h1 3( 4 c r 5 m o s i vi )是國際上廣泛使用 的熱作模具
鋼，它具有較高的熱強(qiáng)度和硬度、高的耐磨性和韌性， 
以及較好的耐熱疲勞性能，廣泛應(yīng)用于制造各種鍛模 、 
熱擠壓模 ，以及鋁 、銅及其合金的壓鑄模。熱作模具鋼
工作時(shí)承受很大的沖擊載荷、強(qiáng)烈的摩擦、劇烈的冷熱
循環(huán)引起的熱應(yīng)力及高溫氧化，常出現(xiàn)崩裂、塌陷、磨
損和龜裂等失效形式。 
h 1 3熱作模具鋼的化學(xué)成分見附表。 
h1 3熱作模具鋼的化學(xué)成分 ( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) )   ( ％) 
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 
其化學(xué)成分特點(diǎn)是： 
( 1 )中碳 ，w  =0 ． 3 2 ％ ～0 ． 4 5 ％，以保證高硬度 、 
高韌性和較高的熱疲勞抗力。 
( 2 )加入較多提高淬透性 的元素 c r 、mn 、s i 。m n 
可以改變鋼在凝固時(shí)所形成的氧化物的性質(zhì)和形狀，避
免 s在晶界上形成低熔點(diǎn)的 f e s ，而以具有一定塑性的mn s存在，從而消除硫的有害影響，改善 h 1 3鋼的熱加
工性能；c r 和 s i 可以提高回火穩(wěn)定性。 
( 3 )加入產(chǎn)生二次硬化的元素 mo 、v，能防止第二
類回火脆性 ，提高回火穩(wěn)定性。 
一
、 失效影響因素
h 1 3鋼模具的失效問題是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)難題，可
以從材料、設(shè)計(jì)、制造和使用4個(gè)方面來分析。 
1 ．化學(xué)成分和冶金質(zhì)量
h1 3鋼屬于過共析合金鋼類型，組織中存在較多的
非金屬夾雜物 、碳化物偏析、中心疏松及 白點(diǎn)等缺陷，  力。h1 3鋼根據(jù)質(zhì)量一般被分為普通 h 1 3鋼和優(yōu)質(zhì) h1 3 
鋼。優(yōu)質(zhì) h 1 3鋼由于采用了較先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，鋼質(zhì)純
凈，組織均勻 ，偏析輕微，具有更高的韌性及熱疲勞性
能。普通 h 1 3鋼則必須進(jìn)行改鍛，以擊碎大塊非金屬夾
雜，消除碳化物偏析 ，細(xì)化碳化物 ，均勻組織。 
2 ．模具設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)模具時(shí)，應(yīng)根據(jù)成形零件的材料和幾何尺寸確
定模塊的外形尺寸，以保證模具的強(qiáng)度。此外，過小的
圓角半徑、壁厚差懸殊的扁寬薄壁截面及孑 l 、槽位置不
合適等，很容易在模具熱處理和使用過程中引起過大的
應(yīng)力集中而萌生裂紋。因此，在模具設(shè)計(jì) 中要盡量避免
尖角，孔 、槽的位置應(yīng)合理布置。 
3 ．制造工藝
( 1 )鍛造工藝 h 1 3鋼中合金元素含量較多，鍛造
時(shí)變形抗力較大，且材料的導(dǎo)熱性能較差，共晶溫度較
低，稍不注意就會過燒。因此，加熱時(shí)應(yīng)在 8 0 0～9 0 0 ~ c 
區(qū)間預(yù)熱 ，然后再加熱至始鍛溫度 1 0 6 5～1 1 7 5 ~ ( 3 。為擊
碎大塊非金屬夾雜，消除碳化物偏析，細(xì)化碳化物，均
勻組織，鍛造時(shí)要反復(fù)鐓粗拔長，總鍛比> 4 。在鍛造后
這在很大程度上降低了模具鋼的強(qiáng)度 、韌性及熱疲勞抗的冷卻過程中，材料有產(chǎn)生淬火裂紋的傾向，易在心部
產(chǎn)生橫向裂紋 ，岡此 h1 3鋼鍛后應(yīng)進(jìn)行緩慢冷卻。 
( 2 )切削加工 切削加_ 『 二 的表面粗糙度對模具熱疲
勞性能有很大影響，模具型腔表面應(yīng)獲得較低的粗糙度， 
不能留有刀痕 、劃傷和毛刺。這些缺陷易引起應(yīng)力集中， 
誘發(fā)熱疲勞裂紋萌生。因此，在加工模具時(shí)復(fù)雜部位圓
角半徑過渡處要防止留有刀痕，孑 l 、槽邊緣和根部的毛
刺要打磨掉。 
( 3 )磨削加工 磨削過程中，局部摩擦生熱容易引
起燒傷和裂紋等缺陷，并在磨削表面生成殘余拉應(yīng)力， 
從而導(dǎo)致模具過早失效。磨削熱引起的燒傷可以使 h1 3模具表面發(fā)生回火直至生成回火馬氏體，脆性未回火馬
氏體層會大大降低模具的熱疲勞性能。如果磨削表面局
部升溫達(dá)8 0 0 ~ c以上，并且冷卻不充分時(shí)，則表層材料
會被重新奧氏體化并淬火成馬氏體，因而模具表面層會
產(chǎn)生很高的組織應(yīng)力，同時(shí)磨削過程中模具表面溫升極
快會引起熱應(yīng)力，組織應(yīng)力和熱應(yīng)力疊加容易使模具產(chǎn)
生磨削裂紋。 
( 4 )電火花加工 該加工是現(xiàn)代模具制造過程中不
可缺少的精加工手段?；鸹ǚ烹姇r(shí)，局部的瞬時(shí)溫度高
達(dá)1 0 0 0 ℃以上，使放電處的金屬熔化和氣化，在電火花
加工表面有一被熔化而又重新凝固的金屬薄層，其中有
許多顯微裂紋。在顯微鏡下這一薄層金屬呈 白亮色 ，即
白亮層。研究表明，對于高合金化的 h1 3鋼，電火花加
工形成的表面白亮層的顯微組織為初生馬氏體、殘余奧
氏體和共晶碳化物，未回火的初生馬氏體存在大量顯微
裂紋。h 1 3鋼模具在工作中承受載荷時(shí)，這些顯微裂紋
很容易發(fā)展為宏觀裂紋，導(dǎo)致模具易出現(xiàn)早期斷裂和磨
損。h 1 3鋼模具經(jīng)電火花加工后應(yīng)重新回火，以消除內(nèi)
應(yīng)力，但回火溫度不要超過電火花加工前的Zui高回火溫
度。 

( 5 )熱處理工藝 合理的熱處理工藝可以使模具獲
得所需要的力學(xué)性能，從而提高模具的使用壽命。但是
如果因熱處理工藝設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)而產(chǎn)生熱處理缺陷， 
將嚴(yán)重危害模具的承載能力，引起早期失效 ，縮短工作
壽命。熱處理缺陷有過熱 、過燒 、脫碳、開裂、淬硬層
不均勻和硬度不足等。h1 3鋼模具在服役一定時(shí)間后， 
當(dāng)積累的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到危險(xiǎn)的限度時(shí)，應(yīng)對模具進(jìn)行去應(yīng)
力叫火，否則模具在繼續(xù)服役時(shí)將會由于內(nèi)應(yīng)力而引起
開裂。 
4 ．模具的使用與維護(hù)
( 1 )模具的預(yù)熱 h1 3鋼合金元素含量較高，導(dǎo)熱
性能較差，因此模具在工作前應(yīng)充分預(yù)熱。預(yù)熱溫度過
高，模具在使用過程中溫度偏高，強(qiáng)度下降，易產(chǎn)生塑
性變形，造成模具表面塌陷；預(yù)熱溫度過低，模具開始
使用時(shí)，瞬間表面溫度變化大 ，熱應(yīng)力大，易萌生裂紋。 
綜合考慮后 川3鋼模具的預(yù)熱溫度確定為2 5 0～3 0 0 ~ c， 
這樣既可降低模具與鍛件的溫差以避免模具表面出現(xiàn)過
大的熱應(yīng)力，又能有效地減少模具表面的塑性變形。 
( 2 )模具的冷卻與潤滑  為減輕模具的熱負(fù)荷 ，避免模具溫度過高，通常在模具工作的間歇對其進(jìn)行強(qiáng)制
性冷卻，由此造成的模具周期性的激熱、激冷作用將會
產(chǎn)生熱疲勞裂紋。因此，模具使用結(jié)束后應(yīng)緩慢冷卻， 
否則將會出現(xiàn)熱應(yīng)力，從而引起模具的開裂失效。h1 3 
鋼模具工作時(shí)，可采用石墨含量為1 2 ％的水基石墨進(jìn)行
潤滑，降低成形力，保證金屬在型腔中的正常流動和鍛
件的順利脫模；此外，石墨潤滑劑還具有散熱作用，可
以降低 h 1 3鋼模具的工作溫度。 
二、失效分析方案
h1 3鋼模具的制造要經(jīng)過設(shè)計(jì)、選材、鍛造、退火， 
以及機(jī)加工和熱處理等一系列工藝環(huán)節(jié)，每一工藝環(huán)節(jié)
的工藝設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)都會造成模具的過早失效，降低
模具使用壽命。熱作模具鋼常出現(xiàn)崩裂、塌陷、磨損和
龜裂等失效形式。熱作模具鋼的失效形式、程度和位置， 
記錄了設(shè)計(jì)、選材 、鍛造、退火、機(jī)加工及熱處理等一
系列工藝環(huán)節(jié)中的重要信息。 
觀察和分析 h 1 3鋼模具的失效位置處的宏觀形貌特
征、顯微組織及失效形式，運(yùn)用金屬學(xué)、材料物理及斷
裂力學(xué)的理論和方法，揭示 h 1 3鋼模具失效位置處的宏
觀形貌特征、材料顯微組織，以及失效形式與模具設(shè)計(jì)、選材、加工工藝之間的關(guān)系，從而提出科學(xué)合理的工藝
改進(jìn)措施。 
具體的分析方案如下： 
( 1 )原材料化學(xué)成分和冶金質(zhì)量分析  提高 h1 3鋼
的潔凈度，降低硫含量是提高 h 1 3鋼模具壽命特別有效
的措施。優(yōu)質(zhì) h 1 3鋼的  =0 ． 0 0 5 ％ ～ 0 ． 0 0 8 ％。h1 3鋼
是合金元素含量較高的過共析鋼，在冶煉 、鑄造時(shí)會出
現(xiàn)碳化物偏析 ，鋼錠經(jīng)鍛軋后形成粗大的碳化物偏析帶。 
碳化物偏析帶和鑄造殘留的樹枝晶、縮孔 、疏松和夾雜
直接影響 h 1 3鋼模具的組織及性能，是模具早期失效的
重要原因之一。對原材料化學(xué)成分和冶金質(zhì)量的分析可
以評定原材料是否合格 ，從而可用來指導(dǎo)制定科學(xué)合理
的鍛造工藝和熱處理工藝。 
試驗(yàn)方法：對 h1 3鋼材原材料進(jìn)行取樣，分析其化
學(xué)成分，評定其化學(xué)成分是否符合要求；從鋼材中心部
位切取試樣，經(jīng)打磨、拋光，采用 4 ％硝酸酒精溶液浸
蝕，在光學(xué)顯微鏡上檢查顯微組織 ，按國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)
準(zhǔn)對碳化物偏析帶等級、夾雜物等級做出評定。 
( 2 )模具顯微組織分析 顯微組織分析可確定模具失效位置是否存在碳化物偏析帶，大塊非金屬夾雜、網(wǎng)
狀碳化物 、共晶碳化物及回火馬氏體；微區(qū)成分分析可
確定模具失效位置的化學(xué)成分的分布特點(diǎn)；顯微硬度分
析可確定模具失效位置的力學(xué)性能。綜合分析模具失效
位置處的顯微組織 、顯微硬度和微區(qū)成分，揭示模具失
效位置處的宏觀形貌特征及失效形式的微觀機(jī)理，正確
評價(jià)現(xiàn)行的鍛造、球化退火、淬火和回火工藝，從而提
出科學(xué)合理的工藝改進(jìn)措施。 
試驗(yàn)方法 ：從模具失效位置切取試樣 ，經(jīng)打磨、拋
光，采用4 ％硝酸酒精溶液浸蝕，在光學(xué)顯微鏡或掃描
電子顯微鏡上檢查顯微組織 ，在顯微硬度儀上測量硬度， 
在俄歇能譜分析儀上確定微區(qū)成分。 
三、工藝控制措施
從h1 3鋼的化學(xué)成分和組織特點(diǎn)可以看出，熱加工
工藝對 h1 3鋼模具的組織和性能有很大影響。為防止
hi 3鋼模具早期失效，延長其使用壽命，必須制定科學(xué)
合理的熱加工工藝。 
1 ． 鍛造工藝
h1 3鋼合金元素含量高，導(dǎo)熱性差，共品溫度比較低 ，容易引起過燒。對于直徑 >7 0 m m的坯料 ，應(yīng)先在
8 0 0— 9 0 0 ~ c區(qū)問預(yù)熱 ，然后在始鍛溫度 1 0 6 5～1 1 7 5 c c加
熱，鍛造時(shí)進(jìn)行多次拔長鐓粗，總鍛造比> 4 。 
2 ． 球化退火工藝
球化退火工藝的目的是均勻組織，降低硬度，改善
切削加工性能，為淬火和回火做組織準(zhǔn)備。球化退火工
藝是在 8 4 5～ 9 0 0 ~ c保溫 1 h+1 mi n ／ m m，然后爐冷至 7 2 0 
—
7 4 0 ~ c等溫 2 h+1 mi n ／ m m，Zui后爐冷至 5 0 0 o c出爐空
冷，球化退火組織為粒狀珠光體，硬度 <2 2 9 h b w。球
化質(zhì)量可按 g b ／ t   1 2 9 9 - -2 0 0 0標(biāo)準(zhǔn)的第一級別圖進(jìn)行評
定。 
3 ．淬火和回火工藝
h1 3鋼的熱處理工藝是：1 0 2 0～1 0 8 0 ℃加熱后
油冷淬火或分級淬火 ，然后進(jìn)行 5 6 0～6 0 0 ℃兩次回火； 
顯微組織為回火托氏體 +回火索氏體+剩余碳化物，顯
微硬度為4 8～ 5 2 hr c 。對于要求熱硬性高的模具 ( 壓鑄
模)可取上限加熱溫度淬火。對于要求韌性為主的模具
( 熱鍛模)可取下限加熱溫度淬火。