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百科解讀

H13鋼的碳(C)對其結構性能影響分析

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2019/7/26     瀏覽次數:    

H13鋼是使用最廣泛和最具代表性的熱作模具鋼種,它的主要特性是:

(1)具有高的淬透性和高的韌性;

(2)優良的抗熱裂能力,在工作場合可予以水冷;

(3)具有中等耐磨損能力,還可以采用滲碳或滲氮工藝來提高其表面硬度,但要略為降低抗熱裂能力;

(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℉)硬度出現迅速下降(即能耐的工作溫度為540℃);

(6)熱處理的變形??;

(7)中等和高的切削加工性;

(8)中等抗脫碳能力。更為令人注意的是,它還可用于制作航空工業上的重要構件。

H13鋼是C-Cr-Mo-Si-V型鋼,在世界上的應用極其普遍,同時各國許多學者對它進行了廣泛的研究,并在探究化學成分的改進。鋼的應用廣泛和具有優良的特性,主要由鋼的化學成分決定的。當然鋼中雜質元素必須降低,有資料表明,當Rm在1550MPa時,材料含硫量由0.005%降到0.003%,會使沖擊韌度提高約13J。十分明顯,NADCA207-2003標準就規定:優級(premium)H13鋼含硫量小于0.005%,而超級(superior)的應小于0.003%S和0.015%P。下面對H13鋼的成分加以分析。

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鋼中含碳量范圍最寬的。德國X40CrMoV5-1和1.2344的含碳量為(0.37~0.43)%,含碳量范圍較窄,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的含碳量為(0.32~0.42)%和(0.32~0.45)%,分別與SKD61和AISI H13相同。特別要指出的是: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)%。

鋼中含碳量決定淬火鋼的基體硬度,按鋼中含碳量與淬火鋼硬度的關系曲線可以知道,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金碳化物。對熱作模具鋼,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體基體上彌散析出產生兩次硬化現象。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決定熱作模具鋼的性能。由此可見,鋼中的含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鋼的位置在奧氏體A和(A+M3C+M7C3)三相區的交界位置處較好。相應的含C量約0.4%(見圖1)。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鋼以作比較。另外重要的是,保持相對較低的含C量是使鋼的Ms點取于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余A和殘留均勻分布的合金C化物組織,并經回火后獲得均勻的回火馬氏體組織。避免使過多殘余奧氏體在工作溫度下發生轉變影響工件的工作性能或變形。這些少量殘余奧氏體在淬火以后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鋼淬火后得到的馬氏體組織為板條M+少量片狀M+少量殘余A。經回火后在板條狀M上析出的很細的合金碳化物的照片可見圖2,國內學者也作了一定工作。

圖1  Fe-Cr-C系870℃水平截面部分相圖

圖2    H13鋼淬火回火的TEM組織

眾所周知,鋼中增加碳含量將提高鋼的強度,對熱作模具鋼而言,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。學者在工具鋼產品手冊文獻[11]中將各類H型鋼的性能比較很明顯證明了這個觀點。通常認為導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下述原則:在保持強度前提下要盡可能降低鋼的含碳量,有資料已提出:在鋼抗拉強度達1550MPa以上時,含C量在0.3%-0.4%為宜。H13鋼的強度Rm,有文獻介紹為1503.1MPa(46HRC時)和1937.5MPa(51HRC時)。

查閱FORD和GM公司資料推薦的TQ-1、Dievar和ADC3等鋼中的含C量都為0.39%和0.38%等,相應的韌度指標等列于表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鋼成分的基礎上提高Mo含量或提高含碳量,這將在后面還會論及,當然韌度和塑性的略為降低是可以預料的。

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