摘要
传统模具材料H13钢存在硬度不足、使用寿命短等问题，某企业开发了H13E钢，H13E钢是在原有H13钢基础上对其中的合金元素成分进行了适当调控而达到一定的改性，期望在H13钢基础上提高其强韧性以及耐磨性能。本文通过研究热处理工艺以及深冷处理对H13E钢组织及性能的影响规律，优化H13E钢的热处理工艺参数以及深冷工艺参数，为热作模具钢材料的改性及具体应用提供技术参考，对热作模具钢的推广应用具有较大的现实意义。 本实验通过研究不同工艺参数下的H13E钢试样，分析显微组织及性能变化规律；观察试样表面磨损形貌，探讨H13E钢的摩擦磨损行为及磨损机制。 结果表明： （1）H13E钢在1020~1080℃保温20min油冷时，此温度区间奥氏体晶粒尺寸单调增加，温度从1020℃升高至1080℃时，奥氏体晶粒增长了约40μm，且温度在1060℃以上时碳化物可充分溶解。此温度区间组织主要为板条马氏体、针状马氏体以及部分残余奥氏体。硬度随温度的升高先增后减，在1060℃达到最大值，为61.6HRC。1060℃保温20~50min油冷时，奥氏体晶粒增长速率较缓慢，从20min到50min，晶粒尺寸增长7μm左右，同时硬度仅下降0.2HRC左右，为防止长时间保温导致晶粒长大，选取保温20min。对比油冷与空冷组织与性能，空冷组织中除马氏体外，还有部分索氏体，硬度仅为58.5HRC。最终选取的淬火工艺为：1060℃保温20min油淬。 （2）H13E钢在1060℃保温20min油冷的淬火工艺下进行520~550℃保温4h两次回火。随着回火温度的升高，回火马氏体逐渐向回火索氏体转变，硬度逐渐降低，而冲击韧性逐渐增大。520℃时，组织主要由回火马氏体及部分残余奥氏体组成，硬度57.6HRC，但冲击韧性仅11.54J/cm2；530~540℃时，部分回火马氏体转变成回火索氏体，此时硬度在57HRC以上，冲击韧性在16J/cm2以上；550℃时，回火马氏体基本转变成回火索氏体，硬度仅有54.5HRC。530℃下保温1~6h时两次回火时，随回火时间延长，回火马氏体逐渐转变成回火索氏体，硬度先缓慢下降再快速下降，冲击韧性单调增加。保温时间1~2h时，组织主要为回火马氏体及部分残余奥氏体，硬度57HRC以上，冲击韧性在13.3J/cm2以下；保温4h时，组织主要为回火马氏体、回火索氏体以及部分残余奥氏体，硬度为57.4HRC，冲击韧性为16.32J/cm2；保温6h时，回火马氏体大量分解成回火索氏体，硬度仅55.8HRC，但冲击韧性为18.2J/cm2。随着回火温度的升高和保温时间的延长，H13E钢的磨损机制由黏着磨损变为氧化磨损，并伴随着轻微氧化剥落磨损。对比一次回火与二次回火后组织与性能，一次回火后组织主要由马氏体、回火马氏体以及部分残余奥氏体组成；二次回火后组织主要由回火马氏体、回火索氏体以及部分残余奥氏体组成。一次回火硬度为58HRC，冲击韧性仅15J/cm2。最后选取的回火工艺为：530℃保温4h两次回火，相较于常用H13钢性能，H13E钢硬度可提高5~9HRC，且冲击韧性与H13钢相当。 （3）H13E钢淬火后经-196℃液氮深冷处理10h再回火两次发现，组织主要为回火马氏体及回火索氏体。与1060℃保温20min油冷后在530℃下保温4h回火两次相比，硬度仅提高0.4~0.8HRC，冲击韧性可提高31.6%，为21.47J/cm2，摩擦系数减小了18.8%，为0.48左右，且摩擦曲线更加平缓，同时深冷处理后该钢的磨损机制由氧化磨损主导。 （4）H13E钢合适的热处理工艺为：1060℃下保温20min，油冷；530~540℃保温4h的两次回火，油冷。为提高H13E钢的综合力学性能，可在淬火与回火之间再添加一道深冷处理工序。
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