H13鋼的化學(xué)成分對鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能的影響
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H13鋼的化學(xué)成分對鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能的影響
1、前言
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。在美國,熱作模具鋼分為三種：鉻熱作模具鋼、鎢熱作模具鋼和鉬熱作模具鋼,都冠以H字母,分別表示為H10~H19、H21~H26和H42、H43等。其中前兩種鋼的含碳量在(0.30~0.50)﹪范圍,后種鋼的含碳量在(0.50~0.70)﹪范圍內(nèi),三種鋼的Cr、W、Mo和V合金元素的總含量在(6~25)﹪范圍。（H13鋼的化學(xué)成分對鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能的影響）
H13鋼是使用*廣泛和*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(xiàn)迅速下降（即能耐的工作溫度為540℃）；（6）熱處理的變形小；
（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(gòu)件。
航空及宇航工業(yè)發(fā)展要求其構(gòu)件采用具有高強度、高韌度和高屈強比的材料,人們已經(jīng)知道,鋼鐵材料要能與鈦合金相競爭,其拉伸強度必須達到1600～1700MPa,其斷裂韌度KIC≥125MPa√m的水平。對飛行器,隨飛行速度與音速的比值(稱為馬赫數(shù),Ma,)的增加,要求構(gòu)件能承受500℃或更高溫度的能力,為此須采用具有二次硬化能力的鋼材。人們正是從熱作模具鋼受到啟發(fā),將之作為一種超高強度鋼加以應(yīng)用和開展相當類型的超高強度鋼的研究。（H13鋼的化學(xué)成分對鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能的影響）
2、H13鋼的化學(xué)成分的分析
H13鋼是C-Cr-Mo-Si-V型鋼,在世界上的應(yīng)用極其普遍,同時各國許多學(xué)者對它進行了廣泛的研究,并在探究化學(xué)成分的改進。鋼的應(yīng)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,材料含硫量由0.005%降到0.003%,會使沖擊韌度提高約13%。十分明顯,NADCA207-2003標準就規(guī)定:優(yōu)級(premium)H13鋼含硫量小于0.005%,而超級(superior)的應(yīng)小于0.003%S和0.015%P。下面對H13鋼的成分加以分析。
碳：美國AISI H13，UNST20813，ASTM（*新版）的H13和FEDQQ-T-570的H13鋼的含碳量都規(guī)定為（0.32~0.45）%，是所有H13鋼中含碳量范圍*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SKD61的含碳量為（0.32~0.42）%。我國GB/T1299和YB/T094中4Cr5MoSiV1和SM4Cr5MoSiV1的含碳量為（0.32~0.42）%和（0.32~0.45）%，分別與SKD61和AISIH13相同。特別要指出的是：北美壓鑄協(xié)會NADCA207-90、207-97和207-2003標準中對H13鋼的含碳量都規(guī)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(jié)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(chǎn)生兩次硬化現(xiàn)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(yīng)具有高的韌度，故其含C量應(yīng)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(qū)的交界位置處較好。相應(yīng)的含C量約0.4%，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(jīng)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(fā)生轉(zhuǎn)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(yīng)予以轉(zhuǎn)變完全。（H13鋼的化學(xué)成分對鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能的影響）
編 輯：日加金屬制品（上海）有限公司技術(shù)部
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