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C
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Si
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Mn
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Cr
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Mo
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V
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P
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S
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0.32~0.45
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0.80~1.20
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0.20~0.50
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4.75~5.50
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1.10~1.75
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0.80~1.20
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≤0.030
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≤0.03
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H13鋼是C-Cr-Mo-Si-V型鋼，在世（shì）界上的應用極其普（pǔ）遍,同時各國許多學者對它進行了廣泛的研究，並在探究化學成分的改進（jìn）。鋼的（de）應用廣泛和具有（yǒu）優良的（de）特（tè）性（xìng），主要（yào）由鋼的化學成分決定（dìng）的（de）。當然鋼中雜質元素必須降低（dī），有資料（liào）表（biǎo）明，當Rm在1550MPa時，材料含硫量（liàng）由0.005%降到0.003%，會使（shǐ）衝擊韌度提高約13J。NADCA 207-2003標準就規定：優級(premium)H13鋼含硫量小（xiǎo）於0.005%，而超級(superior)的應小（xiǎo）於0.003%S和0.015%P。下（xià）麵對H13鋼（gāng）的成分加以分析。
碳：美國AISI H13，UNS T20813，ASTM（最新版）的H13和FED QQ-T-570的H13鋼的含碳量都規定為（0.32~0.45）%，是所有H13鋼中含碳量範（fàn）圍（wéi）最寬的。德國（guó）X40CrMoV5-1和1.2344的（de）含碳量為（0.37~0.43）%，含碳量範圍（wéi）較窄（zhǎi），德國（guó）DIN17350中（zhōng）還有X38CrMoV5-1的含碳量為（0.36~0.42）%。日本SKD 61的含碳量為（0.32~0.42）%。我國GB/T 1299和（hé）YB/T 094中4Cr5MoSiV1和（hé）SM 4Cr5MoSiV1的含碳量為（0.32~0.42）%和（0.32~0.45）%，分別（bié）與SKD61和AISI H13相同。特別要指（zhǐ）出的是：北美壓鑄協會NADCA 207-90、207-97和207-2003標準中對H13鋼的含碳量都規定為（0.37~0.42）%。
鋼中含碳量決定（dìng）淬火鋼的基體硬（yìng）度，按鋼中含碳量與淬火鋼（gāng）硬度的關係曲線可以知道,H13鋼的淬火硬度在55HRC左右。對工具鋼而言（yán），鋼中（zhōng）的碳一（yī）部分進入鋼的基體中引起固溶強化。另外一部分碳將和合金元素中的碳化物形成元素結合成合（hé）金碳化物。對熱（rè）作模（mó）具鋼,這種合金碳化物除少量殘留的以外，還要求它在回火過程中在淬火馬氏（shì）體基（jī）體上彌散析出（chū）產生兩次（cì）硬化現象。從而由均勻分布的殘留合金碳化合物和回火馬氏體的組織來（lái）決定熱（rè）作模具鋼的性能。由此可見（jiàn），鋼中（zhōng）的含C量不能太低。
含5%Cr的H13鋼應具有高的韌度，故其含C量應保持在形成（chéng）少量合金C化物的水平上。Woodyatt 和Krauss指出在870℃的Fe-Cr-C三元相圖上,H13鋼的位置在奧（ào）氏體（tǐ）A和（hé）（A+M3C+M7C3）三相區的交界位置處（chù）較好。相應的含C量約0.4%。圖上還標出增加C或Cr量使M7C3量增多,具有更高耐磨性能的A2和D2鋼（gāng）以（yǐ）作比較。另外重要的是,保持相對較（jiào）低的含C量是使鋼的（de）Ms點取（qǔ）於相對較高的溫（wēn）度水（shuǐ）平(H13鋼的Ms一般資料（liào）介紹為340℃左右)，使該鋼在淬冷（lěng）至室溫時（shí）獲得以馬氏體為主加少量殘餘A和殘留均（jun1）勻分布的合金C化物組織，並經回（huí）火後獲得均勻的回火馬氏體組織。避免使過多殘餘奧氏體在工作溫度（dù）下（xià）發生轉變影響工件的（de）工（gōng）作（zuò）性能（néng）或變形。這些少量殘餘奧氏體在淬火以後的兩次或三次回火過程中應予以轉變完全。這兒順便指出，H13鋼淬火後得到的馬氏體組織為板條M+少量片狀M+少量殘餘A。經回（huí）火後在板（bǎn）條狀M上析（xī）出的很細的合金碳化（huà）物，國內學者也（yě）作了一定工作（zuò）。
眾所周知，鋼中增加碳含量將提高鋼的強度，對熱作（zuò）模（mó）具鋼而言，會使高溫強度、熱態硬度和耐磨損性提高（gāo），但會導致其韌度的降低。學者在工具鋼產（chǎn）品手冊文獻中將各類（lèi）H型鋼的性能比較很明顯（xiǎn）證明了這個觀點。通常認為導致（zhì）鋼（gāng）塑性和（hé）韌度（dù）降低的（de）含碳量界限為0.4%。為此要（yào）求人們在鋼合金化設（shè）計時遵循下述原則:在保持強度前提下要盡可（kě）能降低鋼的含碳量,有資料已提出:在鋼抗拉強度達1550MPa以上時（shí）,含C量在0.3%-0.4%為宜。H13鋼的強（qiáng）度Rm，有文獻介紹為1503.1MPa(46HRC時)和1937.5MPa(51HRC時（shí）)。
查閱FORD和GM公司資料推薦（jiàn）的（de）TQ-1、Dievar和ADC3等（děng）鋼中的含C量（liàng）都為0.39%和0.38%等，相應的韌度指標等列於表1，其理由可由此管窺所及。
對（duì）要求更高強度的熱作模具鋼，采用的方（fāng）法是（shì）在H13鋼成分的基礎上提高Mo含量或提高含碳量，這將在後麵還（hái）會論及，當然韌度和（hé）塑性（xìng）的略為降低是可以（yǐ）預料的（de）。
2.2 鉻（gè）： 鉻是合金工具鋼中最普遍含有的（de）和價廉的合金元素。在美國H型熱作模具鋼中含Cr量在2%~12%範圍。在我（wǒ）國合金工具鋼（GB/T1299）的37個鋼號中,除（chú）8CrSi和9Mn2V外都含有Cr。鉻對鋼（gāng）的耐（nài）磨損性（xìng）、高溫強度、熱態硬（yìng）度、韌度和淬透（tòu）性都有有利的（de）影響，同時它溶（róng）入基（jī）體中會顯著改善鋼的耐蝕性能，在H13鋼（gāng）中含Cr和Si會使（shǐ）氧化膜致密（mì）來提高鋼的抗氧化性。再則以Cr對0.3C-1Mn鋼回火性能的作用來分析，加入﹤6% Cr對提高鋼回火抗力是有利的，但未能構成二次硬化；當含Cr﹥6%的鋼淬火後在550℃回火會出現（xiàn）二次硬化效（xiào）應。人們對熱作鋼模具鋼一般選5%鉻（gè）的加入量。
工具（jù）鋼中的鉻一部分溶入鋼中起固溶強化作（zuò）用，另一部分與（yǔ）碳結合,按含鉻量（liàng）高低以(FeCr)3C、(FeCr)7C3和M23C6形式存在，從而來影響鋼的性能。另外還要考慮合金元素的交互作用影響，如（rú）當鋼中含鉻、鉬和釩時，Cr>3%<sup>[14]</sup>時，Cr能阻止V4C3的生成和推（tuī）遲（chí）Mo2C的共格析出，V4C3和Mo2C是提高鋼材的高溫強度和抗回火性的強化相<sup>[14]</sup>，這種交互作用提高該鋼（gāng）耐熱變（biàn）形性（xìng）能。
鉻溶入鋼奧氏體（tǐ）中增加（jiā）鋼的淬透性。Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si﹑Ni都與Cr一（yī）樣是增加鋼淬透性的合（hé）金元素。人們習（xí）慣用淬透性因子加以表征,一般國內現有資料[15]還隻應（yīng）用Grossmann等的資料,後來Moser和Legat[16,22]的更（gèng）進一步工作提出由含（hán）C量和奧氏體晶粒度決（jué）定基本淬透性直徑Dic和合金元素含量確（què）定的淬（cuì）透性因子(示於（yú）圖3中)來計算合金鋼的理想臨界（jiè）直徑Di,也可從下式作近似計算:
Di=Dic×2.21Mn×1.40Si×2.13Cr×3.275Mo×1.47Ni (1)
(1)式中各合金元素（sù）以質量百分數表示。由該式，人（rén）們對Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si和Ni元素影響鋼淬透性有相當明確的半定量了（le）解。
Cr對鋼共析點的影響，它和Mn大致相（xiàng）似，在約5%的（de）含鉻量（liàng）時，共析點的（de）含C量降到0.5%左右。另（lìng）外Si﹑W﹑Mo﹑V﹑Ti的加入更顯著降低共析點含C量。為此可以知道：熱作模具鋼和高速鋼一樣屬於過共析鋼。共析含C量的降低（dī），將增加奧氏體化後組織中和最後組織中的合金（jīn）碳化物含（hán）量。
鋼中合金C化物的行為與其自身的穩定性有關，實際上，合金C化物（wù）的結構、穩定性與相應C化（huà）物形（xíng）成元素的d電子殼層和S電子殼層的電子欠缺程度相關（guān）[17]。隨著（zhe）電子欠缺程度下降，金屬原子半徑隨之減小，碳和金屬元素的原子半徑比rc/rm增（zēng）加，合金C化物（wù）由間隙相向間隙化合物變化，C化物的穩定性減（jiǎn）弱，其相應熔化溫度和在A中溶解溫度降低，其生成自由（yóu）能的（de）絕對值減小，相應的硬度值下降。具有麵心立方點陣的VC碳化物，穩定（dìng）性高，約在900~950℃溫度（dù）開始溶（róng）解，在1100℃以上開始大量溶解（溶解（jiě）終結溫度為1413℃）[17]；它在500~700℃回（huí）火過（guò）程中析出，不（bú）易聚集長大，能作為鋼（gāng）中強化相（xiàng）。中等碳化物形成元素（sù）W 、Mo形成的M2C和MC 碳化（huà）物具有密排（pái）和簡（jiǎn）單六方點陣，它們的（de）穩定性較差些，亦具較高的硬度、熔（róng）點和溶解溫度，仍可作為在500~650℃範圍使用鋼的強化相。M23C6(如Cr23C6等)具有複雜立方點陣，穩定性更差，結（jié）合強度較弱（ruò），熔點和溶解溫（wēn）度較低（dī）（在1090℃溶（róng）入A中），隻有在（zài）少數耐熱鋼（gāng）中經綜合（hé）合金（jīn）化後才有較高穩定性（如（rú）（CrFeMoW）23C6,可作（zuò）為強化相。具有複雜（zá）六方結構的M7C3(如Cr7C3、 Fe4Cr3C3或Fe2Cr5C3)的穩（wěn）定性更差，它（tā）和（hé）Fe3C類（lèi）碳（tàn）化物一樣很（hěn）易溶解（jiě）和析出，具有較大的聚集（jí）長大（dà）速度，一般不能作為高溫強化（huà）相[17]。
我們仍從Fe-Cr-C三元相圖可以簡便了解H13鋼中的合金碳化物相（xiàng）。按Fe-Cr-C係700℃[18~20]和870℃[9]三元等溫截麵的相圖,對含0.4%C鋼中（zhōng）,隨Cr量增加會出（chū）現（xiàn）（FeCr）3C（M3C）和（CrFe）7C3(M7C3)型合金碳化物。注意在870℃圖上,隻有含（hán）Cr量大於11%才會出現M23C6）。另（lìng）外根據Fe-Cr-C三元係（xì）在5%Cr時的垂直截麵,對含0.40%C的鋼在退火狀態下為α相（約固（gù）溶1%Cr）和（CrFe）7C3合金C化物。當加熱（rè）至791℃以上形（xíng）成（chéng）奧氏體A和（hé）進（jìn）入（α+A+M7C3）三相區,在795℃左右進入（A+M7C3）兩（liǎng）相區,約在970℃時,（CrFe）7C3消失,進入單相A區。當（dāng）基體含C量﹤0.33%時,在793℃左右才存在（M7C3+M23C6和A）的三相區,在796℃進入（A+M7C3）區（0.30%C時），以後（hòu）一直（zhí）保持（chí）到液相。鋼中殘留的M7C3有阻止A晶粒長大的作用。Nilson提出，對1.5%C-13%Cr的成（chéng）分合金，欠穩定（CrFe）23C6不形成[20]。當然,單以Fe-Cr-C三元係分析會有一些（xiē）偏差,要考慮加入合金元素的影響（xiǎng）。
