熱作模具用H13鋼及其表面改性

來(lái)源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時(shí)間：2014-08-20 08:39:36點(diǎn)擊率：

　　H13鋼是我國(guó)從美國(guó)引進(jìn)的優(yōu)良鋼種之一，我國(guó)1976年起作為推薦鋼種列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，后作為重點(diǎn)推廣鋼種。該鋼目前在世界上應(yīng)用極其普遍，但鋼號(hào)表示多種。本文按主要文獻(xiàn)將相類似的鋼號(hào)匯總，其中還收集日本主要鋼廠的牌號(hào)。同時(shí)對(duì)H13鋼的表面改性作了一定的敘述。

　　前言

　　H13鋼是一種強(qiáng)韌兼有的空冷硬化型熱作模具用鋼。該鋼的主要特征是[1]：(1)具有高的淬透性和高的韌性;(2)優(yōu)良的抗熱裂能力，在工作場(chǎng)合可予以水冷;(3)具有中等耐磨損能力，還可以采用滲碳或滲氮工藝來(lái)提高其表面硬度，但要略微降低抗熱裂能力;(4)因其含碳量較低，回火中二次硬化能力較差;(5)在較高溫度下具有抗軟化能力，但使用溫度高于540℃(1000℉)硬度出現(xiàn)迅速下降(即能耐工作溫度為540℃);(6)熱處理的變形小;(7)中等和高的切削加工性;(8)中等抗脫碳能力。它能廣泛應(yīng)用于制造熱擠壓模具、壓鑄模具、熱切邊模、熱鍛模和熱沖孔模具等，有的場(chǎng)合還可用于制造塑料模具，令人注意的是，它還可用于制作航空工業(yè)上的重要構(gòu)件。

　　1.H13鋼的成分

　　在美國(guó)，熱作模具鋼分為三種：鉻熱作模具鋼、鎢熱作模具鋼和鉬熱作模具鋼，全部以H命名。分別為H10～H19,H21~H26,和H42、H43。熱作模具鋼的含碳量為中碳含量(0.35～0.45%)，另含Cr、W、M0和V合金元素，合金含量在6～25%范圍。

　　H13鋼屬于種。其含碳量在0.5%以下，按淬火鋼硬度與含碳量關(guān)系曲線[2]可知，其大淬火硬度在55HRC左右。鋼的含Cr量為5%左右，它和其他碳化物形成元素一起提供給鋼具有較高的淬透性和好的抗軟化能力，所以該鋼在空冷條件下能夠淬硬。在6barN2氣體真空處理?xiàng)l件下可淬透直徑為160mm[3]。但鉻的加入會(huì)增加碳化物的不均勻程度，致使鋼中會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)定的共晶碳化物，這種碳化物現(xiàn)在國(guó)內(nèi)一般可用高碳鉻軸承鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)予以評(píng)定[4,7]。鉻含量的提高有利于增加材料的熱強(qiáng)度，但對(duì)韌度不利。材料中增加鉬和鎢，有人提出[5]，(1/2W+M0)的量至1%以上時(shí)，會(huì)使材料500℃以上進(jìn)行回火時(shí)仍獲得較高硬度，并具有二次硬化能力。H13鋼的二次硬化能力不很明顯，可參見資料[1]。提高V的含量，如V的量由0.4%(SKD6,相當(dāng)于H11)提高至1%，使H13鋼(SKD61)的熱強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性提高了，同時(shí)V也增加水沖洗抗力，實(shí)際上是提高水浸侵蝕磨損抗力(erosivewear)[6]。

　　另外，鋼中加入W、M0、V、Nb等形成M6C和MC型碳化物的元素，能對(duì)奧氏體晶粒細(xì)化，也使溶入奧氏體后在回火過(guò)程中產(chǎn)生二次硬化效果。對(duì)Cr的加入形成的碳化物為

　　M23C6型，其在1100℃奧氏體化時(shí)基本上溶解完了，(全部溶入奧氏體的溫度是1160℃)，這將決定H13鋼的奧氏體化溫度處于1020～1080℃范圍內(nèi)。[4]

　　H13鋼對(duì)硫磷含量限制在0.030以下，實(shí)際上，硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<0.014%時(shí)可以大大提高鋼件的斷裂韌度KIC值。國(guó)外電渣重熔的優(yōu)質(zhì)H13鋼的含硫量控制在0.005%～0.008%范圍內(nèi)[7]，這當(dāng)然保證了材料的質(zhì)量。北美壓鑄協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NADCA207-2003中對(duì)符合標(biāo)準(zhǔn)級(jí)外的特級(jí)(premium)和(superior)的H13鋼的小麥夏氏V型缺口沖擊值為11J(8英尺˙磅)和13.8J(10英尺˙磅)。當(dāng)加入0.06%～0.15%S和≤1.0%Mn使成為易切削鋼時(shí)，可用于制造塑料模具，其機(jī)加工性能良好。材料經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，使硬度在(40～44)HRC范圍內(nèi)進(jìn)行加工，并可拋光達(dá)Ra為0.05μm的鏡面光潔度，滿足高光潔塑料模具要求。

　　美國(guó)AISIH13,UNST20813,ASTMA681(版)的H13鋼和FEDQQ-T-570的H13的含碳量都規(guī)定為(0.32～0.45)%,是所有H13鋼中含碳量范圍寬的。我國(guó)GB/T1299和YB/T094中4Cr5M0SiV1和SM4Cr5M0SiV1鋼號(hào)的含碳量為(0.32～0.42)%和(0.32～0.45)%。德國(guó)DIN17350X40CrM0V5-1和WNr12344鋼的含碳量為(0.37～0.43)%，含碳范圍較窄。北美壓鑄協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NADCA207-90中對(duì)中H13鋼的含碳量規(guī)定為(0.37～0.42)%。

　　2.H13鋼號(hào)匯綜

　　前文已指出，H13鋼在世界上應(yīng)用極普遍，但鋼號(hào)表示有異，為了便于掌握，將20個(gè)國(guó)家和地區(qū)的鋼號(hào)列出于表2[8,10]中。不同鋼號(hào)化學(xué)成分差別不是很大，對(duì)含碳量的差別已有說(shuō)明。

　　3.H13鋼的表面改性

　　H13鋼普遍用來(lái)制造熱鍛模具和有色金屬壓鑄模具。模具的使用壽命決定于很多因素：模具設(shè)計(jì)的合理性，模具材料選擇的正確性，模具機(jī)械加工和熱處理工藝的合理正確制訂，當(dāng)然還應(yīng)涉及模具的使用條件和維護(hù)。其中模具材料的質(zhì)量和熱處理是相當(dāng)重要的關(guān)鍵因素。熱處理應(yīng)包括整體工件的熱處理和工件的表面改性。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有北美壓鑄協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)、法國(guó)汽車工業(yè)會(huì)、德國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)、材料協(xié)會(huì)和壓鑄協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，還有通用汽車、福特汽車的推薦標(biāo)準(zhǔn)等。

　　H13鋼鍛模和鋁合金壓鑄模的表面改性目前主要在以下兩個(gè)方面：(1)鐵素體氮碳共滲和硫氮碳共滲技術(shù)和(2)PVD涂層技術(shù)。國(guó)內(nèi)外在這兩個(gè)方面進(jìn)行的研究論文有了發(fā)表，但具體工業(yè)應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)不多，專門從事材料表面改性技術(shù)的法國(guó)HEF集團(tuán)在一些國(guó)際性會(huì)議上以論文形式報(bào)導(dǎo)了H13表面改性工業(yè)應(yīng)用的實(shí)例，同時(shí)艾福表面處理技術(shù)(上海)有限公司(HEFShanghai)結(jié)合舍福表面處理技術(shù)有限公司(TSShanghai)的實(shí)踐匯同國(guó)外的相關(guān)文獻(xiàn)(尤其是NADCA的專家和CaseWesternReserve大學(xué)教授的工作)作一定描述。

　　國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)為，熱疲勞發(fā)生龜裂損傷和熱磨損是熱作模具失效的兩大主要原因。這方面，國(guó)外的相關(guān)文獻(xiàn)敘述得十分明確：模具的損壞和限制模具壽命上升的三個(gè)機(jī)制為：1)液態(tài)金屬鋁的粘焊(soldering)和化學(xué)沖蝕損傷2)磨損和腐蝕3)熱疲勞開裂。其中1)是重要的失效機(jī)制。他們提出采用鐵素體氮碳共滲和離子氮化能顯著提高工具鋼的模具壽命。國(guó)內(nèi)有關(guān)鋁熔損的試驗(yàn)指出，當(dāng)模具材料硬度為45HRC時(shí)，未表面處理的鋁熔損率高達(dá)54.90%時(shí)，當(dāng)采用鹽浴硫氮碳共滲，其熔損率僅為0.10%。當(dāng)采用鹽浴氮碳共滲(軟氮化)后再加上PVD處理時(shí)，熔損率更明顯降低至0.01%。由此可見，H13鋼的表面改性的效果十分明顯。

　　解決這一問(wèn)題的途徑是在模具材料表面涂覆硬膜，使其不被鋁合金熔液潤(rùn)濕，同時(shí)涂覆的硬膜也賦予模具材料表面的腐蝕磨損抗力。HEF集團(tuán)對(duì)汽車轉(zhuǎn)向操作系統(tǒng)的鋁合金工件壓鑄成型模具中的挺桿(38CDV5，相當(dāng)于H13鋼)表面沉積3μm厚的CERTESSSD涂層，其硬度可達(dá)4000～4500HV，使用溫度可達(dá)800℃，還可抗鋁合金的黏結(jié)，使用壽命提高至10萬(wàn)次，是未進(jìn)行沉積處理挺桿的6~7倍。

　　4.結(jié)束語(yǔ)

　　1)H13鋼是世界上普遍使用的強(qiáng)韌兼具的熱作模具鋼，具有高的淬透性和抗熱裂能力。

　　2)H13鋼的國(guó)內(nèi)牌號(hào)為4Cr5M0SiVl，嚴(yán)格控制硫的含量可大大提高鋼的斷裂韌度和抗沖擊能力。

　　3)H13鋼的表面改性主要有鐵素體氮碳共滲或者硫氮碳共滲以及物理氣相沉積硬膜等方法或這些方法的合理組合。

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