H13簡(jiǎn)介

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，但由于釩含量較高，中溫(600度)性能比4Cr5MoSiV鋼是熱作模具鋼中廣泛使用的代表性鋼號(hào)。

特性

電渣重熔鋼，具有較高的淬透性和抗熱裂性，鋼含碳和釩含量高，耐磨性好，韌性相對(duì)較弱，耐熱性好，強(qiáng)度和硬度高，耐磨韌性高，綜合力學(xué)性能好，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(duì)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(duì)于熱作模具鋼，該合金碳化物除少量殘留物外，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的均勻分布和回火馬氏體的組織決定。因此，鋼中的C含量不能太低。

H13熱處理工藝

1.預(yù)熱處理 市場(chǎng)供應(yīng)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。

二、淬火及回火 模具淬火工藝規(guī)范：加熱溫度為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。℃回火時(shí)，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)進(jìn)行兩次預(yù)熱（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 H如果進(jìn)行氣體滲氮或氮碳共滲，模具可以進(jìn)一步加強(qiáng)，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。

眾所周知，鋼中碳含量的增加將提高鋼的強(qiáng)度。對(duì)于熱模具鋼，它會(huì)提高高溫強(qiáng)度、熱硬度和耐磨性，但會(huì)降低其韌性。學(xué)者們?cè)诠ぞ咪摦a(chǎn)品手冊(cè)中明顯證明了各種H型鋼的性能。一般認(rèn)為，導(dǎo)致鋼塑性和韌性降低的碳含量邊界為0.4%。因此，要求人們?cè)阡摵辖鸹O(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，提出鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)到1550MPaC含量在0以上.3%-0.4%為宜。H13鋼的強(qiáng)度Rm，文獻(xiàn)介紹1503.1MPa(46HRC時(shí))和1937.5MPa(51HRC時(shí))。

查閱FORD和GM推薦公司信息TQ-1、Dievar和ADC3等鋼的C含量為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(duì)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。

2.2 鉻： 鉻是合金工具鋼中最常見、最便宜的合金元素。H型熱作模具鋼在美國(guó)含有Cr量在2%~12%的范圍。我國(guó)合金工具鋼（GB/T1299)37個(gè)鋼號(hào)，除8CrSi和9Mn2V外都含有Cr。鉻對(duì)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(huì)顯著提高鋼的耐腐蝕性H13鋼中含Cr和Si會(huì)使氧化膜致密，提高鋼的抗氧化性。Cr對(duì)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(huì)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(shí)，還應(yīng)考慮合金元素的交互作用，Cr>3%^[14]時(shí)，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]，這種交互作用提高了鋼的耐熱變形性。

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(guó)內(nèi)現(xiàn)有數(shù)據(jù)[15]只適用于Grossmann等待信息，后來Moser和Legat[16、22]的進(jìn)一步工作提出，基本淬透直徑由C含量和奧氏體晶粒度決定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,也可以從下式計(jì)算近似： Di=Dic×2.21Mn×1.40Si×2.13Cr×3.275Mo×1.47Ni (1) (1)公式中的合金元素以質(zhì)量百分比表示。通過這種方式，人們對(duì)待它Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si和Ni對(duì)鋼淬透性的影響有相當(dāng)清晰的半定量理解。

Cr它及其對(duì)鋼共析點(diǎn)的影響Mn大致相似，含鉻量在5%左右，分析點(diǎn)的C含量降至0.5%左右Si﹑W﹑Mo﹑V﹑Ti添加顯著降低了共析點(diǎn)的C含量。因此，我們可以知道熱模具鋼和高速鋼一樣是過分析鋼。降低共析C含量將增加奧氏體化后組織和最終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)。事實(shí)上，合金C化物的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性與相應(yīng)C化物形成元素的D電子外殼層和S電子外殼層的電子缺關(guān)[17]。隨著電子缺乏的下降，金屬原子半徑減小，碳和金屬元素的原子半徑比rc/rm合金C化物由間隙相對(duì)間隙化合物變化，C降低了化學(xué)物質(zhì)的穩(wěn)定性，降低了相應(yīng)的熔化溫度和A中的溶解溫度，降低了產(chǎn)生自由能的絕對(duì)值，降低了相應(yīng)的硬度值。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℃以上開始大量溶解（溶解終結(jié)溫度為1413℃）[17]；它在500~700℃回火過程中沉淀，不易聚集和生長(zhǎng)，可作為鋼的強(qiáng)化階段。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)單的六方點(diǎn)陣，穩(wěn)定性較差，硬度、熔點(diǎn)和溶解溫度較高，仍可作為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碳化物易溶解沉淀，聚集生長(zhǎng)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(jiǎn)單理解H13鋼中的合金碳化物相。Fe-Cr-C系700℃[18~20]和870℃[9]三元等溫截面相圖，對(duì)含0.4%C鋼中,隨Cr會(huì)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(huì)出現(xiàn)M23C6)。另外根據(jù)Fe-Cr-C三元系在5%Cr當(dāng)時(shí)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化物。加熱到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970℃時(shí),（CrFe）7C3消失，進(jìn)入單相A區(qū)。當(dāng)基體含有C時(shí)﹤0.33%時(shí),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以后一直保持到液相。鋼中殘留物M7C防止A晶粒生長(zhǎng)。Nilson提出，對(duì)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(huì)有一些偏差，要考慮合金元素的影響。