热作模具用H13钢及其表面改性

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热作模具用H13钢及其表面改性
" O! ~0 A' F' l' [* V# ^6 TH13钢是我国从美国引进的优良钢种之一，我国1976年起作为推荐钢种列入国家标准，后作为重点推广钢种。该钢目前在世界上应用极其普遍，但钢号表示多种。本文按主要文献将相类似的钢号汇总，其中还收集日本主要钢厂的牌号。同时对H13钢的表面改性作了一定的叙述。

( Y/ ?6 e: `3 a! Z1 B* y9 [- e前言

1 L' z2 D( i; d$ FH13钢是一种强韧兼有的空冷硬化型热作模具用钢。该钢的主要特征是[1]：（1）具有高的淬透性和高的韧性；（2）优良的抗热裂能力，在工作场合可予以水冷；（3）具有中等耐磨损能力，还可以采用渗碳或渗氮工艺来提高其表面硬度，但要略微降低抗热裂能力；（4）因其含碳量较低，回火中二次硬化能力较差；（5）在较高温度下具有抗软化能力，但使用温度高于540℃（1000℉）硬度出现迅速下降（即能耐工作温度为540℃）；（6）热处理的变形小；（7）中等和高的切削加工性；（8）中等抗脱碳能力。它能广泛应用于制造热挤压模具、压铸模具、热切边模、热锻模和热冲孔模具等，有的场合还可用于制造塑料模具，令人注意的是，它还可用于制作航空工业上的重要构件。
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- C9 _- \& N* X/ YH13钢是我国从美国引进的优良钢种之一，我国1976年起作为推荐钢种列入国家标准，后作为重点推广钢种。该钢目前在世界上应用极其普遍，但钢号表示多种。本文按主要文献将相类似的钢号汇总，其中还收集日本主要钢厂的牌号。同时对H13钢的表面改性作一定的叙述。关于热处理及相关检测将另作专论。

1. H13钢的成分

) i2 n5 Y, T2 G- D* N5 h在美国，热作模具钢分为三种：铬热作模具钢、钨热作模具钢和钼热作模具钢，全部以H命名。分别为H10～H19,H21~H26,和H42、H43。热作模具钢的含碳量为中碳含量（0.35～0.45％），另含Cr、W、M0和V合金元素，合金含量在6～25％范围。

H13钢属于第一种。其含碳量在0.5％以下，按淬火钢硬度与含碳量关系曲线[2]可知，其最大淬火硬度在55HRC左右。钢的含Cr量为5％左右，它和其他碳化物形成元素一起提供给钢具有较高的淬透性和好的抗软化能力，所以该钢在空冷条件下能够淬硬。在6barN2气体真空处理条件下可淬透直径为160mm[3]。但铬的加入会增加碳化物的不均匀程度，致使钢中会出现亚稳定的共晶碳化物，这种碳化物现在国内一般可用高碳铬轴承钢相关标准予以评定[4,7]。铬含量的提高有利于增加材料的热强度，但对韧度不利。材料中增加钼和钨，有人提出[5]，（1/2W+M0）的量至1％以上时，会使材料500℃以上进行回火时仍获得较高硬度，并具有二次硬化能力。H13钢的二次硬化能力不很明显，可参见资料[1]。提高V的含量，如V的量由0.4％（SKD6,相当于H11）提高至1%，使H13钢（SKD61）的热强度和热稳定性提高了，同时V也增加水冲洗抗力，实际上是提高水浸侵蚀磨损抗力（erosive wear）[6]。

5 N. x( G2 M# E% u% z7 o另外，钢中加入W、M0、V、Nb等形成M6C和MC型碳化物的元素，能对奥氏体晶粒细化，也使溶入奥氏体后在回火过程中产生二次硬化效果。对Cr的加入形成的碳化物为
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: W' [- b0 M6 U9 z9 k3 {M23C 6型，其在1100℃奥氏体化时基本上溶解完了，（全部溶入奥氏体的温度是1160℃），这将决定H13钢的最佳奥氏体化温度处于1020～1080℃范围内。[4]
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5 f1 X: b6 d6 d' n/ _. ^H13钢对硫磷含量限制在0.030以下，实际上，硫的质量分数<0.014％时可以大大提高钢件的断裂韧度KIC值。国外电渣重熔的优质H13钢的含硫量控制在0.005％～0.008％范围内[7]，这当然保证了材料的质量。北美压铸协会标准NADCA207-2003中对符合标准级外的特级（premium）和超级（superior）的H13钢的最小麦夏氏V型缺口冲击值为11J（8英尺˙磅）和13.8J(10英尺˙磅)。当加入0.06％～0.15％S和≤1.0％Mn使成为易切削钢时，可用于制造塑料模具，其机加工性能良好。材料经过调质处理，使硬度在（40～44）HRC范围内进行加工，并可抛光达Ra为0.05μm的镜面光洁度，满足高光洁塑料模具要求。
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美国AISI H13,UNS T20813, ASTMA681(最新版)的H13钢和FED QQ-T-570的H13的含碳量都规定为（0.32～0.45）％, 是所有H13钢中含碳量范围最宽的。我国GB/T1299和YB/T094中4Cr5M0SiV1和SM4Cr5M0SiV1钢号的含碳量为（0.32～0.42）％和（0.32～0.45）％。德国DIN17350 X40CrM0V5-1和WNr1 2344钢的含碳量为（0.37～0.43）％，含碳范围较窄。北美压铸协会标准NADCA 207-90中对中高级H13钢的含碳量规定为（0.37～0.42）％。

1 r. W( l2 y/ X对合金元素量，为便于比较将美﹑德﹑日﹑法和瑞典UDDEHOLM的ORVAR钢列出于表1中。

表1 几种H13钢的化学成分（质量分数％）
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* }8 s% i. E2 R6 L$ |  Y6 y# s2. H13钢号汇综
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5 o+ t7 a+ `7 R) `; z( H0 @! R前文已指出，H13钢在世界上应用极普遍，但钢号表示有异，为了便于掌握，将20个国家和地区的钢号列出于表2[8,10]中。不同钢号化学成分差别不是很大，对含碳量的差别已有说明。

表2 各国H13钢号汇综

同时，将收集的日本各钢厂生产的H13类似牌号列于表3[9]。

表3 日本各钢厂生产H13(SKD61)钢号对照
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3. H13钢的表面改性

H13钢最普遍用来制造热锻模具和有色金属压铸模具。模具的使用寿命决定于很多因素：模具设计的合理性，模具材料选择的正确性，模具机械加工和热处理工艺的合理正确制订，当然还应涉及模具的使用条件和维护。其中模具材料的质量和热处理是相当重要的关键因素。热处理应包括整体工件的热处理和工件的表面改性。相关的标准主要有北美压铸协会标准、法国汽车工业会、德国钢铁协会、材料协会和压铸协会的标准，还有通用汽车、福特汽车的推荐标准等。
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H13钢锻模和铝合金压铸模的表面改性目前主要在以下两个方面：（1）铁素体氮碳共渗和硫氮碳共渗技术和（2）PVD涂层技术。国内外在这两个方面进行的研究论文有了发表，但具体工业应用的报导不多，专门从事材料表面改性技术的法国HEF集团在一些国际性会议上以论文形式报导了H13表面改性工业应用的实例，同时艾福表面处理技术（上海）有限公司（HEF Shanghai）结合舍福表面处理技术有限公司（TS Shanghai）的实践汇同国外的相关文献（尤其是NADCA的专家和Case Western Reserve大学教授的工作）作一定描述。

+ a) n7 A1 ]* ?4 K# e# o% U8 l9 |  ?- x9 {国内普遍认为，热疲劳发生龟裂损伤和热磨损是热作模具失效的两大主要原因。这方面，国外的相关文献叙述得十分明确：模具的损坏和限制模具寿命上升的三个机制为：1)液态金属铝的粘焊(soldering)和化学冲蚀损伤2)磨损和腐蚀3)热疲劳开裂。其中1)是最重要的失效机制。他们提出采用铁素体氮碳共渗和离子氮化能显著提高工具钢的模具寿命。国内有关铝熔损的试验指出，当模具材料硬度为45HRC时，未表面处理的铝熔损率高达54.90％时，当采用盐浴硫氮碳共渗，其熔损率仅为0.10％。当采用盐浴氮碳共渗（软氮化）后再加上PVD处理时，熔损率更明显降低至0.01％。由此可见，H13钢的表面改性的效果十分明显。
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解决这一问题的最佳途径是在模具材料表面涂覆硬膜，使其不被铝合金熔液润湿，同时涂覆的硬膜也赋予模具材料表面的腐蚀磨损抗力。HEF集团对汽车转向操作系统的铝合金工件压铸成型模具中的挺杆（38CDV5，相当于H13钢）表面沉积3μm厚的CERTESS SD 涂层，其硬度可达4000～4500HV，使用温度可达800℃，还可抗铝合金的黏结，使用寿命提高至10万次，是未进行沉积处理挺杆的6~7倍。
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4. 结束语

! H7 I0 x8 N; _; j5 c1)H13钢是世界上普遍使用的强韧兼具的热作模具钢，具有高的淬透性和抗热裂能力。
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2)H13钢的国内牌号为4Cr5M0SiVl，严格控制硫的含量可大大提高钢的断裂韧度和抗冲击能力。

* m+ _/ m& d0 z; |1 f3)H13钢的表面改性主要有铁素体氮碳共渗或者硫氮碳共渗以及物理气相沉积硬膜等方法或这些方法的合理组合。