H13模具钢不同化学成分对组织和性能的影响分析

　　H13模具钢是应用最广泛、最具代表性的热作模具钢，其主要特点是:(1)高淬透性和高韧性；(2)优异的抗热裂性，可在工作场所水冷；(3)耐磨性适中，也可采用渗碳或渗氮工艺提高其表面硬度，但应略微降低其抗热裂性；(4)由于含碳量低，回火时二次硬化能力差；(5)在较高温度下具有抗软化性能，但当使用温度高于540℃(1000℉)时(即工作温度为540℃)硬度下降较快；(6)热处理变形小；(7)中高切削性；(8)抗脱碳性适中。更值得注意的是，它还可以用于制造航空工业中的重要部件。

　　H13模具钢是一种世界上广泛使用的碳铬钼硅钒型钢。与此同时，世界各地的许多学者对其进行了广泛的研究，并探索了化学成分的改善。钢材用途广泛，性能优良，主要由钢材的化学成分决定。当然，钢中的杂质元素必须减少。一些数据显示，当Rm为1550MPa时，材料的硫含量从0.005%降低到0.003%，这将增加大约13模具钢的冲击韧性。显然，NADCA207-2003标准规定优质(H13)钢的硫含量低于0.005%，而优质钢的硫含量应低于0.003%S和0.015%P。H13模具钢的成分分析如下：

　　美国AISI H13、UNS T20813、ASTM H13(最新版)和FED QQ-T-570 H13模具钢的碳含量为(0.32~0.45)%，是所有H13模具钢中最宽的。德国X40CrMoV5-1和1.2344的碳含量为(0.37~0.43)%，德国din 17350 x 38 crmov 5-1的碳含量为(0.36~0.42)%。日本SKD 61的碳含量为(0.32~0.42)%。我国GB/T 1299和YB/T 094中4Cr5MoSiV1和SM 4Cr5MoSiV1的碳含量分别为(0.32~0.42)%和(0.32~0.45)%，分别与SKD61和AISI H13相同。特别是H13模具钢的碳含量在北美压铸协会NADCA 207-90、207-97和207-2003标准中规定为(0.37~0.42)%。

　　钢中的碳含量决定了淬火钢的基体硬度。根据钢中碳含量与淬火钢硬度的关系曲线，H13模具钢的淬火硬度约为55HRC。对于工具钢，钢中的一部分碳进入钢的基体，引起固溶强化。另一部分碳将与合金元素中的碳化物形成元素结合形成合金碳化物。对于热作模具钢，这种合金的碳化物需要在回火过程中分散和沉淀在淬火的马氏体基体上，导致二次硬化。因此，热作模具钢的性能是由均匀分布的残余合金碳化合物和回火马氏体组织决定的。所以钢中的C含量不能太低。

　　含5%Cr的H13模具钢应具有较高的韧性，因此其C含量应保持在形成少量合金C化合物的水平。伍德亚特和克劳斯指出，H13模具钢在870℃时位于铁-铬-碳三元相图上奥氏体A和(A+M3C+M7C3)三相区的界面处。C的对应含量约为0.4%(见图1)。A2和耐磨性较高的D2钢，随着碳或铬含量的增加，M7C3含量增加。此外，重要的是保持较低的c含量，使钢的Ms点处于较高的温度水平(H13钢的Ms一般数据约为340℃)，这样当钢淬火至室温时，可获得以马氏体加少量残余a和均匀分布的残余a为主的合金c-化合物组织，回火后可获得均匀的回火马氏体组织。避免在工作温度下改变过多的残余奥氏体，影响工件的工作性能或变形。这些少量的残余奥氏体应该在淬火后的两三次回火过程中完全转变。顺便说一下，H13模具钢淬火后的马氏体组织是板条M+少量片状M+少量残余a..回火后M条上析出的细小合金碳化物照片如图2所示，国内学者也做了一些工作。