模具鋼材H13的成分、特性及應用
㈠模具鋼材H13的成分及特性
模具材料是模具產業最重要的技術和物質基礎，其性能、質量對模具使用壽命、模具制造周期以及工業產品向高級化、多樣化、個性化和附加值化方向發展具有決定性意義，因而模具材料的研究一直受到各國的重視。
H13鋼原是美國的一個鋼種，在我國一般稱作4Cr5MoSiV1鋼，它是目前應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之所以被廣泛應用，是因為它具有以下特性：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，可采用滲碳或滲氮工藝來提高其表面硬度；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的應用
⒈應用于熱鍛模
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度、熱疲勞性能和抗沖擊韌性。而H13鋼較高的高溫強度、硬度以及良好的抗沖擊性能，正是熱鍛模最需要的。上世紀80年代，在歐美及日本等國，H13鋼用于錘鍛模、摩擦壓力機鍛模、熱模鍛壓力機鍛模等各種熱鍛模已經相當普遍。我國從20世紀90年代初開始，有部分大型機械制造廠家用H13鋼做鍛造齒輪、葉片的高速錘鍛模和一般中小型鍛模，都收到滿意的效果。如某公司設計的滾輪模具用H13鋼代替5CrNiMo材料，其產成比提高了近一倍 。
⒉應用于熱擠壓模
長期以來，我國在汽車零件、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，且金屬在模腔內流動產生劇烈摩擦，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生熱疲勞裂紋，從而導致使用壽命偏低，直接影響到產品質量和成本。盡管采取了合理的鍛造工藝，對模具進行了強韌化熱處理或表面強化，改善了模具的使用壽命，但模具壽命的提高是有限的，它所帶來的經濟效益改觀并不顯著。而H13鋼較高的高溫強度和硬度能避免熱擠壓模過早變形和開裂，良好的耐磨性又可減輕模具表面的磨損，因此，20世紀90年代初，我國已較廣泛地采用H13鋼作熱擠壓模。
目前，我國絕大多數鋁型材生產廠家采用H13鋼制造熱擠壓模，擠壓的鋁型材表面質量得到提高，且模具使用壽命也提高近三倍。湖南某集團公司經現場生產對比試驗表明，在同等條件下，H13鋼模具的使用壽命比3Cr2W8V模具高2～3倍，且不發生尖角裂紋，耐磨性能好，工作帶的溝槽淺，麻點少。
⒊應用于有色金屬壓鑄模
壓鑄過程中，熔融態的金屬以一定的頻率和速度射人模腔，對模腔表面反復沖刷并產生激烈摩擦，使模體承受高溫、高壓和強大的熱沖擊。這要求壓鑄模材料在熱沖擊條件下具有足夠的強硬度，熱膨脹系數小，導熱性好，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勢明顯，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的常規熱處理
在H13鋼淬火加熱過程中，首先應采用800 ~850℃階段預熱，然后再升至奧氏體化溫度，這一過程的特點是快速加熱、短時保溫，這樣可使奧氏體晶粒細化。此外，預熱是為了避免過快的加熱在模腔內形成溫度梯度，引起應力導致模具發生畸變。淬火加熱溫度對H13模具鋼的力學性能有很大影響，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、淬透性和高溫強度，低于1000℃淬火，不能充分發揮合金元素的作用。研究表明，高溫淬火可減少孿晶馬氏體，增加位錯馬氏體，從而提高馬氏體位錯可動性，使H13鋼具有較高的K1c值。但高于1070℃ 淬火，晶粒開始明顯長大，沖擊韌性降低，而鋼的硬度并沒有顯著增加lL1 。對于壓鑄模，要求紅硬性高，可采用上限溫度淬火。對于熱擠壓模，要求良好的強韌性及耐磨性，可采用下限溫度淬火。H13鋼淬火加熱后要在高溫時立即淬火，不宜停留時間太長，否則過冷奧氏體在珠光體轉變區緩冷時會從中直接析出碳化物，影響材料力學性能。
H13鋼的淬火組織是板條馬氏體+未溶碳化物+殘余奧氏體，為消除淬火應力和殘余奧氏體，并使馬氏體韌化，必須進行2～3次高溫回火。通常，淬火后的模具溫度在低于70℃時就應盡快回火，這對尺寸較大、形狀復雜的熱作模具尤為重要。為避免熱作?；鼗饡r重新產生殘余應力，在回火加熱和冷卻時應緩慢進行。H13鋼若在425℃ ～52O℃ 范圍內回火，在出現二次硬化的同時會出現回火脆性，沖擊韌性顯著降低，因此，H13鋼回火時應避免在回火脆性發展區內進行。
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；回火溫度高于650℃時，馬氏體形態消失，組織為回火索氏體?；鼗饻囟纫话闳Q于模具的工作條件及硬度要求。對于熱擠壓模及壓鑄模，其工作溫度達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℃ 。對于熱疲勞性能要求高的模具可取上限48HRC；對于強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，廣泛應用于熱鍛模、熱擠壓模和有色金屬壓鑄模，其常規熱處理工藝不斷得到完善及優化，表面改性工藝更打破傳統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展。同時，H13鋼還在冶煉工藝、合金化等方面得到拓展，獲得了性能更為優良的鋼種。這些研究都將充分發揮H13鋼的性能潛力，延長模具壽命，帶來顯著的經濟效益。