h1 3( 4 c r 5 m o s i vi )是国际上广泛使用 的热作模具
钢，它具有较高的热强度和硬度、高的耐磨性和韧性，
以及较好的耐热疲劳性能，广泛应用于制造各种锻模 、
热挤压模 ，以及铝 、铜及其合金的压铸模。热作模具钢
工作时承受很大的冲击载荷、强烈的摩擦、剧烈的冷热
循环引起的热应力及高温氧化，常出现崩裂、塌陷、磨
损和龟裂等失效形式。
h 1 3热作模具钢的化学成分见附表。
h1 3热作模具钢的化学成分 ( 质量分数 ) ( ％)
c cr mo v s j mn p s
0 3 2～ 4 ． 7 5～ 1 ．1 0 ～ 0 ． 8 o～ 0 ． 8 0 ～ 0 ． 2 o ～
≤ o．03 ≤o．01
0 ． 4 5 5 ． 5 5 1 ． 7 5 1 ． 2 o 1 ． 2 0 0 ． 5 o
其化学成分特点是：
( 1 )中碳 ，w =0 ． 3 2 ％ ～0 ． 4 5 ％，以保证高硬度 、
高韧性和较高的热疲劳抗力。
( 2 )加入较多提高淬透性 的元素 c r 、mn 、s i 。m n
可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状，避
免 s在晶界上形成低熔点的 f e s ，而以具有一定塑性的mn s存在，从而消除硫的有害影响，改善 h 1 3钢的热加
工性能；c r 和 s i 可以提高回火稳定性。
( 3 )加入产生二次硬化的元素 mo 、v，能防止第二
类回火脆性 ，提高回火稳定性。
一
、 失效影响因素
h 1 3钢模具的失效问题是一个复杂的技术难题，可
以从材料、设计、制造和使用4个方面来分析。
1 ．化学成分和冶金质量
h1 3钢属于过共析合金钢类型，组织中存在较多的
非金属夹杂物 、碳化物偏析、中心疏松及 白点等缺陷， 力。h1 3钢根据质量一般被分为普通 h 1 3钢和优质 h1 3
钢。优质 h 1 3钢由于采用了较先进的生产工艺，钢质纯
净，组织均匀 ，偏析轻微，具有更高的韧性及热疲劳性
能。普通 h 1 3钢则必须进行改锻，以击碎大块非金属夹
杂，消除碳化物偏析 ，细化碳化物 ，均匀组织。
2 ．模具设计
设计模具时，应根据成形零件的材料和几何尺寸确
定模块的外形尺寸，以保证模具的强度。此外，过小的
圆角半径、壁厚差悬殊的扁宽薄壁截面及孑 l 、槽位置不
合适等，很容易在模具热处理和使用过程中引起过大的
应力集中而萌生裂纹。因此，在模具设计 中要尽量避免
尖角，孔 、槽的位置应合理布置。
3 ．制造工艺
( 1 )锻造工艺 h 1 3钢中合金元素含量较多，锻造
时变形抗力较大，且材料的导热性能较差，共晶温度较
低，稍不注意就会过烧。因此，加热时应在 8 0 0～9 0 0 ~ c
区间预热 ，然后再加热至始锻温度 1 0 6 5～1 1 7 5 ~ ( 3 。为击
碎大块非金属夹杂，消除碳化物偏析，细化碳化物，均
匀组织，锻造时要反复镦粗拔长，总锻比> 4 。在锻造后
这在很大程度上降低了模具钢的强度 、韧性及热疲劳抗的冷却过程中，材料有产生淬火裂纹的倾向，易在心部
产生横向裂纹 ，冈此 h1 3钢锻后应进行缓慢冷却。
( 2 )切削加工 切削加_ 『 二 的表面粗糙度对模具热疲
劳性能有很大影响，模具型腔表面应获得较低的粗糙度，
不能留有刀痕 、划伤和毛刺。这些缺陷易引起应力集中，
诱发热疲劳裂纹萌生。因此，在加工模具时复杂部位圆
角半径过渡处要防止留有刀痕，孑 l 、槽边缘和根部的毛
刺要打磨掉。
( 3 )磨削加工 磨削过程中，局部摩擦生热容易引
起烧伤和裂纹等缺陷，并在磨削表面生成残余拉应力，
从而导致模具过早失效。磨削热引起的烧伤可以使 h1 3模具表面发生回火直至生成回火马氏体，脆性未回火马
氏体层会大大降低模具的热疲劳性能。如果磨削表面局
部升温达8 0 0 ~ c以上，并且冷却不充分时，则表层材料
会被重新奥氏体化并淬火成马氏体，因而模具表面层会
产生很高的组织应力，同时磨削过程中模具表面温升极
快会引起热应力，组织应力和热应力叠加容易使模具产
生磨削裂纹。
( 4 )电火花加工 该加工是现代模具制造过程中不
可缺少的精加工手段。火花放电时，局部的瞬时温度高
达1 0 0 0 ℃以上，使放电处的金属熔化和气化，在电火花
加工表面有一被熔化而又重新凝固的金属薄层，其中有
许多显微裂纹。在显微镜下这一薄层金属呈 白亮色 ，即
白亮层。研究表明，对于高合金化的 h1 3钢，电火花加
工形成的表面白亮层的显微组织为初生马氏体、残余奥
氏体和共晶碳化物，未回火的初生马氏体存在大量显微
裂纹。h 1 3钢模具在工作中承受载荷时，这些显微裂纹
很容易发展为宏观裂纹，导致模具易出现早期断裂和磨
损。h 1 3钢模具经电火花加工后应重新回火，以消除内
应力，但回火温度不要超过电火花加工前的最高回火温
度。
( 5 )热处理工艺 合理的热处理工艺可以使模具获
得所需要的力学性能，从而提高模具的使用寿命。但是
如果因热处理工艺设计或操作不当而产生热处理缺陷，
将严重危害模具的承载能力，引起早期失效 ，缩短工作
寿命。热处理缺陷有过热 、过烧 、脱碳、开裂、淬硬层
不均匀和硬度不足等。h1 3钢模具在服役一定时间后，
当积累的内应力达到危险的限度时，应对模具进行去应
力叫火，否则模具在继续服役时将会由于内应力而引起
开裂。
4 ．模具的使用与维护
( 1 )模具的预热 h1 3钢合金元素含量较高，导热
性能较差，因此模具在工作前应充分预热。预热温度过
高，模具在使用过程中温度偏高，强度下降，易产生塑
性变形，造成模具表面塌陷；预热温度过低，模具开始
使用时，瞬间表面温度变化大 ，热应力大，易萌生裂纹。
综合考虑后 川3钢模具的预热温度确定为2 5 0～3 0 0 ~ c，
这样既可降低模具与锻件的温差以避免模具表面出现过
大的热应力，又能有效地减少模具表面的塑性变形。
( 2 )模具的冷却与润滑 为减轻模具的热负荷 ，避免模具温度过高，通常在模具工作的间歇对其进行强制
性冷却，由此造成的模具周期性的激热、激冷作用将会
产生热疲劳裂纹。因此，模具使用结束后应缓慢冷却，
否则将会出现热应力，从而引起模具的开裂失效。h1 3
钢模具工作时，可采用石墨含量为1 2 ％的水基石墨进行
润滑，降低成形力，保证金属在型腔中的正常流动和锻
件的顺利脱模；此外，石墨润滑剂还具有散热作用，可
以降低 h 1 3钢模具的工作温度。
二、失效分析方案
h1 3钢模具的制造要经过设计、选材、锻造、退火，
以及机加工和热处理等一系列工艺环节，每一工艺环节
的工艺设计或操作不当都会造成模具的过早失效，降低
模具使用寿命。热作模具钢常出现崩裂、塌陷、磨损和
龟裂等失效形式。热作模具钢的失效形式、程度和位置，
记录了设计、选材 、锻造、退火、机加工及热处理等一
系列工艺环节中的重要信息。
观察和分析 h 1 3钢模具的失效位置处的宏观形貌特
征、显微组织及失效形式，运用金属学、材料物理及断
裂力学的理论和方法，揭示 h 1 3钢模具失效位置处的宏
观形貌特征、材料显微组织，以及失效形式与模具设计、选材、加工工艺之间的关系，从而提出科学合理的工艺
改进措施。
具体的分析方案如下：
( 1 )原材料化学成分和冶金质量分析 提高 h1 3钢
的洁净度，降低硫含量是提高 h 1 3钢模具寿命特别有效
的措施。优质 h 1 3钢的 =0 ． 0 0 5 ％ ～ 0 ． 0 0 8 ％。h1 3钢
是合金元素含量较高的过共析钢，在冶炼 、铸造时会出
现碳化物偏析 ，钢锭经锻轧后形成粗大的碳化物偏析带。
碳化物偏析带和铸造残留的树枝晶、缩孔 、疏松和夹杂
直接影响 h 1 3钢模具的组织及性能，是模具早期失效的
重要原因之一。对原材料化学成分和冶金质量的分析可
以评定原材料是否合格 ，从而可用来指导制定科学合理
的锻造工艺和热处理工艺。
试验方法：对 h1 3钢材原材料进行取样，分析其化
学成分，评定其化学成分是否符合要求；从钢材中心部
位切取试样，经打磨、抛光，采用 4 ％硝酸酒精溶液浸
蚀，在光学显微镜上检查显微组织 ，按国家相关技术标
准对碳化物偏析带等级、夹杂物等级做出评定。
( 2 )模具显微组织分析 显微组织分析可确定模具失效位置是否存在碳化物偏析带，大块非金属夹杂、网
状碳化物 、共晶碳化物及回火马氏体；微区成分分析可
确定模具失效位置的化学成分的分布特点；显微硬度分
析可确定模具失效位置的力学性能。综合分析模具失效
位置处的显微组织 、显微硬度和微区成分，揭示模具失
效位置处的宏观形貌特征及失效形式的微观机理，正确
评价现行的锻造、球化退火、淬火和回火工艺，从而提
出科学合理的工艺改进措施。
试验方法 ：从模具失效位置切取试样 ，经打磨、抛
光，采用4 ％硝酸酒精溶液浸蚀，在光学显微镜或扫描
电子显微镜上检查显微组织 ，在显微硬度仪上测量硬度，
在俄歇能谱分析仪上确定微区成分。
三、工艺控制措施
从h1 3钢的化学成分和组织特点可以看出，热加工
工艺对 h1 3钢模具的组织和性能有很大影响。为防止
hi 3钢模具早期失效，延长其使用寿命，必须制定科学
合理的热加工工艺。
1 ． 锻造工艺
h1 3钢合金元素含量高，导热性差，共品温度比较低 ，容易引起过烧。对于直径 >7 0 m m的坯料 ，应先在
8 0 0— 9 0 0 ~ c区问预热 ，然后在始锻温度 1 0 6 5～1 1 7 5 c c加
热，锻造时进行多次拔长镦粗，总锻造比> 4 。
2 ． 球化退火工艺
球化退火工艺的目的是均匀组织，降低硬度，改善
切削加工性能，为淬火和回火做组织准备。球化退火工
艺是在 8 4 5～ 9 0 0 ~ c保温 1 h+1 mi n ／ m m，然后炉冷至 7 2 0
—
7 4 0 ~ c等温 2 h+1 mi n ／ m m，最后炉冷至 5 0 0 o c出炉空
冷，球化退火组织为粒状珠光体，硬度 <2 2 9 h b w。球
化质量可按 g b ／ t 1 2 9 9 - -2 0 0 0标准的第一级别图进行评
定。
3 ．淬火和回火工艺
h1 3钢的最佳热处理工艺是：1 0 2 0～1 0 8 0 ℃加热后
油冷淬火或分级淬火 ，然后进行 5 6 0～6 0 0 ℃两次回火；
显微组织为回火托氏体 +回火索氏体+剩余碳化物，显
微硬度为4 8～ 5 2 hr c 。对于要求热硬性高的模具 ( 压铸
模)可取上限加热温度淬火。对于要求韧性为主的模具
( 热锻模)可取下限加热温度淬火。