模具鋼材H13的成分、特性及應(yīng)用
㈠模具鋼材H13的成分及特性
模具材料是模具產(chǎn)業(yè)最重要的技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)，其性能、質(zhì)量對(duì)模具使用壽命、模具制造周期以及工業(yè)產(chǎn)品向高級(jí)化、多樣化、個(gè)性化和附加值化方向發(fā)展具有決定性意義，因而模具材料的研究一直受到各國(guó)的重視。
H13鋼原是美國(guó)的一個(gè)鋼種，在我國(guó)一般稱(chēng)作4Cr5MoSiV1鋼，它是目前應(yīng)用最廣泛的一種熱作模具鋼。熱作模具鋼要求材料具有高的淬透性、高的高溫強(qiáng)度、高的耐磨性、高的韌度、高的抗熱裂能力和高的耐熔損性能等。模具鋼材H13之所以被廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樗哂幸韵绿匦裕孩倬哂懈叩拇阃感院透叩捻g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，可采用滲碳或滲氮工藝來(lái)提高其表面硬度；④在較高溫度下具有抗軟化能力；⑤熱處理變形小；⑥ 良好的切削加工性能。
H13鋼的化學(xué)成分(％) (GB／T1299-2000)
        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    ≤0.03    ≤0.03
㈡模具鋼材H13的應(yīng)用
⒈應(yīng)用于熱鍛模
熱鍛模一般在比較惡劣的條件下工作，要承受高溫、高壓作用，有的還受到較大沖擊力，故要求熱鍛模具有較高的高溫強(qiáng)度、熱疲勞性能和抗沖擊韌性。而H13鋼較高的高溫強(qiáng)度、硬度以及良好的抗沖擊性能，正是熱鍛模最需要的。上世紀(jì)80年代，在歐美及日本等國(guó)，H13鋼用于錘鍛模、摩擦壓力機(jī)鍛模、熱模鍛壓力機(jī)鍛模等各種熱鍛模已經(jīng)相當(dāng)普遍。我國(guó)從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，有部分大型機(jī)械制造廠(chǎng)家用H13鋼做鍛造齒輪、葉片的高速錘鍛模和一般中小型鍛模，都收到滿(mǎn)意的效果。如某公司設(shè)計(jì)的滾輪模具用H13鋼代替5CrNiMo材料，其產(chǎn)成比提高了近一倍 。
⒉應(yīng)用于熱擠壓模
長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)在汽車(chē)零件、鋁型材及軍事器械等坯件熱擠壓加工中所用的擠壓模具都采用3Cr2W8V鋼，但由于熱擠壓模具在忽冷忽熱條件下工作，且金屬在模腔內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生劇烈摩擦，模具要承受較高的溫度和單位壓力，用3Cr2W8V制造的熱擠壓模容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋，從而導(dǎo)致使用壽命偏低，直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量和成本。盡管采取了合理的鍛造工藝，對(duì)模具進(jìn)行了強(qiáng)韌化熱處理或表面強(qiáng)化，改善了模具的使用壽命，但模具壽命的提高是有限的，它所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益改觀并不顯著。而H13鋼較高的高溫強(qiáng)度和硬度能避免熱擠壓模過(guò)早變形和開(kāi)裂，良好的耐磨性又可減輕模具表面的磨損，因此，20世紀(jì)90年代初，我國(guó)已較廣泛地采用H13鋼作熱擠壓模。
目前，我國(guó)絕大多數(shù)鋁型材生產(chǎn)廠(chǎng)家采用H13鋼制造熱擠壓模，擠壓的鋁型材表面質(zhì)量得到提高，且模具使用壽命也提高近三倍。湖南某集團(tuán)公司經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)對(duì)比試驗(yàn)表明，在同等條件下，H13鋼模具的使用壽命比3Cr2W8V模具高2～3倍，且不發(fā)生尖角裂紋，耐磨性能好，工作帶的溝槽淺，麻點(diǎn)少。
⒊應(yīng)用于有色金屬壓鑄模
壓鑄過(guò)程中，熔融態(tài)的金屬以一定的頻率和速度射人模腔，對(duì)模腔表面反復(fù)沖刷并產(chǎn)生激烈摩擦，使模體承受高溫、高壓和強(qiáng)大的熱沖擊。這要求壓鑄模材料在熱沖擊條件下具有足夠的強(qiáng)硬度，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性好，并具有較高的抗沖蝕能力和抗疲勞能力。與3Cr2W8V相比，H13鋼的耐冷熱疲勞能力和抗沖蝕作用優(yōu)勢(shì)明顯，目前，除銅合金外，鋁、鎂和鋅等有色金屬的壓鑄模大多采用H13鋼 。
㈢模具鋼材H13的常規(guī)熱處理
在H13鋼淬火加熱過(guò)程中，首先應(yīng)采用800 ~850℃階段預(yù)熱，然后再升至奧氏體化溫度，這一過(guò)程的特點(diǎn)是快速加熱、短時(shí)保溫，這樣可使奧氏體晶粒細(xì)化。此外，預(yù)熱是為了避免過(guò)快的加熱在模腔內(nèi)形成溫度梯度，引起應(yīng)力導(dǎo)致模具發(fā)生畸變。淬火加熱溫度對(duì)H13模具鋼的力學(xué)性能有很大影響，只有升至奧氏體化溫度，才能使鋼中的合金碳化物固溶于基體中，提高基體的合金化程度，從而提高鋼的淬硬性、淬透性和高溫強(qiáng)度，低于1000℃淬火，不能充分發(fā)揮合金元素的作用。研究表明，高溫淬火可減少孿晶馬氏體，增加位錯(cuò)馬氏體，從而提高馬氏體位錯(cuò)可動(dòng)性，使H13鋼具有較高的K1c值。但高于1070℃ 淬火，晶粒開(kāi)始明顯長(zhǎng)大，沖擊韌性降低，而鋼的硬度并沒(méi)有顯著增加lL1 。對(duì)于壓鑄模，要求紅硬性高，可采用上限溫度淬火。對(duì)于熱擠壓模，要求良好的強(qiáng)韌性及耐磨性，可采用下限溫度淬火。H13鋼淬火加熱后要在高溫時(shí)立即淬火，不宜停留時(shí)間太長(zhǎng)，否則過(guò)冷奧氏體在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)緩冷時(shí)會(huì)從中直接析出碳化物，影響材料力學(xué)性能。
H13鋼的淬火組織是板條馬氏體+未溶碳化物+殘余奧氏體，為消除淬火應(yīng)力和殘余奧氏體，并使馬氏體韌化，必須進(jìn)行2～3次高溫回火。通常，淬火后的模具溫度在低于70℃時(shí)就應(yīng)盡快回火，這對(duì)尺寸較大、形狀復(fù)雜的熱作模具尤為重要。為避免熱作模回火時(shí)重新產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在回火加熱和冷卻時(shí)應(yīng)緩慢進(jìn)行。H13鋼若在425℃ ～52O℃ 范圍內(nèi)回火，在出現(xiàn)二次硬化的同時(shí)會(huì)出現(xiàn)回火脆性，沖擊韌性顯著降低，因此，H13鋼回火時(shí)應(yīng)避免在回火脆性發(fā)展區(qū)內(nèi)進(jìn)行。
HI3鋼回火組織為回火馬氏體+少量粒狀碳化物，低于600℃回火的仍保持馬氏體板條形態(tài)；回火溫度高于650℃時(shí)，馬氏體形態(tài)消失，組織為回火索氏體。回火溫度一般取決于模具的工作條件及硬度要求。對(duì)于熱擠壓模及壓鑄模，其工作溫度達(dá)600℃ ，硬度要求為42~48HRC，硬度越高，熱疲勞性能越好，但韌性變差，因此一般只取46HRC，由此可確定其回火溫度為620～640℃ 。對(duì)于熱疲勞性能要求高的模具可取上限48HRC；對(duì)于強(qiáng)韌性要求高的模具可取下限42HRC。大尺寸模具淬火后難以得到高硬度，且為保證韌性，硬度一般取下限。高于650℃回火，強(qiáng)度、硬度及耐磨性均顯不足。
H13鋼是最具代表性的熱作模具鋼之一，廣泛應(yīng)用于熱鍛模、熱擠壓模和有色金屬壓鑄模，其常規(guī)熱處理工藝不斷得到完善及優(yōu)化，表面改性工藝更打破傳統(tǒng)表面熱處理的局限性，在氣相沉積和高能束表面處理等方面得到了巨大的發(fā)展。同時(shí)，H13鋼還在冶煉工藝、合金化等方面得到拓展，獲得了性能更為優(yōu)良的鋼種。這些研究都將充分發(fā)揮H13鋼的性能潛力，延長(zhǎng)模具壽命，帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。