模具钢材H13的成分、特性及应用
模具钢材H13的成分、特性及应用
模具钢材H13的成分、特性及应用
㈠模具钢材H13的成分及特性
模具材料是模具产业最重要的技术和物质基础，其性能、质量对模具使用寿命、模具制造周期以及工业产品向高级化、多样化、个性化和附加值化方向发展具有决定性意义，因而模具材料的研究一直受到各国的重视。
H13钢原是美国的一个钢种，在我国一般称作4Cr5MoSiV1钢，它是目前应用最广泛的一种热作模具钢。热作模具钢要求材料具有高的淬透性、高的高温强度、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。 模具钢材H13之所以被广泛应用，是因为它具有以下特性：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，可采用渗碳或渗氮工艺来提高其表面硬度；④在较高温度下具有抗软化能力；⑤热处理变形小；⑥ 良好的切削加工性能。
H13钢的化学成分(％) (GB／T1299-2000)
C Si Mn Cr Mo V P S
0.32～0.45 0.80～1.20 0.20～0.50 4.75～5.50 1.10～1.75 0.80～1.20 ≤0.03 ≤0.03
㈡ 模具钢材H13的应用
⒈应用于热锻模
热锻模一般在比较恶劣的条件下工作，要承受高温、高压作用，有的还受到较大冲击力，故要求热锻模具有较高的高温强度、热疲劳性能和抗冲击韧性。而H13钢较高的高温强度、硬度以及良好的抗冲击性能，正是热锻模最需要的。上世纪80年代，在欧美及日本等国，H13钢用于锤锻模、摩擦压力机锻模、热模锻压力机锻模等各种热锻模已经相当普遍。我国从20世纪90年代初开始，有部分大型机械制造厂家用H13钢做锻造齿轮、叶片的高速锤锻模和一般中小型锻模，都收到满意的效果。如某公司设计的滚轮模具用H13钢代替5CrNiMo材料，其产成比提高了近一倍 。
⒉应用于热挤压模
长期以来，我国在汽车零件、铝型材及军事器械等坯件热挤压加工中所用的挤压模具都采用3Cr2W8V钢，但由于热挤压模具在忽冷忽热条件下工作，且金属在模腔内流动产生剧烈摩擦，模具要承受较高的温度和单位压力，用3Cr2W8V制造的热挤压模容易产生热疲劳裂纹，从而导致使用寿命偏低，直接影响到产品质量和成本。尽管采取了合理的锻造工艺，对模具进行了强韧化热处理或表面强化，改善了模具的使用寿命，但模具寿命的提高是有限的，它所带来的经济效益改观并不显著。而H13钢较高的高温强度和硬度能避免热挤压模过早变形和开裂，良好的耐磨性又可减轻模具表面的磨损，因此，20世纪90年代初，我国已较广泛地采用H13钢作热挤压模。
目前，我国绝大多数铝型材生产厂家采用H13钢制造热挤压模，挤压的铝型材表面质量得到提高，且模具使用寿命也提高近三倍。湖南某集团公司经现场生产对比试验表明，在同等条件下，H13钢模具的使用寿命比3Cr2W8V模具高2～3倍，且不发生尖角裂纹，耐磨性能好，工作带的沟槽浅，麻点少。
⒊应用于有色金属压铸模
压铸过程中，熔融态的金属以一定的频率和速度射人模腔，对模腔表面反复冲刷并产生激烈摩擦，使模体承受高温、高压和强大的热冲击。这要求压铸模材料在热冲击条件下具有足够的强硬度，热膨胀系数小，导热性好，并具有较高的抗冲蚀能力和抗疲劳能力。与3Cr2W8V相比，H13钢的耐冷热疲劳能力和抗冲蚀作用优势明显，目前，除铜合金外，铝、镁和锌等有色金属的压铸模大多采用H13钢 。
㈢ 模具钢材H13的常规热处理
在H13钢淬火加热过程中，首先应采用800 ~850℃阶段预热，然后再升至奥氏体化温度，这一过程的特点是快速加热、短时保温，这样可使奥氏体晶粒细化。此外，预热是为了避免过快的加热在模腔内形成温度梯度，引起应力导致模具发生畸变。淬火加热温度对H13模具钢的力学性能有很大影响，只有升至奥氏体化温度，才能使钢中的合金碳化物固溶于基体中，提高基体的合金化程度，从而提高钢的淬硬性、淬透性和高温强度，低于1000℃淬火，不能充分发挥合金元素的作用。研究表明，高温淬火可减少孪晶马氏体，增加位错马氏体，从而提高马氏体位错可动性，使H13钢具有较高的K1c值。但高于1070℃ 淬火，晶粒开始明显长大，冲击韧性降低，而钢的硬度并没有显著增加lL1 。对于压铸模，要求红硬性高，可采用上限温度淬火。对于热挤压模，要求良好的强韧性及耐磨性，可采用下限温度淬火。H13钢淬火加热后要在高温时立即淬火，不宜停留时间太长，否则过冷奥氏体在珠光体转变区缓冷时会从中直接析出碳化物，影响材料力学性能。
H13钢的淬火组织是板条马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体，为消除淬火应力和残余奥氏体，并使马氏体韧化，必须进行2～3次高温回火。通常，淬火后的模具温度在低于70℃时就应尽快回火，这对尺寸较大、形状复杂的热作模具尤为重要。为避免热作模回火时重新产生残余应力，在回火加热和冷却时应缓慢进行。H13钢若在425℃ ～52O℃ 范围内回火，在出现二次硬化的同时会出现回火脆性，冲击韧性显著降低，因此，H13钢回火时应避免在回火脆性发展区内进行。
HI3钢回火组织为回火马氏体+少量粒状碳化物，低于600℃回火的仍保持马氏体板条形态；回火温度高于650℃时，马氏体形态消失，组织为回火索氏体。回火温度一般取决于模具的工作条件及硬度要求。对于热挤压模及压铸模，其工作温度达600℃ ，硬度要求为42~48HRC，硬度越高，热疲劳性能越好，但韧性变差，因此一般只取46HRC，由此可确定其回火温度为620～640℃ 。对于热疲劳性能要求高的模具可取上限48HRC；对于强韧性要求高的模具可取下限42HRC。大尺寸模具淬火后难以得到高硬度，且为保证韧性，硬度一般取下限。高于650℃回火，强度、硬度及耐磨性均显不足。
H13钢是最具代表性的热作模具钢之一，广泛应用于热锻模、热挤压模和有色金属压铸模，其常规热处理工艺不断得到完善及优化，表面改性工艺更打破传统表面热处理的局限性，在气相沉积和高能束表面处理等方面得到了巨大的发展。同时，H13钢还在冶炼工艺、合金化等方面得到拓展，获得了性能更为优良的钢种。这些研究都将充分发挥H13钢的性能潜力，延长模具寿命，带来显著的经济效益。
㈠模具钢材H13的成分及特性
模具材料是模具产业最重要的技术和物质基础，其性能、质量对模具使用寿命、模具制造周期以及工业产品向高级化、多样化、个性化和附加值化方向发展具有决定性意义，因而模具材料的研究一直受到各国的重视。
H13钢原是美国的一个钢种，在我国一般称作4Cr5MoSiV1钢，它是目前应用最广泛的一种热作模具钢。热作模具钢要求材料具有高的淬透性、高的高温强度、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。 模具钢材H13之所以被广泛应用，是因为它具有以下特性：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，可采用渗碳或渗氮工艺来提高其表面硬度；④在较高温度下具有抗软化能力；⑤热处理变形小；⑥ 良好的切削加工性能。
H13钢的化学成分(％) (GB／T1299-2000)
C Si Mn Cr Mo V P S
0.32～0.45 0.80～1.20 0.20～0.50 4.75～5.50 1.10～1.75 0.80～1.20 ≤0.03 ≤0.03
㈡ 模具钢材H13的应用
⒈应用于热锻模
热锻模一般在比较恶劣的条件下工作，要承受高温、高压作用，有的还受到较大冲击力，故要求热锻模具有较高的高温强度、热疲劳性能和抗冲击韧性。而H13钢较高的高温强度、硬度以及良好的抗冲击性能，正是热锻模最需要的。上世纪80年代，在欧美及日本等国，H13钢用于锤锻模、摩擦压力机锻模、热模锻压力机锻模等各种热锻模已经相当普遍。我国从20世纪90年代初开始，有部分大型机械制造厂家用H13钢做锻造齿轮、叶片的高速锤锻模和一般中小型锻模，都收到满意的效果。如某公司设计的滚轮模具用H13钢代替5CrNiMo材料，其产成比提高了近一倍 。
⒉应用于热挤压模
长期以来，我国在汽车零件、铝型材及军事器械等坯件热挤压加工中所用的挤压模具都采用3Cr2W8V钢，但由于热挤压模具在忽冷忽热条件下工作，且金属在模腔内流动产生剧烈摩擦，模具要承受较高的温度和单位压力，用3Cr2W8V制造的热挤压模容易产生热疲劳裂纹，从而导致使用寿命偏低，直接影响到产品质量和成本。尽管采取了合理的锻造工艺，对模具进行了强韧化热处理或表面强化，改善了模具的使用寿命，但模具寿命的提高是有限的，它所带来的经济效益改观并不显著。而H13钢较高的高温强度和硬度能避免热挤压模过早变形和开裂，良好的耐磨性又可减轻模具表面的磨损，因此，20世纪90年代初，我国已较广泛地采用H13钢作热挤压模。
目前，我国绝大多数铝型材生产厂家采用H13钢制造热挤压模，挤压的铝型材表面质量得到提高，且模具使用寿命也提高近三倍。湖南某集团公司经现场生产对比试验表明，在同等条件下，H13钢模具的使用寿命比3Cr2W8V模具高2～3倍，且不发生尖角裂纹，耐磨性能好，工作带的沟槽浅，麻点少。
⒊应用于有色金属压铸模
压铸过程中，熔融态的金属以一定的频率和速度射人模腔，对模腔表面反复冲刷并产生激烈摩擦，使模体承受高温、高压和强大的热冲击。这要求压铸模材料在热冲击条件下具有足够的强硬度，热膨胀系数小，导热性好，并具有较高的抗冲蚀能力和抗疲劳能力。与3Cr2W8V相比，H13钢的耐冷热疲劳能力和抗冲蚀作用优势明显，目前，除铜合金外，铝、镁和锌等有色金属的压铸模大多采用H13钢 。
㈢ 模具钢材H13的常规热处理
在H13钢淬火加热过程中，首先应采用800 ~850℃阶段预热，然后再升至奥氏体化温度，这一过程的特点是快速加热、短时保温，这样可使奥氏体晶粒细化。此外，预热是为了避免过快的加热在模腔内形成温度梯度，引起应力导致模具发生畸变。淬火加热温度对H13模具钢的力学性能有很大影响，只有升至奥氏体化温度，才能使钢中的合金碳化物固溶于基体中，提高基体的合金化程度，从而提高钢的淬硬性、淬透性和高温强度，低于1000℃淬火，不能充分发挥合金元素的作用。研究表明，高温淬火可减少孪晶马氏体，增加位错马氏体，从而提高马氏体位错可动性，使H13钢具有较高的K1c值。但高于1070℃ 淬火，晶粒开始明显长大，冲击韧性降低，而钢的硬度并没有显著增加lL1 。对于压铸模，要求红硬性高，可采用上限温度淬火。对于热挤压模，要求良好的强韧性及耐磨性，可采用下限温度淬火。H13钢淬火加热后要在高温时立即淬火，不宜停留时间太长，否则过冷奥氏体在珠光体转变区缓冷时会从中直接析出碳化物，影响材料力学性能。
H13钢的淬火组织是板条马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体，为消除淬火应力和残余奥氏体，并使马氏体韧化，必须进行2～3次高温回火。通常，淬火后的模具温度在低于70℃时就应尽快回火，这对尺寸较大、形状复杂的热作模具尤为重要。为避免热作模回火时重新产生残余应力，在回火加热和冷却时应缓慢进行。H13钢若在425℃ ～52O℃ 范围内回火，在出现二次硬化的同时会出现回火脆性，冲击韧性显著降低，因此，H13钢回火时应避免在回火脆性发展区内进行。
HI3钢回火组织为回火马氏体+少量粒状碳化物，低于600℃回火的仍保持马氏体板条形态；回火温度高于650℃时，马氏体形态消失，组织为回火索氏体。回火温度一般取决于模具的工作条件及硬度要求。对于热挤压模及压铸模，其工作温度达600℃ ，硬度要求为42~48HRC，硬度越高，热疲劳性能越好，但韧性变差，因此一般只取46HRC，由此可确定其回火温度为620～640℃ 。对于热疲劳性能要求高的模具可取上限48HRC；对于强韧性要求高的模具可取下限42HRC。大尺寸模具淬火后难以得到高硬度，且为保证韧性，硬度一般取下限。高于650℃回火，强度、硬度及耐磨性均显不足。
H13钢是最具代表性的热作模具钢之一，广泛应用于热锻模、热挤压模和有色金属压铸模，其常规热处理工艺不断得到完善及优化，表面改性工艺更打破传统表面热处理的局限性，在气相沉积和高能束表面处理等方面得到了巨大的发展。同时，H13钢还在冶炼工艺、合金化等方面得到拓展，获得了性能更为优良的钢种。这些研究都将充分发挥H13钢的性能潜力，延长模具寿命，带来显著的经济效益。