0.32~0.450.80~1.200.20~0.504.75~5.501.10~1.750.80~1.20≤0.030≤0.030
用途
H13模具钢用于制造冲击载荷大的锻模、热挤压模、精锻模;铝、铜及其合金压铸模。引进美国H13空淬硬化热作模具钢。其性能、用途和4Cr5MoSiV钢基本相同,但由于钒含量较高,中温(600度)性能比4Cr5MoSiV钢要好,是热作模具钢中用途很广泛的一种代表性钢号。
热处理
(交货状态:布氏硬度:布氏硬度HBW10/3000(小于等于235)
淬火:790度±15度预热
1000度(盐浴)或1010度(炉控气氛)±6度加热
保温5~15min空冷
550度±6度退火、热加工;
特性
h13重熔钢,钢具有高淬火和耐热裂纹能力,含碳和钒含量高,耐磨性好,韧性相对较弱,耐热性好,强度和硬度高,耐磨韧性高,综合力学性能优异,抗回火稳定性高。
硬度分析
淬火钢的基体硬度取决于钢中碳含量与淬火钢硬度的关系曲线,H13模具钢淬火硬度为55HRC左右。对于工具钢,钢中的部分碳进入钢的基体,导致固体溶解和强化。另一部分碳将与合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。对于热模具钢,该合金碳化物除少量残留外,还需要在淬火马氏体基体上进行两次硬化。因此,热模具钢的性能由残留合金碳化合物和回火马氏体的组织均匀分布决定。钢的C含量不宜过低。
热处理工艺
1.预热处理
市场供应H13钢和模坯已在钢厂进行退火热处理,确保金相组织良好,硬度适当,加工性好,无需退火。但改锻后,厂家破坏了原有的组织和性能,增加了锻造应力,必须进行重新退火。
等温球化退火工艺为860~890℃加热保温2h,降温到740~760℃等温4h,炉冷到500℃左右出炉。
二、淬火及回火
模具淬火工艺规范:加热温度为1020~1050℃,油冷或空冷,硬度54~58HRC;模具淬火工艺规范要求热硬度为主,加热温度为1050~1080℃,油冷,硬度56~58HRC。
回火温度为530~560℃,硬度48~52HRC;回火温度560~580℃;硬度47~49HRC。
回火应进行两次。℃回火时出现回火二次硬化峰,回火硬度最高,峰值55HRC但韧性最差。因此,回火工艺应避免500℃左右为宜。根据使用模具的需要,在540~620℃范围内回火较好。
淬火加热应预热两次(600~650℃,800~850℃),减少加热过程中产生的热应力。
3.化学热处理
H气体渗氮或氮碳共渗可进一步加强模具,但其氮化温度不得高于回火温度,确保心脏强度不降低,从而提高模具的使用寿命。
钢的化学成分
H13钢是C-Cr-Mo-Si-V型钢在世界上得到了广泛的应用。与此同时,许多来自世界各地的学者对其进行了广泛的研究,并探索了化学成分的改进。钢的广泛应用和优良特性主要由钢的化学成分决定。当然,必须减少钢中的杂质元素,有资料表明,当Rm在1550MPa材料硫含量为0.005%降到0.003%会使冲击韧性提高约13%J。十分明显,NADCA
规定207-2003标准:优级(premium)H13钢硫含量小于0.005%,而超级(superior)的应小于0.003%S和0.015%P。下面对H分析了13钢的成分。
碳:美国AISI H13,UNS T20813,ASTM(最新版)H13和FED
QQ-T-570的H13钢的碳含量规定为(0.32~0.45%,是全部H13钢含碳量最广。X40CrMoV5-1和1.2344含碳量为(0.37~0.43)%,含碳量范围窄,德国DIN17350中还有X38CrMoV5-含碳量为(0.36~0.42)%。日本SKD
61含碳量为(0.32~0.42)%。我国GB/T 1299和YB/T 094中4Cr5MoSiV1和SM
4Cr5MoSiV含碳量为(0.32~0.42)%和(0.32~0.45)%,分别与SKD61和AISI H13相同。特别是北美压铸协会NADCA
207-90,207-97,207-2003标准H13钢的碳含量规定为(0.37~0.42)%。
含5%Cr的H13钢应具有较高的韧性,因此其含C量应保持在形成少量合金C化物的水平。Woodyatt
和Krauss指出在870℃的Fe-Cr-C在三元相图上,H13钢位于奥氏体A和(A M3C M7C3)三相区交界处较好。相应的C含量约为0.4%。图中还标注增加C或Cr量使M7C3量增加,耐磨性能更高A2和D2钢作比较。此外,保持相对较低的C含量是很重要的Ms温度水平相对较高(H13钢的Ms一般资料介绍340℃左右),使钢在淬火至室温时获得以马氏体为主的少量残留A和残留均匀分布的合金C化物组织,回火后获得均匀的回火马氏体组织。避免过多的残余奥氏体在工作温度下发生变化,影响工件的工作性能或变形。在淬火后的两三次回火过程中,应完全改变这些少量残余奥氏体。顺便说一句,H13钢淬火后获得的马氏体组织为板条M 少量片状M 少量残余A。国内学者在板条状M上沉淀的细合金碳化物回火后也做了一些工作。
模具钢分析
众所周知,增加钢中的碳含量会提高钢的强度。对于热模具钢,它会提高高温强度、热硬度和耐磨性,但会降低其韧性。学者们在工具钢产品手册中明显证明了各种H型钢的性能。一般认为,导致钢塑性和韧性降低的碳含量限制为0.4%。因此,要求人们在钢合金化设计中遵循以下原则:在保持强度的前提下,尽量降低钢的碳含量,提出钢抗拉强度达到1550MPaC含量在0以上.3%-0.4%为宜。H13钢的强度Rm,文献介绍1503.1MPa(46HRC时)和1937.5MPa(51HRC时)。
查阅FORD和GM推荐公司信息TQ-1、Dievar和ADC3等钢的C含量为0.39%和0.38%等,表1中列出了相应的韧性指标,其原因可以从中窥见。
对于需要更高强度的热作模具钢,采用的方法是H在提高13钢成分的基础上Mo含碳量或含碳量的增加将在后面讨论。当然,可以预测韧性和塑性会略有降低。
铬:
铬是合金工具钢中最常见、最便宜的合金元素。H型热作模具钢在美国含有Cr量在2%~12%的范围。我国合金工具钢(GB/T1299)37个钢号,除8CrSi和9Mn2V外都含有Cr。铬对钢的耐磨性、高温强度、热硬度、韧性和淬火性有良好的影响,溶解在基体中会显著提高钢的耐腐蚀性H13钢中含Cr和Si会使氧化膜致密,提高钢的抗氧化性。Cr对0.3C-1Mn分析钢回火性能的作用,添加﹤6%
Cr有利于提高钢回火抗力,但不能构成二次硬化;当Cr﹥550℃回火会产生二次硬化效应。热作钢模具钢的添加量一般为5%铬。
工具钢中的铬一部分溶入钢中起固溶强化作用,另一部分与碳结合,按含铬量高低以(FeCr)3C、(FeCr)7C3和M23C6形式存在,从而影响钢的性能。此外,还应考虑合金元素的交互作用,如果钢中含有铬、钼和钒,Cr>3%[14]时,Cr能阻止V4C3.生成和延迟Mo2C共格析出,V4C3和Mo2C这种交互作用提高了钢的耐热变形性能,提高了钢的高温强度和抗回火性。
铬溶入钢奥氏体,增加钢的淬透性。Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si﹑Ni都与Cr也是增加钢淬透性的合金元素。人们习惯用淬透因子来表示,国内现有资料[15]一般只使用Grossmann等待信息,后来Moser和Legat[16、22]的进一步工作提出,基本淬透直径由C含量和奥氏体晶粒度决定Dic计算合金钢的理想临界直径,并根据合金元素含量确定淬透因子(见图3)Di,也可以从下式计算近似:
Di=Dic×2.21Mn×1.40Si×2.13Cr×3.275Mo×1.47Ni (1)
(1)型式中的合金元素以质量百分比表示。这种类型,人们对Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si和Ni元素影响钢淬透性有相当明确的半定量了解。
Cr它及其对钢共析点的影响Mn大致相似,当含铬量约为5%时,共析点的C含量降至0.5%左右Si﹑W﹑Mo﹑V﹑Ti加入显著降低了共析点的C含量。因此,可以知道热作模具钢和高速钢一样属于过分析钢。降低C含量,奥氏体化后组织中和最终组织中的合金碳化物含量将增加。
钢中合金C化物的行为与其自身的稳定性有关。事实上,合金C化物的结构和稳定性与相应C化物形成元素的D电子外壳和S电子外壳的电子缺乏有关[17]。随着电子缺乏的下降,金属原子半径减小,碳和金属元素的原子半径比rc/rm增加,合金C化合物由间隙相对间隙化合物变化,C降低了化学物质的稳定性,降低了相应的熔化温度和A中的溶解温度,降低了产生自由能的绝对值,降低了相应的硬度值。面心立方点阵VC碳化物稳定性高,约9000~950℃温度开始溶解,11000℃大量溶解开始(溶解终结温度为1413)℃)[17];它在500~700℃回火过程中沉淀,不易聚集和生长,可作为钢的强化阶段。中等碳化物形成元素W
、Mo形成的M2C和MC
碳化物具有密排和简单的六方点阵,稳定性较差,硬度、熔点和溶解温度较高,仍可作为500~650℃钢的强化相用于范围。M23C6(如Cr23C6等)立方点阵复杂,稳定性差,熔点和溶解温度低,结合强度弱℃溶解在A中),只有少数耐热钢经综合金化后才具有较高的稳定性(如(CrFeMoW)23C6.可作为强化相。六方结构复杂M7C3(如Cr7C3、
Fe4Cr3C3或Fe2Cr5C3)稳定性较差,和Fe3C类碳化物也容易溶解和沉淀,具有较大的聚集长大速度,一般不能作为高温强化相[17]。
我们仍从Fe-Cr-C三元相图可以简单理解H13钢中的合金碳化物相。Fe-Cr-C系700℃[18~20]和870℃[9]三元等温截面的相图为0.4%C钢中,随Cr会出现量增加(FeCr)3C(M3C)和(CrFe)7C3(M7C3)型合金碳化物。注意870℃图上, 只有含Cr量大于11%才会出现M23C6)。另外根据Fe-Cr-C 三元系在5%Cr时的垂直截面,对含0.40%C的钢在退火状态下为α相(约固溶1%Cr)和(CrFe)7C3合金C化物。当加热至791℃以上形成奥氏体A和进入(α+A+M7C3)三相区,在795℃左右进入