H热作模具钢的化学成分及其发展的

H13热作模具钢的化学成分及其改进和发展的研究潘晓华朱祖昌（艾福表面处理技术（上海），上海工程技术大学）摘要:应用钢的强韧化设计和金属学原理的相关理论,本文相当详尽地分析了H13钢的化学成分及其对钢的组织结构和性能的影响,同时阐明了近年来国内外对H13钢成分的改进和发展方面的工作,旨在促进人们能更进一步开展开发、制造和处理H13钢的研究。关键词:H13钢,化学成分,显微组织,工具钢设计OntheChemicalCompositionofH13HotWorkToolSteelandIt’sDevelopmentPANXiaohua,ZHUZuchangAbstract:InthispapertheauthorsapplyrelativetheoriesofalloysteeldesignforstrengtheningandtougheningandprinciplesofphysicalmetallurgytotheanalysesinsomedetailofthechemicalcompositionsofH13hotworktoolsteelandtheeffectsoftheonesuponthemicrostructuresandproperties.Inthenextplaceweexplaintheimprovementanddevelopmentonthechemicalcompositioninrecentyears.Thepurposeisinordertobetterpromptaninvestigationintothedevelopment,manufactureaswellasheattreatmentofH13steel.Keyword:h13steel,chemicalcomposition,microstructure,toolsteeldesign1．前言热作模具钢要求材料具有高的淬透性、高的高温强度、高的耐磨性、高的韧度、高的抗热裂能力和高的耐熔损性能等。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,都冠以H字母,分别表示为H10~H19、H21~H26和H42、H43等。其中前两种钢的含碳量在(0.30~0.50)﹪范围,后种钢的含碳量在(0.50~0.70)﹪范围内,三种钢的Cr、W、Mo和V合金元素的总含量在(6~25)﹪范围。H13钢是使用最广泛和最具代表性的热作模具钢种,它的主要特性是[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，但要略为降低抗热裂能力；（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（即能耐的工作温度为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。更为令人注意的是,它还可用于制作航空工业上的重要构件。航空及宇航工业发展要求其构件采用具有高强度、高韧度和高屈强比的材料,人们已经知道[2],钢铁材料要能与钛合金相竞争,其拉伸强度必须达到1600～1700MPa,其断裂韧度KIC≥125MPa√m的水平。对飞行器,随飞行速度与音速的比值(称为马赫数,Ma,)的增加,要求构件能承受500℃或更高温度的能力,为此须采用具有二次硬化能力的钢材。人们正是从热作模具钢受到启发,将之作为一种超高强度钢加以应用和开展相当类型的超高强度钢的研究。本文将结合钢的强韧化理论和金属学原理来对H13钢的化学成分进行分析,并阐明目前在国际上其发展的概況。由于篇幅所限,关于本文中涉及的更详尽技術资料可以登陆我们公司网站hefchina搜索。2.H13钢的化学成分的分析H13钢是C-Cr-Mo-Si-V型钢,在世界上的应用极其普遍,同时各国许多学者对它进行了广泛的研究,并在探究化学成分的改进。钢的应用广泛和具有优良的特性,主要由钢的化学成分决定的。当然钢中杂质元素必须降低,有资料表明,当Rm在1550MPa时,材料含硫量由0.005%降到0.003%,会使冲击韧度提高约13J[2]。十分明显,NADCA207-2003标准就规定:优级(premium)H13钢含硫量小于0.005%,而超级(superior)的应小于0.003%S和0.015%P。下面对H13钢的成分加以分析。扩2．拘1猫碳子：美龙国A本IS热I译H1暮3，徒UN港S性T2喊08衡13捏，A纽ST问M（扯最新陶版）黎的H庄13浙和F仿ED品Q斥Q-芹T-遵57渠0的准H1母3钢苏的含瓣碳量写都规盘定为罗（0酬.3校2易~纱0.慧45朵）%度，是悟所有属H1芦3钢戏中含醒碳量搅范围软最宽饱的。桨德國紫X4五0C吸rM善oV钞5-宇1和现1.侧23受44弓的含渗碳量筝为（捆0.点37双~笔0.插43惯）%裳，含啦碳量牌范围小较窄爽，德记國D小IN成17虎35喇0中轻还有牺X3避8C秒rM茶oV萝5-聋1的心含碳得量为秋（0发.3惑6究~多0.青42畜）%序[3差]晶。日阵本S五KD调6株1的弹含碳窗量为屡（0拉.3选2由~督0.抵42蚊）%赠[3铁,4既]票。我悦国G友B/或T秆12袜99失和Y判B/具T脉09绸4中眉4C尘r5修Mo植Si辨V1其和S粘M坡4C沫r5子Mo纱Si竞V1施的含紫碳量允为（购0.吐32小~登0.徐42屋）%谢和（拢0.筑32降~伶0.搏45洲）%养，分练别与掏SK解D6育1和凯AI脊SI肢H摊13苍相同路。特朵别要劫指出姜的是茶：北碎美压狱铸协叫会N完AD访CA殿2字07庭-9懂0男[5静]亚、2宇07总-9味7久[6摊]皇和2摩07摸-2塘00矮3御[7脱]等标准藏中对颜H1怒3钢案的含默碳量句都规测定为桑（0切.3粥7合~珍0.幼42果）%追。马钢中快含碳雁量决靠定淬妨火钢类的基晨体硬剪度，苗按钢洋中含爷碳量龙与淬职火钢姑硬度鸟的关叼系曲狂线可柿以知皂道,炮H1夹3钢些的淬救火硬揉度在盐55腾HR厦C左智右穷[束8各]冬。对喘工具舍钢而启言，诸钢中且的碳服一部暖分进拒入钢幸的基笛体中脉引起挡固溶脆强化宏。另含外一虽部分裕碳将魔和合切金元原素中叠的碳毒化物衫形成环元素暴结合碗成合斩金碳次化物着。对车热作查模具窜钢,磨这种跑合金图碳化踪物除叠少量谱残留史的以阻外，凤还要杂求它颜在回贺火过袖程中涉在淬竞火马酸氏体丙基体迷上弥慨散析惧出产北生两朱次硬煤化现会象。杰从而观由均钱匀分仰布的菠残留稳合金贫碳化灾合物犹和回争火马甩氏体免的组抚织来画决定巾热作捷模具惜钢的讯性能淘。由销此可罢见，屠钢中哀的含络C量巨不能化太低它。电含5祝%C广r的翻H1炎3钢诚应具呈有高送的韧特度，挺故其些含C帆量应犁保持细在形柜成少议量合演金C累化物亦的水读平上蝇。W誓oo鼓dy修at倦t盈和K息ra午us批s毙[9它]芒指出泉在泡87龄0股℃脑的F暂e-纪Cr乏-C探三元僵相图唇上,护H1屈3钢揪的位驻置在宁奥氏毫体A预和（党A+饱M芽3封C+肠M醉7辣C旅3棵）三氧相区面的交膊界位卸置处好较好扇。相欺应的弊含C吃量约浑0.去4%棚(见津图1兰)沫[汇9寻]酬。图雁上还贞标出浅增加行C或失Cr颜量使堂M晶7搜C粱3隶量增盈多,油具有柄更高定耐磨择性能驱的A茶2和辈D2乒钢以标作比及较。班另外冲重要眠的是设,保聋持相彼对较享低的自含C权量是蒙使钢就的M咏s点兔取于以相对奶较高歌的温榴度水售平(粉H1浸3钢预的M刺s一册般资深料介猎绍为趋34血0膏℃希左右活)，德使该开钢在劫淬冷次至室羽温时度获得央以马丈氏体据为主软加少荒量残挥余A呆和残疫留均陈匀分成布的块合金晋C化伶物组捡织，霜并经谜回火齐后获捷得均军匀的趋回火械马氏掀体组阶织。胀避免够使过隙多残租余奥侄氏体所在工西作温促度下透发生凉轉变侄影响种工件粱的工趴作性猴能或杰变形碌。这记些少悲量残组余奥魄氏体竹在淬痰火以落后的罪两次叠或三奋次回年火过悉程中最应予裙以转腹变完壶全嫌[伪2]名。这雅儿顺表便指尚出，纸H1庸3钢巧淬火往后得映到的仆马氏药体组廉织为主板条英M+沾少量霜片状乘M+校少量佣残余宁A。陡经回慎火后病在板膜条状脸M上萄析出碑的很泰细的攀合金台碳化怪物的增照片喇可见壶图2乓[渔9塌]售，国迫内学菊者也止作了野一定遇工作衫[短14高]牛。%Cr%C%Cr%C绣图1牧稳Fe帆-C跳r-哗C系梅87厘0土℃泛水平鸟截面熄部分献相图虎图2梦项勾H1闻3钢瑞淬火便回火零的T天EM长组织孤众所超周知恼，钢政中增席加碳计含量怜将提补高钢影的强婚度，朝对热墙作模桃具钢冈而言馆，会爸使高每温强波度、漠热态烛硬度萄和耐潜磨损埋性提败高，歇但会兽导致筋其韧弱度的山降低颤。学亩者在贝工具岂钢产田品手悦册文足献垫[水11虾]倾中将拉各类都H型躺钢的牛性能蹄比较村很明纲显证年明了电这个积观点芬。通湿常认隆为导舞致钢胖塑性兄和韧尸度降鞠低的界含碳边量界陪限为盖0.雹4%酸。为喇此要谎求人劣们在韵钢合兴金化策设计瓣时遵罚循下旷述原烫则:逝在保她持强方度前索提下到要尽虏可能塘降低缸钢的泽含碳路量,蔽有资龙料已雄提出证:在衡钢抗隙拉强以度达城15帝50船MP饮a以滔上时期,含也C量舱在0势.3桃%-舟0.竞4%科为宜看[尘2叠]垦。H抛13骨钢的敲强度灭Rm孤，有露文献惰介绍蕉为1离50瓶3.歉1M录Pa归(4象6H双RC尊时)鸡和1罚93颂7.年5M驰Pa最(5据1H藏RC容时)期。伞查阅除FO也RD桶和G顶M公惹司资扎料搬[色12暗，1役3穿]黑推荐猾的T终Q-讨1、婚Di体ev圈ar升和A迹DC我3等步钢中顺的含徒C量饼都为玉0.葡39扑%和偶0.能38锦%等颤，相耐应的氧韧度昂指标匪等列构于表注1，圆其理杏由可架由此盘管窥揉所及降。灵对要帅求更声高强兄度的据热作虽模具箩钢，设采用沙的方密法是技在H窃13蜓钢成笋分的茶基础宵上提棉高M锻o含威量或耽提高岂含碳酱量，寻这将牛在后皆面还活会论貌及，喘当然帐韧度趴和塑容性的捕略为板降低望是可怖以预稿料的证。尊表1焦距F卧OR松D、粒G陡M公斩司推插荐的浓部分隶H1疫3钢船公司陶名案钢号缩C%塞S%戏Si据%绝Mn冲%娃Cr达%副Mo匆%印V%誓冲击添韧度匠（平勺均）印谋酱(情mi肯n)吴Ki燃nd掠&C井o搭TQ膜-1饶0.漏33显/0拨.4址0红≤孟0.由00缠2钳0.炉10户/0钢.5汉0游0.绣30京/0迈.5印0帝5.步00徐/5悠.5寺0站1.速70案/2滴.0膛0泥0.犹50指/0蜻.7何0叶13短.6转J江9.并5乒J旅Ud吊de钟ho害lm菌Di票ev法ar阿0.宏32锣/0长.3单8辱≤乏0.短00沾2旷0.逝10嘴/0樱.5失0仍0.妄40缩/0椅.5复5办4.沃80何/5警.3椒0杠2.咸20烧/2秋.5医0男0.坐50台/0致.7胃0绩10诵.8伯J手8.倘1糊J停Th蛋ys帜se砌n闯E3朴8K欢0.晨33自/0蜜.3铅8救≤慕0.罗00研2毯0.为20艇/0寄.4劣0牲0.召20傲/0顷.4蛋0撑4.戴75坡/5啦.2湾5押1.丈25绞/1篮.4无5火0.馒30素/0皇.脏50识10距.8筹J而8.卵1前J母Au屋be虏rt窑&摘Du滴va喷l冷AD毯C3良0.芦34阅/0误.3对9域S抓≤踩0.弃00趴2扒P较≤昂0.源00却9赚0.三20腰/0江.4剖0明0.慨20沈/0乌.4风0岂4.碎75惹/5旺.2电5买1.鸽20宿/1刊.4只0壶0.症40板/0塘.6由0强16且.3惕J恩店8.更1月J哈SM弹V4筹0.摘37月/0缺.4昨2睛S铺≤体0.未00劳2正P代≤律0.老01技5狗0.饿80曲/1份.0虑0居0.帐30编/0棕.5戴0雅5.挺00薄/5层.4拍5忽1.启20柴/1接.4老0重0.碌80回/1贝.0宫0乌16鲁.3夹J南8.陕1耐J旧2.泪2法沸铬：糠铬榨是合什金工峰具钢睛中最兵普遍支含有父的和自价廉嫁的合宝金元炸素。携在美凳国H必型热联作模先具钢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