H13热作模具钢的化学成分及其发展的研究.docx
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H13热作模具钢的化学成分及其发展的研究
H13热作模具钢的化学成分及其改进和开展的研究
潘晓华朱祖昌
〔艾福外表处理技术〔上海〕，上海工程技术大学〕
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,同时说明了近年来国内外对H13钢成分的改进和开展方面的工作,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
OntheChemicalCompositionofH13HotWorkToolSteelandIt’sDevelopment
PANXiaohua,ZHUZuchang
Abstract:
InthispapertheauthorsapplyrelativetheoriesofalloysteeldesignforstrengtheningandtougheningandprinciplesofphysicalmetallurgytotheanalysesinsomedetailofthechemicalcompositionsofH13hotworktoolsteelandtheeffectsoftheonesuponthemicrostructuresandproperties.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,热作模具钢分为三种：
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（）﹪范围,后种钢的含碳量在（）﹪范围内,三种钢的Cr、W、Mo和V合金元素的总含量在（6~25）﹪范围。
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外表硬度，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。
航空及宇航工业开展要求其构件采用具有高强度、高韧度和高屈强比的材料,人们已经知道[2],钢铁材料要能与钛合金相竞争,其拉伸强度必须到达1600～1700MPa,其断裂韧度KIC≥125MPa√m的水平。
对飞行器,随飞行速度与音速的比值（称为马赫数,Ma,）的增加,要求构件能承受500℃或更高温度的能力,为此须采用具有二次硬化能力的钢材。
人们正是从热作模具钢受到启发,将之作为一种超高强度钢加以应用和开展相当类型的超高强度钢的研究。
本文将结合钢的强韧化理论和金属学原理来对H13钢的化学成分进行分析,并说明目前在国际上其开展的概況。
由于篇幅所限,关于本文中涉及的更详尽技術资料可以登陆我们公司网站搜索。
2.H13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,有资料说明,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[2]。
十清楚显,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。
~~~0.42〕%[3]~0.42〕%[3,4]~~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，钢中的碳一局部进入钢的基体中引起固溶强化。
另外一局部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钢以作比拟。
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剩余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。
防止使过多剩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。
这些少量剩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]。
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+少量剩余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[9]，国内学者也作了一定工作[14]。
%Cr
%
C
图1Fe-Cr-C系870℃水平截面局部相图
图2H13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]%-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）。
查阅FORD和GM公司资料[12，13]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钢成分的根底上提高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1FORD、GM公司推荐的局部H13钢
公司名
钢号
C%
S%
Si%
Mn%
Cr%
Mo%
V%
冲击韧度
〔平均〕（min）
Kind&Co
TQ-1
≤
13.6J
9.5J
Uddeholm
Dievar
≤
10.8J
8.1J
Thyssen
E38K
≤
50
10.8J
8.1J
Aubert&
Duval
ADC3
S≤
P≤
16.3J
8.1J
SMV4
S≤
P≤
16.3J
8.1J
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响，同时它溶入基体中会显著改善钢的耐蚀性能，在H13钢中含Cr和Si会使氧化膜致密来提高钢的抗氧化性。
再那么以-1Mn钢回火性能的作用来分析，参加﹤6%Cr对提高钢回火抗力是有利的，但未能构成二次硬化；当含Cr﹥6%的钢淬火后在550℃回火会出现二次硬化效应。
人们对热作钢模具钢一般选5%铬的参加量。
工具钢中的铬一局部溶入钢中起固溶强化作用，另一局部与碳结合,按含铬量上下以（FeCr）3C、（FeCr）7C3和M23C6形式存在，从而来影响钢的性能。
另外还要考虑合金元素的交互作用影响，如当钢中含铬、钼和钒时，Cr>3%[14]时，Cr能阻止V4C3的生成和推迟Mo2C的共格析出，V4C3和Mo2C是提高钢材的高温强度和抗回火性的强化相[14]，这种交互作用提高该钢耐热变形性能。
铬溶入钢奥氏体中增加钢的淬透性。
Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si﹑Ni都与Cr一样是增加钢淬透性的合金元素。
人们习惯用淬透性因子加以表征,一般国内现有资料[15]还只应用Grossmann等的资料,后来Moser和Legat[16,22]的更进一步工作提出由含C量和奥氏体晶粒度决定根本淬透性直径Dic和合金元素含量确定的淬透性因子（示于图3中）来计算合金钢的理想临界直径Di,也可从下式作近似计算:
Di=Dic×××××1.47Ni
（1）
（1）式中各合金元素以质量百分数表示。
由该式，人们对Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si和Ni
因子
合金元素含量%
元素影响钢淬透性有相当明确的半定量了解。
图3钢中常用合金元素的淬透性因子
Cr对钢共析点的影响，它和Mn大致相似，在约5%的含铬量时，共析点的含C量降到0.5%左右。
另外Si﹑W﹑Mo﹑V﹑Ti的参加更显著降低共析点含C量。
为此可以知道：
热作模具钢和高速钢一样属于过共析钢。
共析含C量的降低，将增加奥氏体化后组织中和最后组织中的合金碳化物含量。
钢中合金C化物的行为与其自身的稳定性有关，实际上，合金C化物的结构、稳定性与相应C化物形成元素的d电子壳层和S电子壳层的电子欠缺程度相关[17]。
随着电子欠缺程度下降，金属原子半径随之减小，碳和金属元素的原子半径比rc/rm增加，合金C化物由间隙相向间隙化合物变化，C化物的稳定性减弱，其相应熔化温度和在A中溶解温度降低，其生成自由能的绝对值减小，相应的硬度值下降。
具有面心立方点阵的VC碳化物，稳定性高，约在900~950℃温度开始溶解，在1100℃以上开始大量溶解〔溶解终结温度为1413℃〕[17]；它在500~700℃回火过程中析出，不易聚集长大，能作为钢中强化相。
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六方点阵，它们的稳定性较差些，亦具较高的硬度、熔点和溶解温度，仍可作为在500~650℃范围使用钢的强化相。
M23C6（如Cr23C6等）具有复杂立方点阵，稳定性更差，结合强度较弱，熔点和溶解温度较低〔在1090℃溶入A中〕，只有在少数耐热钢中经综合合金化后才有较高稳定性〔如〔CrFeMoW〕23C6,可作为强化相。
具有复杂六方结构的M7C3（如Cr7C3、Fe4Cr3C3或Fe2Cr5C3）的稳定性更差，它
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