H13钢的不同化学成分对其结构性能影响分析(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)艾福表面处理技术(上海)有限公司 作者:潘晓华

  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)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℉)硬度出现迅速下降(即能耐的工作温度为540℃);(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,它还可用于制作航空工业上的重要构件。

  H13钢是C-Cr-Mo-Si-V型,在世界上的应用极其普遍,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。当然钢中杂质元素必须降低,有资料表明,当Rm在1550MPa时,材料含硫量由0.005%降到0.003%,会使冲击韧度提高约13J。十分明显,NADCA207-2003标准就规定:优级(premium)H13钢含硫量小于0.005%,而超级(superior)的应小于0.003%S和0.015%P。下面对H13钢的成分加以分析。

  美国AISI H13,UNS T20813,ASTM(最新版)的H13和FED QQ-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。德國X40CrMoV5-1和1.2344的含碳量为(0.37~0.43)%,含碳量范围较窄,德國DIN17350中还有X38CrMoV5-1的含碳量为(0.36~0.42)%。日本SKD 61的含碳量为(0.32~0.42)%。我国GB/T 1299和YB/T 094中4Cr5MoSiV1和SM 4Cr5MoSiV1的含碳量为(0.32~0.42)%和(0.32~0.45)%,分别与SKD61和AISI H13相同。特别要指出的是:北美压铸协会NADCA 207-90、207-97和207-2003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。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)。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轉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。这儿顺便指出,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。

图1  Fe-Cr-C系870℃水平截面部分相图

图2    H13钢淬火回火的TEM组织

  众所周知,钢中增加碳含量将提高钢的强度,对热作模具钢而言,会使高温强度、热态硬度和耐磨损性提高,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。H13钢的强度Rm,有文献介绍为1503.1MPa(46HRC时)和1937.5MPa(51HRC时)。

  查阅FORD和GM公司资料推荐的TQ-1、Dievar和ADC3等钢中的含C量都为0.39%和0.38%等,相应的韧度指标等列于表1,其理由可由此管窥所及。

  对要求更高强度的热作模具钢,采用的方法是在H13钢成分的基础上提高Mo含量或提高含碳量,这将在后面还会论及,当然韧度和塑性的略为降低是可以预料的。

表1   FORD、 GM公司推荐的部分H13钢

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