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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(yè)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(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(yè)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(shí)各國許多學(xué)者對它進(jìn)行了廣泛的研究,并在探究化學(xué)成分的改進(jìn)。鋼的應用廣泛和具有優(yōu)良的特性,主要由鋼的化學(xué)成分決定的。當然鋼中雜質(zhì)元素必須降低,有資料表明,當Rm在1550MPa時(shí),材料含硫量由0.005%降到0.003%,會(huì )使沖擊韌度提高約13J。十分明顯,NADCA207-2003標準就規定:優(yōu)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(xié)會(huì )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(guān)系曲線(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(guò)程中在淬火馬氏體基體上彌散析出產(chǎn)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(lái)決定熱作模具鋼的性能。由此可見(jiàn),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(jiàn)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(diǎn)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(shí)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(jīng)回火后獲得均勻的回火馬氏體組織。避免使過(guò)多殘余奧氏體在工作溫度下發(fā)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(guò)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(jīng)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(jiàn)圖2,國內學(xué)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(huì )使高溫強度、熱態(tài)硬度和耐磨損性提高,但會(huì )導致其韌度的降低。學(xué)者在工具鋼產(chǎn)品手冊文獻[11]中將各類(lèi)H型鋼的性能比較很明顯證明了這個(gè)觀(guān)點(diǎn)。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(shí)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(shí),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(shí))和1937.5MPa(51HRC時(shí))。

    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M(jìn)o含量或提高含碳量,這將在后面還會(huì )論及,當然韌度和塑性的略為降低是可以預料的。

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