H13是熱作模具鋼，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T1299-2000。;牌號(hào)4Cr5MoSiV1;合金工具鋼簡(jiǎn)稱(chēng)合工鋼，是在碳工鋼的基礎(chǔ)上加入合金元素而形成的鋼種。其中合工鋼包括:量具刃具用鋼、耐沖擊工具用鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼、無(wú)磁模具鋼、塑料模具鋼。

折疊編輯本段化學(xué)成分

C0.32~0.45，

Si0.80~1.20，

Mn0.20~0.50，

Cr4.75~5.50，

Mo1.10~1.75，

V0.80~1.20，

p≤0.030，

S≤0.030;

用途

H13模具鋼用于制造沖擊載荷大的鍛模，熱擠壓模，精鍛模;鋁、銅及其合金壓鑄模。

系引進(jìn)美國(guó)的H13空淬硬化熱作模具鋼。其性能、用途和4Cr5MoSiV鋼基本相同，但因其釩含量高一些，故中溫(600度)性能比4Cr5MoSiV鋼要好，是熱作模具鋼中用途很廣泛的一種代表性鋼號(hào)。

規(guī)格

H13模具鋼板 寬度(210-610)*厚度(6-80) 熱軋

H13模具鋼管 外徑(6-219)*壁厚(0.5-25)

H13模具鋼錠 電渣錠0.35T 0.5T 0.75T 1.0T

1.5T 1.8T 2.0T 2.2T 2.8T (3.0-8.0)T

熱處理

(交貨狀態(tài):布氏硬度HBW10/3000(小于等于235))

淬火:790度±15度預(yù)熱

1000度(鹽浴)或1010度(爐控氣氛)±6度加熱

保溫5~15min空冷

550度±6度回火退火、熱加工;

特性

電渣重熔鋼，該鋼具有高的淬透性和抗熱裂能力，該鋼含有較高含量的碳和釩，耐磨性好，韌性相對(duì)有所減弱，具有良好的耐熱性，在較高溫度時(shí)具有較好的強(qiáng)度和硬度，高的耐磨性和韌性，優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和較高的抗回火穩(wěn)定性。

硬度分析

鋼中含碳量決定淬火鋼的基體硬度，按鋼中含碳量與淬火鋼硬度的關(guān)系曲線(xiàn)可以知道,H13模具鋼淬火硬度在55HRC左右。對(duì)工具鋼而言，鋼中的碳一部分進(jìn)入鋼的基體中引起固溶強(qiáng)化。另外一部分碳將和合金元素中的碳化物形成元素結(jié)合成合金碳化物。對(duì)熱作模具鋼,這種合金碳化物除少量殘留的以外，還要求它在回火過(guò)程中在淬火馬氏體基體上彌散析出產(chǎn)生兩次硬化現(xiàn)象。從而由均勻分布的殘留合金碳化合物和回火馬氏體的組織來(lái)決定熱作模具鋼的性能。由此可見(jiàn)，鋼中的含C量不能太低。

熱處理工藝

1.預(yù)先熱處理 市場(chǎng)上供應(yīng)的H13鋼鋼材和模坯，在鋼廠都已作好退火熱處理，保證了具有良好的金相組織，適當(dāng)?shù)挠捕?，良好的加工性，無(wú)需再進(jìn)行退火。但制造廠進(jìn)行改鍛后破壞了原來(lái)的組織和性能，增加了鍛造應(yīng)力，必須進(jìn)行重新退火。

等溫球化退火工藝為:860~890℃加熱保溫2h，降溫到740~760℃等溫4h，爐冷到500℃左右出爐。

2.淬火及回火 要求韌性好的模具淬火工藝規(guī)范:加熱溫度1020~1050℃，油冷或空冷，硬度54~58HRC;要求熱硬性為主的模具淬火工藝規(guī)范、加熱溫度1050~1080℃，油冷，硬度56~58HRC。

推薦回火溫度:530~560℃，硬度48~52HRC;回火溫度560~580℃;硬度47~49HRC。

回火應(yīng)進(jìn)行兩次。在500℃回火時(shí)，出現(xiàn)回火二次硬化峰，回火硬度最高，峰值在55HRC左右，但韌性最差。因此，回火工藝應(yīng)避開(kāi)500℃左右為宜。根據(jù)模具的使用需要，在540~620℃范圍內(nèi)回火較好。

淬火加熱應(yīng)進(jìn)行兩次預(yù)熱(600~650℃，800~850℃)，以減少加熱過(guò)程產(chǎn)生熱應(yīng)力。

3.化學(xué)熱處理 H13鋼若進(jìn)行氣體滲氮或氮碳共滲可使模具進(jìn)一步強(qiáng)化，但其氮化溫度不應(yīng)高于回火溫度，以保證心部強(qiáng)度不降低，從而提高模具的使用壽命。

化學(xué)成份

H13鋼是C-Cr-Mo-Si-V型鋼,在世界上的應(yīng)用極其普遍,同時(shí)各國(guó)許多學(xué)者對(duì)它進(jìn)行了廣泛的研究,并在探究化學(xué)成分的改進(jìn)。鋼的應(yīng)用廣泛和具有優(yōu)良的特性,主要由鋼的化學(xué)成分決定的。當(dāng)然鋼中雜質(zhì)元素必須降低,有資料表明,當(dāng)Rm在1550MPa時(shí),材料含硫量由0.005%降到0.003%,會(huì)使沖擊韌度提高約13J。十分明顯,NADCA 207-2003標(biāo)準(zhǔn)就規(guī)定:優(yōu)級(jí)(premium)H13鋼含硫量小于0.005%,而超級(jí)(superior)的應(yīng)小于0.003%S和0.015%P。下面對(duì)H13鋼的成分加以分析。

碳:美國(guó)AISI H13，UNS T20813，ASTM(最新版)的H13和FED QQ-T-570的H13鋼的含碳量都規(guī)定為(0.32~0.45)%，是所有H13鋼中含碳量范圍最寬的。德國(guó)X40CrMoV5-1和1.2344的含碳量為(0.37~0.43)%，含碳量范圍較窄，德國(guó)DIN17350中還有X38CrMoV5-1的含碳量為(0.36~0.42)%。日本SKD 61的含碳量為(0.32~0.42)%。我國(guó)GB/T 1299和YB/T 094中4Cr5MoSiV1和SM 4Cr5MoSiV1的含碳量為(0.32~0.42)%和(0.32~0.45)%，分別與SKD61和AISI H13相同。特別要指出的是:北美壓鑄協(xié)會(huì)NADCA 207-90、207-97和207-2003標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)H13鋼的含碳量都規(guī)定為(0.37~0.42)%。

含5%Cr的H13鋼應(yīng)具有高的韌度，故其含C量應(yīng)保持在形成少量合金C化物的水平上。Woodyatt 和Krauss指出在870℃的Fe-Cr-C三元相圖上,H13鋼的位置在奧氏體A和(A+M3C+M7C3)三相區(qū)的交界位置處較好。相應(yīng)的含C量約0.4%。圖上還標(biāo)出增加C或Cr量使M7C3量增多,具有更高耐磨性能的A2和D2鋼以作比較。另外重要的是,保持相對(duì)較低的含C量是使鋼的Ms點(diǎn)取于相對(duì)較高的溫度水平(H13鋼的Ms一般資料介紹為340℃左右)，使該鋼在淬冷至室溫時(shí)獲得以馬氏體為主加少量殘余A和殘留均勻分布的合金C化物組織，并經(jīng)回火后獲得均勻的回火馬氏體組織。避免使過(guò)多殘余奧氏體在工作溫度下發(fā)生轉(zhuǎn)變影響工件的工作性能或變形。這些少量殘余奧氏體在淬火以后的兩次或三次回火過(guò)程中應(yīng)予以轉(zhuǎn)變完全。這兒順便指出，H13鋼淬火后得到的馬氏體組織為板條M+少量片狀M+少量殘余A。經(jīng)回火后在板條狀M上析出的很細(xì)的合金碳化物，國(guó)內(nèi)學(xué)者也作了一定工作。

模具鋼分析

眾所周知，鋼中增加碳含量將提高鋼的強(qiáng)度，對(duì)熱作模具鋼而言，會(huì)使高溫強(qiáng)度、熱態(tài)硬度和耐磨損性提高，但會(huì)導(dǎo)致其韌度的降低。學(xué)者在工具鋼產(chǎn)品手冊(cè)文獻(xiàn)中將各類(lèi)H型鋼的性能比較很明顯證明了這個(gè)觀點(diǎn)。通常認(rèn)為導(dǎo)致鋼塑性和韌度降低的含碳量界限為0.4%。為此要求人們?cè)阡摵辖鸹O(shè)計(jì)時(shí)遵循下述原則:在保持強(qiáng)度前提下要盡可能降低鋼的含碳量,有資料已提出:在鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)1550MPa以上時(shí),含C量在0.3%-0.4%為宜。H13鋼的強(qiáng)度Rm，有文獻(xiàn)介紹為1503.1MPa(46HRC時(shí))和1937.5MPa(51HRC時(shí))。

查閱FORD和GM公司資料推薦的TQ-1、Dievar和ADC3等鋼中的含C量都為0.39%和0.38%等，相應(yīng)的韌度指標(biāo)等列于表1，其理由可由此管窺所及。

對(duì)要求更高強(qiáng)度的熱作模具鋼，采用的方法是在H13鋼成分的基礎(chǔ)上提高M(jìn)o含量或提高含碳量，這將在后面還會(huì)論及，當(dāng)然韌度和塑性的略為降低是可以預(yù)料的。

鉻: 鉻是合金工具鋼中最普遍含有的和價(jià)廉的合金元素。在美國(guó)H型熱作模具鋼中含Cr量在2%~12%范圍。在我國(guó)合金工具鋼(GB/T1299)的37個(gè)鋼號(hào)中,除8CrSi和9Mn2V外都含有Cr。鉻對(duì)鋼的耐磨損性、高溫強(qiáng)度、熱態(tài)硬度、韌度和淬透性都有有利的影響，同時(shí)它溶入基體中會(huì)顯著改善鋼的耐蝕性能，在H13鋼中含Cr和Si會(huì)使氧化膜致密來(lái)提高鋼的抗氧化性。再則以Cr對(duì)0.3C-1Mn鋼回火性能的作用來(lái)分析，加入<6% Cr對(duì)提高鋼回火抗力是有利的，但未能構(gòu)成二次硬化;當(dāng)含Cr>6%的鋼淬火后在550℃回火會(huì)出現(xiàn)二次硬化效應(yīng)。人們對(duì)熱作鋼模具鋼一般選5%鉻的加入量。

工具鋼中的鉻一部分溶入鋼中起固溶強(qiáng)化作用，另一部分與碳結(jié)合,按含鉻量高低以(FeCr)3C、(FeCr)7C3和M23C6形式存在，從而來(lái)影響鋼的性能。另外還要考慮合金元素的交互作用影響，如當(dāng)鋼中含鉻、鉬和釩時(shí)，Cr>3%^[14]時(shí)，Cr能阻止V4C3的生成和推遲Mo2C的共格析出，V4C3和Mo2C是提高鋼材的高溫強(qiáng)度和抗回火性的強(qiáng)化相^[14]，這種交互作用提高該鋼耐熱變形性能。

鉻溶入鋼奧氏體中增加鋼的淬透性。Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si﹑Ni都與Cr一樣是增加鋼淬透性的合金元素。人們習(xí)慣用淬透性因子加以表征,一般國(guó)內(nèi)現(xiàn)有資料[15]還只應(yīng)用Grossmann等的資料,后來(lái)Moser和Legat[16,22]的更進(jìn)一步工作提出由含C量和奧氏體晶粒度決定基本淬透性直徑Dic和合金元素含量確定的淬透性因子(示于圖3中)來(lái)計(jì)算合金鋼的理想臨界直徑Di,也可從下式作近似計(jì)算: Di=Dic×2.21Mn×1.40Si×2.13Cr×3.275Mo×1.47Ni (1) (1)式中各合金元素以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示。由該式，人們對(duì)Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si和Ni元素影響鋼淬透性有相當(dāng)明確的半定量了解。

Cr對(duì)鋼共析點(diǎn)的影響，它和Mn大致相似，在約5%的含鉻量時(shí)，共析點(diǎn)的含C量降到0.5%左右。另外Si﹑W﹑Mo﹑V﹑Ti的加入更顯著降低共析點(diǎn)含C量。為此可以知道:熱作模具鋼和高速鋼一樣屬于過(guò)共析鋼。共析含C量的降低，將增加奧氏體化后組織中和最后組織中的合金碳化物含量。

鋼中合金C化物的行為與其自身的穩(wěn)定性有關(guān)，實(shí)際上，合金C化物的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性與相應(yīng)C化物形成元素的d電子殼層和S電子殼層的電子欠缺程度相關(guān)[17]。隨著電子欠缺程度下降，金屬原子半徑隨之減小，碳和金屬元素的原子半徑比rc/rm增加，合金C化物由間隙相向間隙化合物變化，C化物的穩(wěn)定性減弱，其相應(yīng)熔化溫度和在A中溶解溫度降低，其生成自由能的絕對(duì)值減小，相應(yīng)的硬度值下降。具有面心立方點(diǎn)陣的VC碳化物，穩(wěn)定性高，約在900~950℃溫度開(kāi)始溶解，在1100℃以上開(kāi)始大量溶解(溶解終結(jié)溫度為1413℃)[17];它在500~700℃回火過(guò)程中析出，不易聚集長(zhǎng)大，能作為鋼中強(qiáng)化相。中等碳化物形成元素W 、Mo形成的M2C和MC 碳化物具有密排和簡(jiǎn)單六方點(diǎn)陣，它們的穩(wěn)定性較差些，亦具較高的硬度、熔點(diǎn)和溶解溫度，仍可作為在500~650℃范圍使用鋼的強(qiáng)化相。M23C6(如Cr23C6等)具有復(fù)雜立方點(diǎn)陣，穩(wěn)定性更差，結(jié)合強(qiáng)度較弱，熔點(diǎn)和溶解溫度較低(在1090℃溶入A中)，只有在少數(shù)耐熱鋼中經(jīng)綜合合金化后才有較高穩(wěn)定性(如(CrFeMoW)23C6,可作為強(qiáng)化相。具有復(fù)雜六方結(jié)構(gòu)的M7C3(如Cr7C3、 Fe4Cr3C3或Fe2Cr5C3)的穩(wěn)定性更差，它和Fe3C類(lèi)碳化物一樣很易溶解和析出，具有較大的聚集長(zhǎng)大速度，一般不能作為高溫強(qiáng)化相[17]。

我們?nèi)詮腇e-Cr-C三元相圖可以簡(jiǎn)便了解H13鋼中的合金碳化物相。按Fe-Cr-C系700℃[18~20]和870℃[9]三元等溫截面的相圖,對(duì)含0.4%C鋼中,隨Cr量增加會(huì)出現(xiàn)(FeCr)3C(M3C)和(CrFe)7C3(M7C3)型合金碳化物。注意在870℃圖上,只有含Cr量大于11%才會(huì)出現(xiàn)M23C6)。另外根據(jù)Fe-Cr-C三元系在5%Cr時(shí)的垂直截面,對(duì)含0.40%C的鋼在退火狀態(tài)下為α相(約固溶1%Cr)和(CrFe)7C3合金C化物。當(dāng)加熱至791℃以上形成奧氏體A和進(jìn)入(α+A+M7C3)三相區(qū),在795℃左右進(jìn)入(A+M7C3)兩相區(qū),約在970℃時(shí),(CrFe)7C3消失,進(jìn)入單相A區(qū)。當(dāng)基體含C量<0.33%時(shí),在793℃左右才存在(M7C3+M23C6和A)的三相區(qū),在796℃進(jìn)入(A+M7C3)區(qū)(0.30%C時(shí))，以后一直保持到液相。鋼中殘留的M7C3有阻止A晶粒長(zhǎng)大的作用。Nilson提出，對(duì)1.5%C-13%Cr的成分合金，欠穩(wěn)定(CrFe)23C6不形成[20]。當(dāng)然,單以Fe-Cr-C三元系分析會(huì)有一些偏差,要考慮加入合金元素的影響。