H13簡介

H13是熱作模具鋼，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T1299—2000。；牌號4Cr5MoSiV1.合金工具鋼，簡稱合工鋼，是在碳工鋼的基礎(chǔ)上加入合金元素形成的鋼種。合工鋼包括：量具刃鋼、耐沖擊工具鋼、冷模鋼、熱模鋼、無磁模鋼、塑料模鋼。

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)美國的H13空淬硬化熱作模具鋼。其性能、用途和4Cr5MoSiV鋼基本相同，但由于釩含量較高，因此，中溫(600度)的性能比4Cr5MoSiV鋼是熱作模具鋼中廣泛使用的代表性鋼號。

特性

電渣重熔鋼，具有高淬火和耐熱裂紋能力，含碳和釩含量高，耐磨性好，韌性相對較弱，耐熱性好，強(qiáng)度和硬度高，耐磨韌性高，綜合力學(xué)性能優(yōu)異，抗回火穩(wěn)定性高。

硬度分析

淬火鋼的基體硬度取決于鋼中碳含量與淬火鋼硬度的關(guān)系曲線，H13模具鋼淬火硬度為55HRC左右。對于工具鋼，鋼中的部分碳進(jìn)入鋼的基體，導(dǎo)致固體溶解和強(qiáng)化。另一部分碳將與合金元素中的碳化物形成元素結(jié)合成合金碳化物。對于熱作模具鋼，該合金碳化物除少量殘留外，還需要在淬火馬氏體基體上進(jìn)行兩次硬化。因此，熱作模具鋼的性能由殘留合金碳化合物和回火馬氏體的組織均勻分布決定?？梢钥闯觯撝械暮緾量不宜過低。

H13熱處理工藝

1.預(yù)先熱處理 市場上供應(yīng)的H13鋼和模坯，鋼廠已進(jìn)行退火熱處理，確保金相組織良好，硬度適當(dāng)，加工性好，無需退火。但改鍛后，廠家破壞了原有的組織和性能，增加了鍛造應(yīng)力，必須重新退火。

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.淬火和回火 模具淬火工藝規(guī)范要求韌性好：加熱溫度1020~1050℃，油冷或空冷，硬度54~58HRC；模具淬火工藝規(guī)范要求熱硬度為主，加熱溫度為1050~1080℃，油冷，硬度56~58HRC。

回火溫度為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?！婊鼗饡r出現(xiàn)回火二次硬化峰，回火硬度最高，峰值55HRC但韌性最差。因此，回火工藝應(yīng)避免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)預(yù)熱兩次(600~650℃，800～850℃），減少加熱過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

3.化學(xué)熱處理 H13鋼氣體氮或氮碳共滲可進(jìn)一步加強(qiáng)模具，但其氮化溫度不應(yīng)高于回火溫度，以確保心臟強(qiáng)度不降低，從而提高模具的使用壽命。

眾所周知，鋼中碳含量的增加將提高鋼的強(qiáng)度。對于熱模具鋼，它將提高高溫強(qiáng)度、熱硬度和耐磨性，但會降低其韌性。學(xué)者們將在工具鋼產(chǎn)品手冊中提供各種文獻(xiàn)H型鋼的性能明顯證明了這一觀點(diǎn)。一般認(rèn)為，導(dǎo)致鋼塑性和韌性降低的碳含量限制為0.4%。因此，要求人們在鋼合金化設(shè)計(jì)中遵循以下原則：在保持強(qiáng)度的前提下，盡量降低鋼的碳含量。有數(shù)據(jù)表明，鋼的抗拉強(qiáng)度為1550MPa以上時,含C量在0.3%-0.4%為宜。H13鋼的強(qiáng)度Rm，文獻(xiàn)介紹1503.1MPa(46HRC時)和1937.5MPa(51HRC時)。

查閱FORD和GM推薦公司信息TQ-1、Dievar和ADC3等鋼中的含C量都為0.39%和0.38%等，表1中列出了相應(yīng)的韌性指標(biāo)，其原因可以從中窺見。

對于需要更高強(qiáng)度的熱作模具鋼，采用的方法是H在提高13鋼成分的基礎(chǔ)上Mo含碳量或含碳量的增加將在后面討論。當(dāng)然，可以預(yù)測韌性和塑性會略有降低。

2.2 鉻： 鉻是合金工具鋼中最常見、最便宜的合金元素。H熱作模具鋼中含有Cr量在2%~12%的范圍。我國合金工具鋼（GB/T1299)37個鋼號中，除8CrSi和9Mn2V外都含有Cr。鉻對鋼的耐磨性、高溫強(qiáng)度、熱硬度、韌性和淬火性有良好的影響，溶解在基體中會顯著提高鋼的耐腐蝕性H13鋼中含Cr和Si會使氧化膜致密，提高鋼的抗氧化性。Cr對0.3C-1Mn分析鋼回火性能的作用，添加﹤6% Cr有利于提高鋼的回火阻力，但不能構(gòu)成二次硬化；當(dāng)含有Cr﹥550℃回火會產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)。熱作鋼模具鋼的添加量一般為5%鉻。

工具鋼中的鉻部分溶解在鋼中起固溶強(qiáng)化作用，另一部分與碳結(jié)合，根據(jù)鉻含量(FeCr)3C、(FeCr)7C3和M23C6形式存在，從而影響鋼的性能。此外，當(dāng)鋼中含有鉻、鉬和釩時，還應(yīng)考慮合金元素的交互作用，Cr>3%^[14]時，Cr能阻止V4C3.生成和延遲Mo2C共格析出，V4C3和Mo2C提高鋼的高溫強(qiáng)度和抗回火性^[14]，這種交互作用提高該鋼耐熱變形性能。

鉻溶入鋼奧氏體，增加鋼的淬透性。Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si﹑Ni都與Cr它也是增加鋼淬透性的合金元素。人們習(xí)慣于用淬透因子來表示。一般國內(nèi)現(xiàn)有數(shù)據(jù)[15]只適用于Grossmann等待信息，后來Moser和Legat提出[16、22]進(jìn)一步工作C基本淬透直徑由奧氏體晶粒度決定Dic計(jì)算合金鋼的理想臨界直徑，并根據(jù)合金元素含量確定淬透因子（見圖3）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Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si和Ni對鋼淬透性的影響有相當(dāng)清晰的半定量理解。

Cr它及其對鋼共析點(diǎn)的影響Mn大致相似，共析點(diǎn)的含鉻量約為5%C量降到0.5%左右Si﹑W﹑Mo﹑V﹑Ti加入顯著減少了共析點(diǎn)的含量C數(shù)量。因此，熱作模具鋼和高速鋼屬于過分析鋼。共析含量C奧氏體化后組織中和最終組織中合金碳化物含量的減少。

鋼中合金C化學(xué)物質(zhì)的行為與其自身的穩(wěn)定性有關(guān)事實(shí)上，合金C化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性性C化物形成元素d電子殼層和S電子殼層的電子缺乏程度與[17]有關(guān)。隨著電子缺乏程度的下降，金屬原子半徑減小，碳和金屬元素的原子半徑比rc/rm增加，合金C化合物從間隙相對間隙變化，C其相應(yīng)的熔化溫度和化學(xué)穩(wěn)定性減弱A溶解溫度降低，產(chǎn)生自由能的絕對值降低，相應(yīng)的硬度值降低。面心立方點(diǎn)陣VC碳化物穩(wěn)定性高，約9000~950℃溫度開始溶解，11000℃大量溶解開始(溶解終結(jié)溫度為1413)℃）[17]；它在500~700℃回火過程中沉淀，不易聚集生長，可作為鋼中的強(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℃鋼的強(qiáng)化相用于范圍。M23C6(如Cr23C6等)立方點(diǎn)陣復(fù)雜，穩(wěn)定性差，結(jié)合強(qiáng)度弱，熔點(diǎn)和溶解溫度低(1090℃溶入A中)只有少數(shù)耐熱鋼經(jīng)綜合金化后才有較高的穩(wěn)定性(如（CrFeMoW）23C6.可作為強(qiáng)化相。六方結(jié)構(gòu)復(fù)雜M7C3(如Cr7C3、 Fe4Cr3C3或Fe2Cr5C3)穩(wěn)定性較差，和Fe3C類碳化物也容易溶解和沉淀，聚集生長速度大，一般不能用作高溫強(qiáng)化相[17]。

我們?nèi)詮腇e-Cr-C三元相圖可以簡單理解H13鋼中的合金碳化物相。Fe-Cr-C系700℃[18~20]和870℃[9]三元等溫截面的相圖為0.4%C鋼中,隨Cr會出現(xiàn)量增加（FeCr）3C（M3C）和（CrFe）7C3(M7C3)型合金碳化物。注意870℃圖中，只包含Cr量大于11%才會出現(xiàn)M23C6)。另外根據(jù)Fe-Cr-C三元系在5%Cr當(dāng)時的垂直截面是0.40%C退火狀態(tài)下的鋼α相(約1%固溶)Cr）和（CrFe）7C3合金C化學(xué)物質(zhì)。加熱到791℃以上形成奧氏體A和進(jìn)入（α A M7C3)三相區(qū)，795℃左右進(jìn)入（A M7C3)兩相區(qū)約970℃時,（CrFe）7C消失，進(jìn)入單相A區(qū)。當(dāng)基體含有時C量﹤0.33%時,在793℃左右才存在（M7C3 M23C6和A）七九六三相區(qū)℃進(jìn)入（A M7C3）區(qū)（0.30%C時），以后一直保持到液相。鋼中殘留物M7C3有阻止A晶粒生長的作用。Nilson提出，對1.5%C-13%Cr成分合金，不穩(wěn)定（CrFe）23C6不形成[20]。當(dāng)然，單以Fe-Cr-C三元分析會有一些偏差，要考慮合金元素的影響。