H13（CH302）是一种典型的热作模具钢，广泛应用于高温压铸、热锻等领域。其组织均匀性直接影响模具的抗热疲劳性、耐磨性和使用寿命。以下从化学成分偏析、显微组织特征、工艺影响因素及均匀性评价方法展开分析：

一、化学成分与组织均匀性的内在联系

1. 基础化学成分（质量分数，%）

C：0.32~0.45：形成碳化物，过量碳易导致晶界偏聚；

Cr：4.75~5.50：提高淬透性和抗氧化性，Cr 偏析会加剧晶界碳化物析出；

Mo：1.10~1.75：抑制回火脆性，改善高温强度；

V：0.80~1.20：形成细小 VC 碳化物，细化晶粒；

Si：0.80~1.20：提高回火稳定性，减少脱碳。

2. 偏析对组织的影响

树枝晶偏析：冶炼凝固时，Cr、Mo、V 等合金元素在枝晶间富集（偏析系数＜1），导致晶界区域碳化物（如 M₂C、MC 型）聚集，形成局部高硬度脆性区。

显微偏析尺度：传统电炉钢的枝晶间距约 50~100μm，电渣重熔（ESR）钢可细化至 20~30μm，偏析程度降低 40% 以上。

二、显微组织均匀性的核心指标

1. 基体组织均匀性

马氏体形态：理想状态为细小板条马氏体（宽度≤0.5μm），均匀分布于晶内；若冷却不均，可能出现粗大马氏体（宽度＞1μm）或混合组织（马氏体 + 贝氏体），导致局部硬度差异（如 HRC 波动＞2）。

残余奥氏体：均匀分布的残余奥氏体（体积分数 5%~10%）可缓冲应力，若局部富集（＞15%），易引发回火过程中二次淬火开裂。

2. 碳化物分布均匀性

类型与尺寸：

理想状态：弥散分布的 ** 球形 / 短棒状 VC（尺寸≤5μm）** 和少量块状 M₂C（尺寸≤10μm）；

缺陷状态：晶界处网状碳化物（连续网状≥3 级）或大块碳化物聚集（尺寸＞20μm），导致应力集中（见图 1）。

评级标准：按 GB/T 1299-2020，碳化物不均匀度≤3 级为优质，＞4 级易引发早期失效。

3. 晶粒度均匀性

奥氏体晶粒度通常为 ASTM 8~10 级，均匀晶粒可抑制裂纹扩展；若存在混晶（部分晶粒＞ASTM 6 级），高温下晶界滑移加剧，抗热疲劳寿命下降 20% 以上。

三、影响组织均匀性的关键工艺环节

1. 冶炼与凝固工艺

传统电炉（EF）+ 真空脱气（VD）：

优点：成本低，适合一般要求；

缺点：枝晶偏析较明显，碳化物聚集倾向大，硫含量（S≥0.01%）较高，夹杂物（如 MnS）易成为裂纹源。

电渣重熔（ESR）：

优势：熔渣精炼去除夹杂物（硫含量≤0.005%），凝固速度可控（5~10mm/min），枝晶偏析减少 60%，碳化物分布均匀性提升 30%（见图 2）。

连铸工艺：通过电磁搅拌（EMS）打碎树枝晶，晶界偏析程度降低 25%，但碳化物均匀性仍弱于 ESR 钢。

2. 锻造与轧制工艺

锻造比：合理锻造比（3~5）可破碎粗大碳化物，若锻造比不足（＜2），碳化物呈带状分布（评级≥3 级）；

变形温度：高温区（1150~1200℃）长时间保温易导致碳化物粗化，低温区（＜950℃）变形则加剧加工硬化，形成局部应力集中。

3. 热处理工艺

退火均匀化：

球化退火（840~880℃保温 4h）使碳化物球化，若保温时间不足，残留片状碳化物；

等温退火（720~750℃）可减少组织应力，避免局部软化。

淬火冷却：

理想冷却：真空淬火（压力≥2bar）或高速气冷，冷却速度均匀（≥50℃/s），避免油冷时因工件截面温差导致的局部马氏体转变不同步；

常见问题：厚壁模具心部冷却慢，形成贝氏体 / 珠光体混合组织，硬度梯度＞5HRC。

回火工艺：

两次回火（560~580℃）可消除残余应力，若回火温度不均（温差＞10℃），局部出现 “回火不足”（硬度＞HRC 50）或 “过回火”（硬度＜HRC 45）。

四、组织均匀性的检测与评价方法

1. 宏观检测

低倍腐蚀（10% 硝酸酒精）：观察枝晶偏析程度（评级按 GB/T 226），优质 ESR 钢的偏析等级≤1.5 级，电炉钢通常≤2.5 级。

超声波探伤：检测内部缩孔、夹杂等宏观缺陷，灵敏度≥Φ2mm 平底孔。

2. 显微检测

金相分析：

碳化物分布（评级 GB/T 1299）、晶粒度（ASTM E112）、马氏体板条宽度（Image-Pro 测量）；

示例：均匀组织中碳化物间距≤20μm，非均匀组织中局部间距＞50μm（见图 3）。

扫描电镜（SEM）+ 能谱（EDS）：分析晶界元素偏聚（如 Cr 偏聚度＞1.5 倍平均含量时，视为严重偏析）。

3. 性能一致性验证

硬度梯度测试：沿截面检测硬度，优质钢的硬度差≤3HRC，非均匀组织可达 5~8HRC；

冲击韧性对比：同一批次不同位置的冲击功（Ak）波动≤15%，若波动＞30%，表明组织显著不均。

五、组织不均匀的典型缺陷与后果

六、提升组织均匀性的技术措施

冶炼优化：采用 ESR 或真空电弧重熔（VAR），降低 S≤0.005%，控制夹杂物等级（ASTM E45 Class 1.5 级以下）。

锻造工艺：采用多向锻造（拔长 + 镦粗≥3 次），变形量≥60%，破碎粗大碳化物。

热处理控制：

淬火前预热（550℃、850℃两级预热），减少截面温差；

回火时使用强制对流炉，温度均匀性 ±5℃以内。

先进检测：通过计算机断层扫描（CT）三维重构组织，精准定位偏析区。

总结

H13 (CH302)模具钢的组织均匀性是成分设计、冶炼、加工及热处理多环节协同控制的结果。均匀的细小板条马氏体基体、弥散分布的细小碳化物及低偏析晶界，是实现模具高可靠性的关键。通过 ESR 冶炼、合理锻造比和精准热处理，可将碳化物不均匀度控制在 2 级以内，显著提升模具在高温复杂载荷下的服役性能。