H13热作模具钢的化学成分及其改进和发展的研究

模具材料及热处理技术

Ｈ１３热作模具钢的化学成分及其改进和发展的研究

艾福表面处理技术（上海）有限公司

上海工程技术大学（上海

２０００３０）潘晓华朱祖昌

【摘要】应用钢的强韧化设计和金属学原理的相关理论，本文相当详尽地分析了Ｈ１３钢的化学成分及其对钢的组织结构和性能的影响，同时阐明了近年来国内外对Ｈ１３钢成分的改进和发展方面的工作，旨在促进人们能更进一步开展开发、制造和处理Ｈ１３钢的研究。关键词：Ｈ１３钢；化学成分；显微组织；工具钢设计

ＴｈｅＳｔｕｄｙｏｆｔｈｅＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔａｎｄ

ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅＨ１３ＨｏｔＷｏｒｋＤｉｅ＆ＭｏｌｄＳｔｅｅｌ

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｈｅａｕｔｈｏｒｓａｐｐｌｙｒｅｌａｔｉｖｅｔｈｅｏｒｉｅｓｏｆａｌｌｏｙｓｔｅｅｌｄｅｓｉｇｎｆｏｒｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ

ａｎｄｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｐｈｙｓｉｃａｌｍｅｔａｌｌｕｒｇｙｔｏｔｈｅａｎａｌｙｓｅｓｉｎｓｏｍｅｄｅｔａｉｌｏｆｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆＨ１３ｈｏｔｗｏｒｋｔｏｏｌｓｔｅｅｌａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｏｎｅｓｕｐｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｉｎｔｈｅｎｅｘｔｐｌａｃｅｗｅｅｘｐｌａｉｎｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｎｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．Ｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｉｓｉｎｏｒｄｅｒｔｏｂｅｔｔｅｒｐｒｏｍｐｔａｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｉｎｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅａｓｗｅｌｌａｓｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＨ１３ｓｔｅｅｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄ：Ｈ１３ｓｔｅｅｌ；ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｔｏｏｌｓｔｅｅｌｄｅｓｉｇｎ

１前言

热作模具钢要求材料具有高的淬透性、高的高温

２Ｈ１３钢的化学成分的分析

Ｈ１３钢是Ｃ－Ｃｒ－Ｍｏ－Ｓｉ－Ｖ型钢，在世界上的应用

强度、高的耐磨性、高的韧度、高的抗热裂能力和高的耐熔损性能等。在美国，热作模具钢分为３种：铬热作模具钢、钨热作模具钢和钼热作模具钢，都冠以Ｈ字母，分别表示为Ｈ１０￣Ｈ１９、Ｈ２１￣Ｈ２６和Ｈ４２、Ｈ４３等。其中前两种钢的含碳量在０．３０％￣０．５０％范围，后种钢的含碳量在０．５０％￣０．７０％，３种钢的Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ和Ｖ合金元素的总含量在６％￣２５％。

极其普遍，同时各国许多学者对它进行了广泛的研究，并在探究化学成分的改进。钢的应用广泛和具有优良的特性，主要由钢的化学成分决定的。下面对Ｈ１３钢的成分加以分析。

２．１碳

美国ＡＩＳＩＨ１３，ＵＮＳＴ２０８１３，ＡＳＴＭ（最新版）的

Ｈ１３和ＦＥＤＱＱ－Ｔ－５７０的Ｈ１３钢的含碳量都规定为０．３２％￣０．４５％，是所有Ｈ１３钢中含碳量范围最宽的。

德国Ｘ４０ＣｒＭｏＶ５－１和１．２３４４的含碳量为０．３７％￣

Ｈ１３钢是使用最广泛和最具代表性的热作模具

钢种，它的主要特性是［１］：①具有高的淬透性和高的韧性；②优良的抗热裂能力，在工作场合可予以水冷；③具有中等耐磨损能力，还可以采用渗碳或渗氮工艺来提高其表面硬度，但要略为降低抗热裂能力；④因其含碳量较低，回火中二次硬化能力较差；⑤在较高温度下具有抗软化能力，但使用温度高于５４０℃（１０００℉）时硬度出现迅速下降（即最高工作温度为５４０℃）；

０．４３％，含碳量范围较窄，德国ＤＩＮ１７３５０中还有

日本ＳＫＤＸ３８ＣｒＭｏＶ５－１的含碳量为０．３６％￣０．４２％［３］。

６１的含碳量为０．３２％￣０．４２％［３，４］。我国ＧＢ／Ｔ１２９９和ＹＢ／Ｔ０９４中４Ｃｒ５ＭｏＳｉＶ１和ＳＭ４Ｃｒ５ＭｏＳｉＶ１的含碳

量为０．３２％￣０．４２％和０．３２％￣０．４５％，分别与ＳＫＤ６１和

ＡＩＳＩＨ１３相同。特别要指出的是：北美压铸协会ＮＡＤＣＡ２０７－９０［５］、２０７－９７［６］和２０７－２００３［７］标准中对Ｈ１３钢的含碳量都规定为０．３７％￣０．４２％。

钢中含碳量决定淬火钢的基体硬度，按钢中含碳

⑥热处理的变形小；⑦中等和高的切削加工性；⑧中

等抗脱碳能力。更为令人注意的是，它还可用于制造航空工业上的重要构件。

７８ 《模具制造》２００６年第４

期

模具材料及热处理技术

量与淬火钢硬度的关系曲线可以知道，Ｈ１３钢的淬火硬度在５５ＨＲＣ左右［８］。对工具钢而言，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化。另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。对热作模具钢，这种合金碳化物除少量残留的以外，还要求它在回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生两次硬化现象。从而由均匀分布的残留合金碳化合物和回火马氏体的组织来决定热作模具钢的性能。由此可见，钢中的含Ｃ量不能太低。

含５％Ｃｒ的Ｈ１３钢应具有高的韧度，故其含Ｃ量应保持在形成少量合金Ｃ化物的水平上。Ｗｏｏｄｙａｔｔ和Ｋｒａｕｓｓ［９］指出在８７０℃的Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ三元相图上，Ｈ１３钢的位置在奥氏体Ａ和（Ａ＋Ｍ３Ｃ＋Ｍ７Ｃ３）三相区的交界位置处较好。相应的含Ｃ量约０．４％（见图１）［９］。图上还标出增加Ｃ或Ｃｒ量使Ｍ７Ｃ３量增多，具有更高耐磨性能的Ａ２和Ｄ２钢以作比较。另外重要的是，保持相对较低的含Ｃ量是使钢的Ｍｓ点取于相对较高的温度水平（Ｈ１３钢的Ｍｓ一般资料介绍为３４０℃左右），使该钢在淬冷至室温时获得以马氏体为主加少量残余Ａ和残留均匀分布的合金Ｃ化物组织，并经回火后获得均匀的回火马氏体组织。避免使过多残余奥氏体在工作温度下发生转变影响工件的工作性能或变形。这些少量残余奥氏体在淬火以后的两次或三次回火过程中应予以转变完全［２］。顺便指出，Ｈ１３钢淬火后得到的马氏体组织为板条Ｍ＋少量片状Ｍ＋少量残余Ａ。经回火后在板条状Ｍ上析出的很细的合金碳化物的照片可见图

２

，国内学者也作了一定工作。

［９］

［１４］

性提高，但会导致其韧度的降低。学者在工具钢产品手册文献［１１］中将各类Ｈ型钢的性能比较很明显证明了这个观点。通常认为导致钢塑性和韧度降低的含碳量界限为０．４％。为此要求人们在钢合金化设计时遵循下述原则：在保持强度前提下要尽可能降低钢的含碳量，有资料已提出：在钢抗拉强度达１５５０ＭＰａ以上时，含

Ｃ量在０．３％￣０．４％为宜［２］。Ｈ１３钢的强度Ｒｍ，有文献介

绍为１５０３．１ＭＰａ（４６ＨＲＣ时）和１９３７．５ＭＰａ（５１ＨＲＣ时）。

图２Ｈ１３钢淬火回火的ＴＥＭ组织

２．２铬

铬是合金工具钢中最普遍含有的和价廉的合金

元素。在美国Ｈ型热作模具钢中含Ｃｒ量在２％￣１２％范围。在我国合金工具钢（ＧＢ／Ｔ１２９９）的３７个钢号中，除８ＣｒＳｉ和９Ｍｎ２Ｖ外都含有Ｃｒ。铬对钢的耐磨损性、高温强度、热态硬度、韧度和淬透性都有有利的影 …… 此处隐藏：13080字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……