后再装入加热炉中加热到575~585 ℃保温1~1.5h，出炉空冷。

下面结合具体实施例详细阐述本发明。

实施例1，参见附图1和2，在本实施例中。

选取H13钢，其化学成分及其质量百分含量为：C 0.450%，Cr 5.100%，Mo 1.240%，V0.860%，Si 0.800%，Mn 0.370%，Ni 0.170%，S 0.030%，P 0.017%，其余为Fe及不可避免的杂质。

（1）、球化退火：将H13钢装入加热炉，以200℃/h的速度加热到500-600℃保温1h，再以200℃/h的速度加热到890℃保温1.5h，随炉冷却到750℃保温1.5h，炉冷至500℃后出炉空冷。

（2） 正火：将步骤（1）热处理后的H13钢装入加热炉，以200℃/h的速度加热到600-650℃保温1h，再以200℃/h的速度加热到980℃保温1.5h，随后出炉空冷。

（3） 球化退火：将步骤（2）热处理后的H13钢装入加热炉，以200℃/h的速度加热到500-600℃保温1h，再以200℃/h的速度加热到890℃保温1.5h，随炉冷却到750℃保温1.5h，炉冷至500℃后出炉空冷。

（4） 等温淬火：将步骤（3）热处理后的H13钢（本发明所用尺寸为11mm×11 mm×56mm）装入加热炉，加热到1030℃保温20min，随后在盐浴炉中快冷至310℃保温3h，出炉空冷。

对本实施例所制得试样按照ASTM金属材料拉伸试验方法E8-09标准进行微拉伸试验，其应力-应变曲线如图2所示。试样的AKU为40J，标准无缺口冲击功大于500 J，洛氏硬度51HRC，抗拉强度2002MPa，延伸率16.2%。

上述结果表明：经本实施例处理后的H13钢的综合力学性能较好。具有高强度、高韧性、高塑性的特点。

实施例2，参见附图1和3，在本实施例中。

选取H13钢，其化学成分及其质量百分含量为：C 0.450%，Cr 5.100%，Mo 1.240%，V0.860%，Si 0.800%，Mn 0.370%，Ni 0.170%，S 0.030%，P 0.017%，其余为Fe及不可避免的杂质。

（1）、球化退火：将H13钢装入加热炉，以200℃/h的速度加热到500-600℃保温1h，再以200℃/h的速度加热到890℃保温1.5h，随炉冷却到750℃保温1.5h，炉冷至500℃后出炉空冷。

（2） 正火：将步骤（1）热处理后的H13钢装入加热炉，以200℃/h的速度加热到600-650℃保温1h，再以200℃/h的速度加热到980℃保温1.5h，随后出炉空冷。

（3） 球化退火：将步骤（2）热处理后的H13钢装入加热炉，以200℃/h的速度加热到500-600℃保温1h，再以200℃/h的速度加热到890℃保温1.5h，随炉冷却到750℃保温1.5h，炉冷至500℃后出炉空冷。

（4） 等温淬火：将步骤（3）热处理后的H13钢（本发明所用尺寸为11mm×11 mm×56mm）装入加热炉，加热到1030℃保温20min，随后在盐浴炉中快冷至345℃保温5h，出炉空冷。

对本实施例所制得试样按照ASTM金属材料拉伸试验方法E8-09标准进行微拉伸试验，其应力-应变曲线如图3所示。试样的AKU为21 J，标准无缺口冲击功370 J，洛氏硬度52.3HRC，抗拉强度2143MPa，延伸率8.6%。

上述结果表明：经本实施例处理后的H13钢的综合力学性能较好。具有高强度、高韧性、高塑性的特点。

实施例3，参见附图1和4，在本实施例中。

选取H13钢，其化学成分及其质量百分含量为：C 0.450%，Cr 5.100%，Mo 1.240%，V0.860%，Si 0.800%，Mn 0.370%，Ni 0.170%，S 0.030%，P 0.017%，其余为Fe及不可避免的杂质。

（1）、球化退火：将H13钢装入加热炉，以200℃/h的速度加热到500-600℃保温1h，再以200℃/h的速度加热到890℃保温1.5h，随炉冷却到750℃保温1.5h，炉冷至500℃后出炉空冷。

（2） 正火：将步骤（1）热处理后的的H13钢装入加热炉，以200℃/h的速度加热到600-650℃保温1h，再以200℃/h的速度加热到980℃保温1.5h，随后出炉空冷。

（3） 球化退火：将步骤（2）热处理后的H13钢装入加热炉，以200℃/h的速度加热到500-600℃保温1h，再以200℃/h的速度加热到890℃保温1.5h，随炉冷却到750℃保温1.5h，炉冷至500℃后出炉空冷。

（4） 等温淬火：将步骤（3）热处理后的H13钢（本发明所用尺寸为11mm×11 mm×56mm）装入加热炉，加热到1030℃保温20min，随后在盐浴炉中快冷至355℃保温3h，出炉空冷。

对本实施例所制得试样按照ASTM金属材料拉伸试验方法E8-09标准进行微拉伸试验，其应力-应变曲线如图4所示。试样的AKU为27J，标准无缺口冲击功392 J，洛氏硬度53.6HRC，抗拉强度2224MPa，延伸率10.8%。

上述结果表明：经本实施例处理后的H13钢的综合力学性能较好。具有高强度、高韧性、高塑性的特点。

实施例4，参见附图1，与实施例1不同的是：增加了步骤（5）、回火：将步骤（4）热处理后的H13钢装入加热炉，加热到560 ℃保温1h，出炉空冷，然后再装入加热炉加热到580℃保温1h，出炉空冷。

对本实施例所制得试样AKU为14 J，洛氏硬度53.4 HRC。

上述结果表明：经本实施例处理后的H13钢的综合力学性能较好。具有高硬度、高韧性的特点。

实施例5，参见附图1，与实施例2不同的是：增加了步骤（5）、回火：将步骤（4）热处理后的H13钢装入加热炉，加热到560 ℃保温1h，出炉空冷，然后再装入加热炉加热到580℃保温1h，出炉空冷。

对本实施例所制得试样AKU为14J，洛氏硬度53.2HRC。

上述结果表明：经本实施例处理后的H13钢的综合力学性能较好。具有高硬度、高韧性的特点。

实施例6，参见附图1，与实施例3不同的是：增加了步骤（5）、回火：将步骤（4）热处理后的H13钢装入加热炉，加热到560 ℃保温1h，出炉空冷，然后再装入加热炉加热到580℃保温1h，出炉空冷。

对本实施例所制得试样AKU为16J，洛氏硬度52.9HRC。

上述结果表明：经本实施例处理后的H13钢的综合力学性能较好。具有高硬度、高韧性的特点。

实施例与常规例的力学性能对比如下表所示。

从上表可以看出，采用本发明的热处理方法处理后H13模具钢的抗拉强度、冲击韧性和硬度明显优于常规例中的H13钢。以上结果表明：经本实施例处理后的H13钢的综合力学性能较好。具有高强度、高韧性、高塑性的特点。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。