|
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
|
≤0.030
|
≤0.03
|
H13鋼是C-Cr-Mo-Si-V型鋼，在世界上的應用極其普遍,同時各國許多（duō）學者對它進行（háng）了廣泛（fàn）的研究，並（bìng）在探究化學成分的改進。鋼的應（yīng）用廣泛和具有優良的特性，主（zhǔ）要由鋼的化學成分（fèn）決定的。當然鋼中雜（zá）質元素（sù）必須降低，有資料表明（míng），當Rm在1550MPa時，材料（liào）含硫量（liàng）由0.005%降到0.003%，會使衝擊韌度提（tí）高約（yuē）13J。NADCA 207-2003標準就規（guī）定：優級(premium)H13鋼含硫量小於0.005%，而超級(superior)的應小於0.003%S和0.015%P。下麵對H13鋼的成分（fèn）加以分（fèn）析（xī）。
碳：美國AISI H13，UNS T20813，ASTM（最新版）的H13和（hé）FED QQ-T-570的H13鋼的含碳量都規（guī）定為（0.32~0.45）%，是所有H13鋼（gāng）中含碳量範圍（wéi）最寬的。德（dé）國X40CrMoV5-1和1.2344的含碳量為（0.37~0.43）%，含碳量範圍較窄，德國DIN17350中還有X38CrMoV5-1的含碳量為（0.36~0.42）%。日本SKD 61的（de）含碳量為（0.32~0.42）%。我國GB/T 1299和YB/T 094中4Cr5MoSiV1和SM 4Cr5MoSiV1的含碳（tàn）量為（wéi）（0.32~0.42）%和（0.32~0.45）%，分別與SKD61和AISI H13相（xiàng）同。特別要指出的是：北美壓鑄協（xié）會NADCA 207-90、207-97和207-2003標準中對H13鋼的含碳（tàn）量都規定為（0.37~0.42）%。
鋼中含碳（tàn）量決定淬火鋼（gāng）的基體硬度（dù），按鋼（gāng）中含碳量（liàng）與淬（cuì）火鋼硬度的關係曲線（xiàn）可以知道,H13鋼的淬火硬度在55HRC左右。對工具鋼而言，鋼中的碳一部分進（jìn）入鋼的基體中引起固溶（róng）強化。另外一部分碳將（jiāng）和合金元（yuán）素中的碳化物（wù）形成元素結（jié）合（hé）成合金碳化物。對熱作模具（jù）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體基體（tǐ）上彌散析出產生兩次硬化現象。從（cóng）而由均勻分布的殘留合金碳（tàn）化合物和回火（huǒ）馬氏體（tǐ）的組織來決定熱作（zuò）模具鋼的性能。由（yóu）此可見，鋼中的含C量不能（néng）太低。
含5%Cr的（de）H13鋼應具有高的韌度，故其含（hán）C量應（yīng）保持在形成少量（liàng）合金C化物的水（shuǐ）平上。Woodyatt 和Krauss指出在870℃的Fe-Cr-C三元相（xiàng）圖上,H13鋼的位置在奧氏體A和（A+M3C+M7C3）三（sān）相區的交界位置處較好（hǎo）。相應的含C量約0.4%。圖上還標出增（zēng）加C或Cr量使M7C3量增多,具有更高耐磨性能的A2和D2鋼以作比較。另外重要的是,保持相對較低的含C量（liàng）是使鋼的Ms點取於相對較高的溫度水平(H13鋼的Ms一般資料介紹為340℃左右)，使該鋼在淬冷至室溫時獲得以馬氏體為主加少量殘餘A和（hé）殘（cán）留均勻分布的合金C化物（wù）組織，並經回火後獲（huò）得均（jun1）勻的回火馬氏體組織（zhī）。避免使過（guò）多（duō）殘餘奧氏體在工作溫度下發生轉變影響工件的工（gōng）作性（xìng）能或變形。這（zhè）些少量殘（cán）餘（yú）奧（ào）氏體在淬火以後的兩次或三次（cì）回火過程中應予以（yǐ）轉（zhuǎn）變完全。這兒順便指出，H13鋼淬火後得到的馬氏體組（zǔ）織（zhī）為板條M+少量片狀M+少量（liàng）殘餘A。經回火後在板（bǎn）條狀M上析出的很細的合金碳（tàn）化物，國內學者也作了一定工作。
眾所周知，鋼中增加碳含量（liàng）將提高鋼的強度，對熱作模（mó）具鋼而言，會使高溫強度、熱態硬度和耐磨損性提高，但會導致其韌度的降低。學者在工（gōng）具鋼產品手冊文（wén）獻中將各（gè）類H型鋼的性能比較很明顯證明了這個觀點。通常認為導（dǎo）致鋼塑性和韌度降低的含碳量界限為0.4%。為此要求人們在鋼合金化設計時遵循（xún）下述原則:在保持強度前提下要盡可能降（jiàng）低鋼的含碳量,有資料已提出:在鋼抗拉（lā）強度達1550MPa以上時,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)。
查閱FORD和GM公司資料（liào）推薦的TQ-1、Dievar和ADC3等鋼中的含（hán）C量都為0.39%和（hé）0.38%等，相應的韌度（dù）指標等列於表1，其理由可由此管窺所及。
對要求更高強度的熱作模具鋼，采用的方法是在H13鋼成分（fèn）的基礎上提高Mo含量或提高含碳量，這將在後麵還會論及，當然韌度和塑性的略為降低是可以預料的。
2.2 鉻： 鉻是合金工具鋼中最普遍含有的和價廉的合金元素。在美國H型（xíng）熱作模具鋼中含Cr量在2%~12%範圍。在我國合金工（gōng）具鋼（GB/T1299）的37個鋼（gāng）號（hào）中,除8CrSi和9Mn2V外都（dōu）含有Cr。鉻對鋼的耐（nài）磨損性、高溫強（qiáng）度、熱態硬（yìng）度（dù）、韌度和淬透性都（dōu）有有利的（de）影響，同時它（tā）溶入（rù）基體中（zhōng）會顯著改善鋼的耐蝕性能，在（zài）H13鋼中含Cr和Si會使氧化膜致（zhì）密來提高鋼的抗氧化性。再則以Cr對（duì）0.3C-1Mn鋼回（huí）火（huǒ）性（xìng）能的作用來分析，加（jiā）入﹤6% Cr對提高鋼回火抗（kàng）力是有利（lì）的，但未能構成二次硬化；當含Cr﹥6%的鋼淬火後在550℃回火會出現二次（cì）硬化（huà）效應。人們對熱作（zuò）鋼模具鋼（gāng）一般選5%鉻的加入量。
工具鋼中的鉻（gè）一部分（fèn）溶入鋼中起固溶強化作用，另一部分與碳結合,按含鉻量高低以(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（lǜ）合（hé）金元素的交互作用影響，如當鋼中含鉻、鉬（mù）和釩（fán）時（shí），Cr>3%<sup>[14]</sup>時，Cr能阻止V4C3的生成和（hé）推遲Mo2C的共格析出（chū），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（gāo）該鋼耐熱變形性能（néng）。
鉻溶入鋼奧氏（shì）體中增（zēng）加鋼的淬透性。Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si﹑Ni都（dōu）與Cr一樣是增（zēng）加（jiā）鋼淬透性的合金元素。人們習慣用淬透性因子加以表征,一般國內現有資（zī）料[15]還隻應用Grossmann等（děng）的資料,後（hòu）來Moser和Legat[16,22]的更進一步工作提（tí）出由含（hán）C量（liàng）和奧氏體晶粒度決定基本淬透性直徑Dic和合金元素含量確（què）定（dìng）的淬透性因子(示於圖3中)來計（jì）算合金鋼的理想臨界直徑Di,也可從下（xià）式作（zuò）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（biǎo）示。由該式，人們對（duì）Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si和（hé）Ni元素影響鋼淬透性有相當明確的半定量了解。
Cr對鋼（gāng）共析點的影響，它和（hé）Mn大致相似，在約5%的含鉻（gè）量時，共析點的含C量（liàng）降到0.5%左右。另外Si﹑W﹑Mo﹑V﹑Ti的加入更（gèng）顯著（zhe）降（jiàng）低共（gòng）析點含C量。為此可以知道：熱作模具鋼和高速鋼（gāng）一（yī）樣屬於過共（gòng）析鋼。共析含C量的降低，將增加奧氏體化後組織中和最後組織中的合金碳化物含量。
鋼中合金C化物的行（háng）為與其自身（shēn）的穩定性有關，實際（jì）上（shàng），合金C化物的結構、穩定性與相應C化物形成元素的d電子殼層和S電子殼層的（de）電子欠缺程（chéng）度相關（guān）[17]。隨著電（diàn）子欠缺程度下降，金屬原子半徑隨之減小，碳和金（jīn）屬元素的原子半（bàn）徑比rc/rm增加，合金C化物（wù）由間隙相向間隙（xì）化合物變化，C化（huà）物的（de）穩定性減弱，其相應（yīng）熔化溫度和（hé）在A中溶解溫度降低，其生成（chéng）自由能的絕對值減小，相應的硬度值下降（jiàng）。具有麵心（xīn）立方點陣的（de）VC碳化物（wù），穩定性高，約在900~950℃溫度（dù）開始溶解，在1100℃以上開始（shǐ）大量溶解（溶解終結溫度為1413℃）[17]；它在500~700℃回火過程中析出，不易聚集長大，能作為鋼中強化相。中等碳化物形成元素W 、Mo形成的M2C和MC 碳化（huà）物具有密排和簡單（dān）六方點陣，它們的穩定性（xìng）較差些，亦具較高的硬度、熔點和溶解溫（wēn）度，仍可（kě）作為在500~650℃範圍使用鋼的強化相（xiàng）。M23C6(如（rú）Cr23C6等)具有複雜立（lì）方點陣，穩定性更差，結合強度較弱，熔點和溶解溫度較低（在1090℃溶入（rù）A中），隻有在少數耐熱鋼中經綜合合（hé）金化後才（cái）有較高穩定性（如（CrFeMoW）23C6,可作為強化相。具有複雜六方結構的M7C3(如Cr7C3、 Fe4Cr3C3或Fe2Cr5C3)的穩定性更差，它（tā）和Fe3C類碳化（huà）物（wù）一樣很易溶解和析出，具有較大的聚集長大速度（dù），一般不能作為高溫強化相[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（huà）物（wù）相。按Fe-Cr-C係700℃[18~20]和870℃[9]三元等溫截麵的相（xiàng）圖,對含0.4%C鋼中,隨（suí）Cr量增加會出現（FeCr）3C（M3C）和（CrFe）7C3(M7C3)型合金碳化物（wù）。注意在870℃圖上,隻有含Cr量大於（yú）11%才會出現M23C6）。另外（wài）根據Fe-Cr-C三元係在5%Cr時的垂直截麵,對含0.40%C的鋼在退火狀態下為（wéi）α相（約固溶1%Cr）和（CrFe）7C3合金C化物。當（dāng）加熱至（zhì）791℃以上形成奧氏體A和進入（α+A+M7C3）三相（xiàng）區（qū）,在795℃左右進入（A+M7C3）兩相區（qū）,約在970℃時,（CrFe）7C3消失,進入單相（xiàng）A區。當基體含（hán）C量﹤0.33%時,在793℃左右（yòu）才存在（M7C3+M23C6和A）的三相區,在796℃進（jìn）入（A+M7C3）區（0.30%C時），以後一直保持到液（yè）相。鋼中殘留的M7C3有阻止（zhǐ）A晶粒長大的作用。Nilson提出，對1.5%C-13%Cr的成分合金，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（yào）考慮加入合金元素的影響。
