H13模具钢

H13模具钢

材料科学与工程学院成型08-3班季洪波 14085642

【摘要】简单介绍了热作模具，以及热作模具的典型材料H13钢及其成分、性质、热处理工艺和相对其它热作模具钢的优势。指出了H13钢成份低Si高Mo的发展趋势。并叙述了目前H13钢的表面改性方法。关键词: H13钢；热作模具；4Cr5MoSiV1；化学成分

1、引言

近年来，随着模具工业的迅速发展，模具钢的发展也极为迅速。由于工业生产技术的发展和不断出现的新材料，模具的工作条件日益苛刻，对模具钢的性能、品质、品种等方面不断地提出了新的要求，为此，世界各国近年来都积极开发了具有各种特性，适应不同性能要求的新型模具钢。在新型模具中又以热作模具为新发展趋势。

2、热作模具简单介绍

热作模具可分为热锻模、热挤压模、压铸模和热冲裁模等，这类模具在工作中既受复杂力的作用、又受到温度变化的影响，其工作条件差、失效形式复杂、性能要求高。随着高效、高速、高强度、大吨位的机械化和自动化加工成形设备的发展以及热锻模、热挤压模、热镦模、压铸模等复杂工艺的广泛应用，对模具的强度、冲击韧度、红硬性和耐磨性提出了更高的要求，因此，热作模具钢的选用成为模具设计与制造的重要技术问题之一。

2.1、热作模具的服役条件

了解热作模具的服役条件是正确选用模具材料及热处理工艺的前提。热作模具在高温、高压条件下工作，受到强大冲击力及金属流动充满型腔的摩擦力的作用，模腔温度达300～600 ℃，要用液体或气体冷却模具，反复的加热和冷却会使模具表面产生龟裂，同时，模具还受到压应力、拉应力、弯曲应力作用，因此，要求模具能在较高温度下保持强度和韧性，具有良好的热疲劳性、抗氧化性、一定硬度和耐磨性，并具有良好的综合力学性能。

2.2、热作模具材料失效原因分析

模具的失效是指模具丧失了正常工作能力，其生产出的产品已成为废品。热作模具使用的环境和条件有其特殊性，对模具材料的性能要求也各不同。这类模具的失效形式可以归纳为4 种。

2.2.1塑性变形

在模具失效的因素中，材料与热处理是影响使用寿命的主要因素(见表1)，其比例约占70%。选择材料不当或热处理工艺不合理会造成模具工作部位强度偏

低，从而产生塑性变形。模具材料在很高温度范围内长期工作，致使模具表面受到不同程度的过度回火而被软化，引起强度降低。当模具型腔表面软化到某一硬度值时，就容易产生塑性变形。

2.2.2热疲劳

热疲劳是热作模具(特别是压铸模)的主要失效形式之一。工作时，由于模具型腔表面存在较大的温度梯度层和急冷急热作用，使模具表面产生较大的热应力，当温度反复变化时这种热应力也反复变化，加之模具工作时承受机械载荷，当超过疲劳极限的时候，则在模具表面产生网状或放射状的疲劳裂纹。

2.2.3热磨损

热作模具型腔内的磨损和冷作模具材料的磨损形成因素不同，热作模具的磨损主要以表面疲劳磨损为主。对模具磨损有较大影响的因素是模具材料的成分，模具的温度和硬度。通常对于同样的材料，模具的硬度越低或模具的温度越高，磨损量越大。模具与被加工的红热金属坯料之间的摩擦得不到润滑，被红热的金属坯料氧化，型腔表面层被回火软化，同时氧化又加剧了磨损。

2.2.4断裂

断裂和开裂失效在热锻模中约占总失效的20%～25%，压铸模中占5%～10%左右。由于断裂往往具有突发性，导致使用寿命低，危害大，所以受到广泛重视和研究。造成模具断裂和开裂的原因很多，除了模具安装和操作不当外，与载荷过大、模具设计、材质以及热处理均有密切的关系。

2.3、热作模具钢选用的要求

在选用热作模具钢品种和热处理工艺时，应首先全面了解模具的实际工作条件及其对模具钢的性能要求，然后才具体选择模具钢品种，以及适合于这种钢的热处理工艺方法。在选用热作模具钢时，主要考虑下列性能指标：

1) 室温硬度、高温硬度；

2) 室温抗拉强度、高温抗拉强度；

3) 室温冲击韧度、高温冲击韧度；

4) 较高的热稳定性和耐热疲劳性，以防止模具在高温和冷热交变的工作条件下出现崩裂、塌陷或热疲劳裂纹；

5) 较高的淬透性，以保证整个锻模截面得到必要而均匀的力学性能；

6) 良好的导热性能，以便使模具的热量尽快传出，避免模腔表面温度过高而导致力学性能降低；

7) 良好的冷、热加工和热处理工艺性能。

3、 H13模具钢

H13是典型的热作模具钢，执行标准GB/T1299—2000。统一数字代号A20502；牌号4Cr5MoSiV1；合金工具钢简称合工钢，是在碳工钢的基础上加入合金元素

而形成的钢种。其中合工钢包括：量具刃具用钢、耐冲击工具用钢、冷作模具钢、热作模具钢、无磁模具钢、塑料模具钢。

H13模具钢用于制造冲击载荷大的锻模，热挤压模，精锻模；铝、铜及其合金压铸模。

3.1、H13模具钢成分及性质

3.1.1合金元素的作用如下

铬：铬在钢中可形成铬的碳化物，能提高钢的高温强度和耐磨性，使C曲线右移，提高钢的淬透性和回火稳定性。铬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H13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。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。铬含量的提高有利于增加材料的热强度，但对韧度不利。

钼：钼也是碳化物形成元素和铬一样，可提高钢的高温硬度和淬透性。此外，钼可以阻碍奥氏体晶粒的长大，从而使晶粒得到细化，减小回火脆性。

钒：钒比铬和钼更容易形成碳化物，极少溶入铁的固溶体中。钒的碳化物使钢具有良好的热硬性，并可细化晶粒，提高钢的耐磨性。

硅：硅是对铁素体进行置换固溶强化非常有效的元素，仅次于磷，但同时在一定程度上降低钢的韧度和塑性。一般都将硅限制在钢脱氧需要的范围内。如果将Si 作为合金元素加入钢中，其量一般不小于0.4%。硅也为提高回火抗力的有效元素。Si 降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，增加回火稳定性。另外，硅易使钢呈现带状组织，使钢的横向性能比纵向性能差，也使钢的脆性转折温度升高。Si 还具有促进钢的脱碳敏感性，但Si有利于高温抗氧化性的提高。

锰: 锰可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与S有较大的亲合力，可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS，而以具有一定塑性的MnS 存在，从而消除硫的有害影响，改善钢的热加工性能。Mn 具有固溶强化作用，从而提高铁素体和奥氏体的强度和硬度，虽然其固溶强化效果不及碳、磷和硅，但其对钢的延展性几乎没有影响。在铁素体-珠光体型钢中Mn是唯一可使屈服强度增加又使冷脆转变温度变化最小的合金元素。

3.1.2 H13 钢的物理性能见表2～表5所示, 其密度为7.8g/cm3看，弹性模量

E 为210000MPa。