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百科解讀

H13鋼的碳(C)對(duì)其結(jié)構(gòu)性能影響分析

文字:[大][中][小] 手機(jī)頁(yè)面二維碼 2019/7/26     瀏覽次數(shù):    

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(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。

H13鋼是C-Cr-Mo-Si-V型鋼,在世界上的應(yīng)用極其普遍,同時(shí)各國(guó)許多學(xué)者對(duì)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(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(dāng)然鋼中雜質(zhì)元素必須降低,有資料表明,當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)就規(guī)定:優(yōu)級(jí)(premium)H13鋼含硫量小于0.005%,而超級(jí)(superior)的應(yīng)小于0.003%S和0.015%P。下面對(duì)H13鋼的成分加以分析。

美國(guó)AISI H13,UNS T20813,ASTM(最新版)的H13和FED QQ-T-570的H13鋼的含碳量都規(guī)定為(0.32~0.45)%,是所有H13鋼中含碳量范圍最寬的。德國(guó)X40CrMoV5-1和1.2344的含碳量為(0.37~0.43)%,含碳量范圍較窄,德國(guó)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(guó)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(biāo)準(zhǔn)中對(duì)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(duì)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(qiáng)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(duì)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(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(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(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%(見(jiàn)圖1)。圖上還標(biāo)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(duì)較低的含C量是使鋼的Ms點(diǎn)取于相對(duì)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(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(guò)程中應(yīng)予以轉(zhuǎn)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(xì)的合金碳化物的照片可見(jiàn)圖2,國(guó)內(nèi)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(qiáng)度,對(duì)熱作模具鋼而言,會(huì)使高溫強(qiáng)度、熱態(tài)硬度和耐磨損性提高,但會(huì)導(dǎo)致其韌度的降低。學(xué)者在工具鋼產(chǎn)品手冊(cè)文獻(xiàn)[11]中將各類H型鋼的性能比較很明顯證明了這個(gè)觀點(diǎn)。通常認(rèn)為導(dǎo)致鋼塑性和韌度降低的含碳量界限為0.4%。為此要求人們?cè)阡摵辖鸹O(shè)計(jì)時(shí)遵循下述原則:在保持強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)1550MPa以上時(shí),含C量在0.3%-0.4%為宜。H13鋼的強(qiáng)度Rm,有文獻(xiàn)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(yīng)的韌度指標(biāo)等列于表1,其理由可由此管窺所及。

對(duì)要求更高強(qiáng)度的熱作模具鋼,采用的方法是在H13鋼成分的基礎(chǔ)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(dāng)然韌度和塑性的略為降低是可以預(yù)料的。

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