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H13钢(国内牌号4Cr5MoSiV1)是目前世界范围内应用最广泛的热作模具钢之一,具有优良的淬透性、热强性、红硬性,还具有较高的韧性、良好的抗热疲劳性能及抗热裂能力,广泛应用于压铸模具、挤压模具与热锻模具。目前国产H13钢的质量同国外优质H13钢相比仍存在较大差距,其主要技术指标无法满足高性能特种材料的技术要求,材料的洁净度、均匀性、晶粒度等重要指标仍达不到国际先进水平。课题组与某企业合作,以稳定生产高品质H13钢为目标,通过该企业自主发明的新冶炼技术,冶炼出牌号分别为H13A、H13R、JB11U、JB13U的4种H13型热作模具钢,本文以该4种牌号H13型的退火态模具钢为原材料,借助直读光谱仪、金相显微镜、扫描电镜、冲击试验机等设备,研究新冶炼工艺下不同成分的H13型模具钢冶金质量及其组织与性能,并与进口淬回火态的H13钢作对比,重点研究新冶炼工艺下的国产H13钢的热疲劳性能特性及其在热疲劳过程中组织变化。研究结果表明:1、4种试验钢的主要合金元素含量均控制得较好,杂质元素S和P的含量均较低,S含量均低于10ppm,P含量低于130ppm,控制水平已达到北美压铸协会NADCA#207-97标准中最高水平。4种试验钢在光镜下和扫描电镜下均未发现硫化物夹杂;均存在氧化铝类夹杂物,大部分夹杂物尺寸小于5μm。H13A钢试样显微清洁度最好,夹杂物较少且其尺寸小。2、H13A钢、H13R钢、JB13U钢的退火组织、淬火组织以及回火组织中均存在明显带状偏析,合金元素分布不均匀;其中H13A钢带状偏析最为明显,严重影响了钢的性能的等向性,其横向冲击强度极低;H13A钢奥氏体晶粒最细,碳化物细小,硬度最高(48.7HRC),纵向冲击功(47.4J)最高。JB11U钢中退火、淬火、回火后的组织均匀性较好,不存在明显带状偏析,冲击功纵横比达到了0.99,显示出良好的等向性。H13R钢和JB13U钢奥氏体晶粒相对较大,存在一次未溶共晶碳化物,其冲击功等力学性能介于H13A与JB11U之间。3、在回火过程中,H13A钢、H13R钢、JB11U钢、JB13U钢均存在二次硬化现象,二次硬化峰温度区间为480~530℃,H13A钢二次硬化现象最为明显。JB11U钢的二次硬化峰值温度在490℃左右,当回火温度高于二次硬化峰的温度时,硬度下降速度较快;H13A钢的二次硬化峰值温度约为510℃,且温度超过二次硬化峰的温度时,硬度下降速度较慢。H13A钢热稳定性最好,在620℃保温下,硬度始终保持最高,下降速度较慢;保温30h后,H13A钢硬度为36.5HRC,高于进口H13钢(34.3HRC)。H13A钢具有优良的高温回火稳定性和热稳定性。4、采用自行研制的全自动自约束型热疲劳试验机对4种试验钢进行热疲劳试验研究,循环上限温度700℃,下限温度室温。经3000次冷热循环,H13A试验钢热疲劳裂纹细小,热疲劳性能最好;JB11U试验钢热疲劳裂纹粗大,主裂纹呈平行趋势分布,裂纹深度最深,达到25.5μm,热疲劳性能最差。新冶炼工艺下生产的4种试验钢的洁净度较高,晶粒度均大于8.5级。H13A钢610℃回火后硬度最高(48.7HRC),纵向冲击功(47.4J)最高;淬火后回火,其二次硬化现象最明显,二次硬化峰值温度约为510℃;H13A钢具有最好的热稳定性能和热疲劳性能,综合性能最优。