钢 种                           Ｃ                Ｍｎ             Ｓｉ              Ｍｏ               Ｗ          

ＨＴＣＳ－１３０        ０．３１        ０．１６        ０．１７          ３．１         １．９５ 

国产优质Ｈ１３           ０．４４        ０．３８        ０．９             １．２２      

   钢 种                         Ｃｒ             Ｖ                 Ｐ                    Ｓ

 ＨＴＣＳ－１３０          ０．０８           ０．０２          ０．００５         ０．００２

 国产优质Ｈ１３              ５．０４          １．０６          ０．０１２         ０．００９
铸协会关于优质Ｈ１３钢的标准取的Ａｋ≥１６９．５Ｊ．
表２ ＨＴＣＳ－１３０和Ｈ１３钢的淬火、回火冲击功和硬度
钢号冲击功／Ｊ硬度（ＨＲＣ）
ＨＴＣＳ－１３０－１２１０
５１．５ＨＴＣＳ－１３０－２＞３００４４．０国产优质Ｈ１３
２５０４８．０
  ＨＴＣＳ－１３０－１的冲击断口形貌ＳＥＭ照片如
图２所示，可知为韧性断裂，能观察到许多尺寸较小的韧窝，可见ＨＴＣＳ－１３０－１状态下从过饱和α－Ｆｅ中析出较多量的细小碳化物．
图２ ＨＴＣＳ－１３０－１的ＳＥＭ断口形貌
２．３ 热稳定性能
热稳定性试验按１．２节实验方法进行，试验结果如图３所示．由图３可知：在６２０℃保温过程
中ＨＴＣＳ－１３０钢的硬度始终高于Ｈ１３钢；２０ｈ后，ＨＴＣＳ－１３０钢的硬度仍达３６ＨＲＣ以上，而Ｈ１３钢硬度已降低到２９ＨＲＣ，可见ＨＴＣＳ－１３０的热稳定性明显优于Ｈ１３钢，能更好地满足热冲压模具材料的服役性能．
5045
40353025
04
812
1620
时间/h
硬度（HRC）
HTCS-130
国产优质H13
图３ ＨＴＣＳ－１３０和国产优质Ｈ１３钢在６２０℃保温下的
热稳定性曲线
ＨＴＣＳ－１３０－１，ＨＴＣＳ－１３０－２和Ｈ１３钢热稳
定性之前的金相组织如图４所示，多一次高温回
火的ＨＴＣＳ－１３０－２硬度降低，晶粒略微粗大．
图５（ａ）和（ｂ）分别是ＨＴＣＳ－１３０－１和Ｈ１３钢在６２０℃保温２０ｈ后的金相显微照片．
20μm
20μm
20μm
(a)HTCS-130-1
(b)HTCS-130-2
(c)H13
图４ ＨＴＣＳ－１３０和Ｈ１３钢淬回火态的金相组织
20μm
20μm
(a)HTCS-130
(b)H13
图５ ＨＴＣＳ－１３０－１和Ｈ１３钢热稳定性试验后的显微组织
·
３６·第１期尹学炜，等：高热导率热冲压模具材料ＨＴＣＳ－１３０性能的研究

由图５可以看出，ＨＴＣＳ－１３０－１的基体仍旧保持一定的回火马氏体形貌，而Ｈ１３钢已失去回火马氏体形貌．这是因为Ｗ和Ｍｏ提高基体的再结晶温度的能力大于Ｈ１３钢中的Ｓｉ和Ｍｎ，从而有效地阻碍马氏体的分解．
图６（ａ）和（ｂ）分别是ＨＴＣＳ－１３０－１热稳定性前后在６２０℃保温２０ｈ后的扫描电镜照片．
图６（ｃ）和（ｄ）分别为Ｈ１３钢热稳定性前后在６２０℃保温２０ｈ后的扫描电镜照片．
图７（ａ）和（ｂ）分别对应图６（ａ）和（ｂ）（ＨＴＣＳ－１３０－１热稳定前及其热稳后）照片中白
色颗粒的能谱分析．图６（ａ）和（ｂ）中析出的碳化物颗粒细小且弥散分布，大小为１～２μｍ，经能谱分析为Ｗ和Ｍｏ的碳化物，见图７（ａ）和（ｂ）．
(c)H13，热稳定前(d)H13，热稳定后
(a)HTCS-130，热稳定前(b)HTCS-130，热稳定后

  热稳实验前后对比发现，碳化物颗粒并没有
明显长大，而Ｈ１３钢热稳定前后组织和碳化物变化较大，如图６（ｃ）和（ｄ）所示．胡心彬等［８］在Ｈ１３热疲劳性能研究中发现，Ｈ１３钢淬回火态中含富Ｃｒ的Ｍ２３Ｃ６或Ｍ７Ｃ３碳化物，球状的Ｍ２３Ｃ６碳化物容易聚集粗化，热稳定性较差．王小军等［９］在对比
ＱＲＯ９０和８４７０（Ｈ１３）回火稳定性的研究中指出：８４７０（Ｈ１３）中含Ｃｒ较高（质量分数约５％），是以Ｃｒ为主要合金元素的热作模具钢，其回火后的Ｍ７Ｃ３碳化物热稳定性低、易聚集长大；而相应降低了Ｃｒ含量而提高Ｍｏ含量的ＱＲＯ９０在高温回
火时，独立形核的ＭＣ和Ｍ２Ｃ７析出于位错区域且
不易聚集长大，能有效提高抗回火软化性能和热疲劳抗力．Ｗ是熔点较高的合金元素，在工具钢加Ｗ，可显著提高红硬性和热强性［１０］．Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ等［１１］指出，强化相Ｍｏ、Ｗ的Ｍ２Ｃ型碳化物的析
出有利于热稳定性能．由此可见，淬回火态ＨＴＣＳ－１３０钢中主要为Ｗ和Ｍｏ的碳化物，使其热稳定性
明显优于Ｈ１３钢．
２．４ 热导率研究
２．４．１ 比热容的测量
采用对比法，用已知比热容的标样作为参考，
在激光导热仪ＬＦＡ４５７上测得ＨＴＣＳ－１３０－１、ＨＴＣＳ－１３０－２和国产优质Ｈ１３钢的比热容，每隔
１００℃取一组数据，国产优质H13
HTCS-130-1HTCS-130-2
比热/(J?g-1?K-1
)
温度/℃
图８ 三种试样的比热容与温度的关系曲线
由图８可知：３种试样的比热容在１００～
７００℃内都呈现上升趋势，在５００℃以下，三者的
比热容非常接近，差值在３％以内；７００℃时，国产优质Ｈ１３钢的比热容较低，差值在８％内．考虑仪器误差，３种试样的比热容在各温度很接近，可见
比热容对它们的热导率影响较小．
２．４．２ 密度的测试
在室温下试样的密度用阿基米德原理测定试
样常温的密度，因为温度变化对密度的影响很小，
实验忽略了温度对密度的影响，都采用材料在室温下的密度．经测得ＨＴＣＳ－１３０室温密度为
７．８９４ｇ／ｃｍ３，国产优质Ｈ１３室温密度为７．７２４ｇ／ｃｍ３．２．４．３ 热扩散率
用激光闪光法测量热扩散率．在试样的一个
表面用一束短促的激光脉冲加热，通过红外检测器测量样品背面温度升高对时间的关系，经拟合计算得到样品的热扩散率．热扩散率是根据温度上升时间和试样的厚度来计算，还考虑试样表面的热辐射和激光脉冲长度．计算公式为
Ｔ（ｘ，ｔ）＝１Ｌ０∫Ｌ０Ｔ（ｘ，０）ｄｘ＋２Ｌ∑∞
ｎ＝１ｅｘｐ（－ｎ２π２αｔＬ２
）·
ｃｏｓ
ｎπｘＬ∫Ｌ
０Ｔ（ｘ，０）ｃｏｓｎπｘＬ
ｄｘ．式中：Ｔ为试样背面的温度函数；ｘ为与试样正面的距离；ｔ为时间；Ｌ为样品厚度；ｎ为与三角函数有关的参数（取整数自然数）［１２］．
测试过程中，每隔１００℃用激光打３个点，取
平均值，热扩散率（ａ）测试结果温度/℃
热扩散系率/(mm2?s-1)
国产优质H13
HTCS-130-1HTCS-130-2
图９ 三种试样的热扩散率与温度的关系曲线
由图９可见，３种试样的热扩散率随温度升高都呈下降趋势，Ｈ１３钢下降缓慢，而
ＨＴＣＳ－１３０－１和ＨＴＣＳ－１３０－２下降剧烈，但３种试样
的热扩散率由高到低顺序始终为ａ（ＨＴＣＳ－１３０－２）＞
ａ（ＨＴＣＳ－１３０－１）＞ａ（Ｈ１３）．１００℃时ＨＴＣＳ－１３０－１和ＨＴＣＳ－１３０－２钢的热扩散率近乎是Ｈ１３钢的２倍；在热冲压模具钢服役温度４００℃左右时，ＨＴＣＳ－１３０－１和ＨＴＣＳ－１３０－２钢的热扩散率大约是Ｈ１３钢的１．５倍；７００℃时，三者的热扩散率比
较接近．产生上述现象的原因是金属导热主要为自由电子导热和声子导热，温度较低时主要以自由电子导热为主，但随着温度增加，晶格振动加剧，声子对自由电子运动的阻力增加，电子导热被削弱，而以声子导热为主［１３］．因此，ＨＴＣＳ－１３０在电子导热时拥有的优势丧失而显示出热扩散率急
·
５６·第１期尹学炜，等：高热导率热冲压模具材料ＨＴＣＳ－１３０性能的研究

剧下降，Ｈ１３钢热扩散率原本比较低所以显示下降缓慢．
２．４．４ 热导率的对比目前通用的合金材料热导率（λ）计算公式为
λ＝αρＣｐ，（１）式中：α为热扩散率；ρ为密度；Ｃｐ为比热容．
根据式（１）可知，只要测得α、ρ、Ｃｐ随温度变
化的具体数值，就可以得到模具材料的热导率随
温度的变化关系［１３］．根据以上测试得到的模具钢的比热容、密度以及热扩散率值，可以计算３种试
样的热导率，
温度/℃
热导率/（W?m-1?K-1
）
HTCS-130-1
HTCS-130-2国产优质H13
图１０ ＨＴＣＳ－１３０－１、ＨＴＣＳ－１３０－２与国产优质Ｈ１３的
热导率
金属以电子导热为主，热导率与电导率之间
遵从魏得曼－弗兰兹定律，电子在运动过程中受到热运动的原子和各种晶格缺陷的阻挡，从而形成对热量输运的阻力．热阻是热导率的倒数，它可分解为两部分：晶格振动形成的热阻和杂质缺陷
形成的热阻［１４］．钢的热导率跟成分、组织、杂质、点缺陷以及面缺陷有关．此外，热导率还随晶粒尺寸的增加而增加［１５］．合金元素的原子结构差异与
铁原子相差越大，它产生的晶格畸变越大，对晶格铁原子的热导率影响就越大［１４］．苏铁健等［１６－１７］在大量试验数据的基础上，用多元线性回归方法建立了合金钢的热导率与化学成分的定量关系式，指出Ｓｉ的外层电子结构与铁相差较大，它对钢的热导率影响比过渡族元素影响大得多．Ｓｉ在钢中以固溶体的形式存在，且外层电子结构与铁原子相差较大．日本野正道［１８］研究了压铸模用高热导率材料ＤＨＡ钢，发现热导率随着Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ的增加而减少，特别是Ｓｉ显著降低热导率，Ｓｉ质量分数从０．１增加到０．３时，热导率λ下降了
４Ｗ／（ｍ·Ｋ），而Ｍｏ和Ｖ对热导率的影响相对较小．Ｇ．Ｐｅ?ａ－Ｒｏｄｒíｇｕｅｚ等［１９］在研究碳钢ＡＰＩ５Ｌ－Ｘ５２的热扩散率时发现，Ｍｎ的质量分数提
高０．１能导致热扩散率降低３ｍｍ２／ｓ．从成分上可
见，西班牙材料ＨＴＣＳ－１３０钢的高热导率归功于超低含量的Ｓｉ，其质量分数仅为０．１７％，而国产
Ｈ１３钢的Ｓｉ质量分数高达０．９％；西班牙材料ＨＴＣＳ－１３０钢种Ｍｎ的质量分数较低为０．１６％，且基本不含Ｃｒ；而国产Ｈ１３中Ｍｎ的质量分数为０．３８％，Ｃｒ质量分数高达５．０４％．可见，化学成分的选择配比，是西班牙材料ＨＴＣＳ－１３０钢热导率远高于Ｈ１３钢的主要原因之一．
ＨＴＣＳ－１３０－２和ＨＴＣＳ－１３０－１钢是同一种材料，前序热处理工艺一样，ＨＴＣＳ－１３０－２仅比
ＨＴＣＳ－１３０－１多一次６４０℃回火．由图１０可知，充分回火的ＨＴＣＳ－１３０－２其热导率有明显优势．其原因可能是更高的回火温度使得晶粒长大，从金相图３（ｂ）也可看出其晶粒比图３（ａ）的大，大的晶粒尺寸有利于热导率的提高［１１］．增加一次高温回火使更多的合金元素从固溶体中析出，减少晶格畸变，这不仅减弱了合金元素对钢的热导率的影响，还消耗了更多固溶在基体中的碳元素，减
弱碳元素对铁晶格畸变的影响，降低碳对热导率的负面作用．
３ 结 论
１）退火态的ＨＴＣＳ－１３０钢组织均匀细小，淬
回火态ＨＴＣＳ－１３０钢的冲击韧性略低于Ｈ１３钢，硬度高于Ｈ１３钢．
２）ＨＴＣＳ－１３０钢的热稳定性能远优于Ｈ１３
钢．在经过６２０℃保温２０ｈ后，其硬度高出同样保
温２０ｈ的Ｈ１３钢约７ＨＲＣ，这与两者的合金化有关．Ｈ１３含富Ｃｒ的Ｍ２３Ｃ６或Ｍ７Ｃ３等碳化物容易聚集粗化，热稳定性较差，而ＨＴＣＳ－１３０钢主要含
Ｍｏ、Ｗ复杂特殊碳化物，这些碳化物在６２０℃保温２０ｈ后长大不明显，热稳定性能较好．３）ＨＴＣＳ－１３０钢的热导率远高于Ｈ１３钢，热扩散率是影响热导率的主要因素．ＨＴＣＳ－１３０－１和ＨＴＣＳ－１３０－２钢和Ｈ１３钢的比热容都随温度
升高而增大，三者的比热容和密度都比较接近，但ＨＴＣＳ－１３０钢的热扩散率始终高于国产优质Ｈ１３钢．在热冲压模具钢服役的温度４００℃左右时，
ＨＴＣＳ－１３０－１和ＨＴＣＳ－１３０－２钢的热扩散率大约是国产优质Ｈ１３钢的１．５倍．
４）ＨＴＣＳ－１３０－１和ＨＴＣＳ－１３０－２钢的热导率远高于Ｈ１３钢，ＨＴＣＳ－１３０钢的高热导率源于其合金化成分以及低含量的Ｓｉ和Ｃｒ．多一次高温回火的ＨＴＣＳ－１３０－２比ＨＴＣＳ－１３０－１钢的热导率更高．
·６６·材 料 科 学 与 工 艺               第２２卷

模具钢：618HH 718S 718H S136 S136H 8407 DF-2 DF-3 XW-41 XW-42 XW-5 KM-2 GS638 GS2311 GS2711 GS2738 GS2316 GS2083 GS2344 GS2510 GS2379 GS2080 GS2436 M201 M202 1.2363 M238 M300 M310 W302 K460 K110 K100 K107 S600 S705 S500 PX4 PX5 PX88 NAK55 NAK80 PAK90 S-STAR DHA1 GOA DC11 DC53 MH51 MH55 HPM7 HPM50 HPM38 DAC FDAC SGT ACD37 SLD SLD8 YXM1   YXM4 P20 P20NI P21 420 H13   D2 D3 D6 M2 M35 M42 1050 SUS420J2 SKD61 SKS3 SKD11 SKH51 SKH9 SKH59 S50C SS400 SS41 3CR2MO 4CR2MONI 15NI3MN 4CR13 2CR13 3CR13 9CRWMN CR12MOV 38CRMOAL 42CRMO

易车铁：Y12 Y15 Y20 Y30

经营板材厚度0.3MM- 300MM，圆棒直径3.2-320MM 规格 齐全

模具钢.冷轧板、 热轧板、酸洗板、镀锌板、电解板、 弹簧钢 、轴承钢、不锈钢 、镀铬棒、银钢支、冷拉钢材等金属材料。坚持;诚信第一、客户 第一、 质量第一、服务 第一" 的原则为广大客户 提供优质的服务。

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