H13 鋼原是美國的一種鋼種, 它是一種應(yīng)用比較廣泛的熱作模具鋼, 世界各國都有應(yīng)用。在我國一般稱作4Cr5MoSiV1 鋼。H13 鋼的化學(xué)成份及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1 所示。

表1 H13 鋼的化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)(W/%)

　　H13 鋼的物理性能見表2～表4 所示, 其密度為7.8g/cm3, 彈性模量E 為210000MPa。鋼中含碳量決定淬火鋼的基體硬度。各國與H13鋼相近鋼號的名稱及含碳量如表5 所示, 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織稱H13 鋼為40CrMoV5 鋼。

表2 H13 鋼的線膨脹系數(shù)

表3 H13 鋼的熱導(dǎo)率

表4 H13 的臨界溫度

表5 H13 鋼的名稱及含碳量

　　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。對熱作模具鋼, 這種合金碳化物除少量殘留以外, 還要求它在回火過程中在淬火馬氏體基體上彌散析出產(chǎn)生二次硬化現(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決定熱作模具鋼的性能。由此可見, 鋼中的含C量不能太低。H13鋼的含鉻量為4.75%～5.50%。一般來說, 含5%Cr的鋼應(yīng)具有高韌度, 故其含碳量應(yīng)保持在形成量合金碳化物的水平上。Woodyatt和Krausst指出在870℃的Fe- Cr- C三元相圖上, Hl3鋼的位置在奧氏體和(A+M3C+M7C3)三相區(qū)的交界位置處較好。相應(yīng)的含碳量約0.4%。

　　另外重要的是, 真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為值得提醒的是保持相對較低的含碳量是使鋼的Ms點(diǎn)趨于相對較高的溫度水平(Hl3鋼的Ms點(diǎn)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奧氏體和殘留均勻分布的合金碳化物組織, 較低的含碳量經(jīng)回火后獲得均勻的回火馬氏體組織, 避免使過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程中應(yīng)可達(dá)到轉(zhuǎn)變完全。順便指出, H13鋼淬火后得到的馬氏體組織為板條馬氏體+少量片狀馬氏體+少量殘余奧氏體。眾所周知, 鋼中增加碳含量將提高鋼的強(qiáng)度, 對熱作模具鋼而言, 會使高溫強(qiáng)度、熱態(tài)硬度和耐磨損性提高, 但會導(dǎo)致其韌度降低。

　　有學(xué)者在文獻(xiàn)中將各類H型鋼的性能比較證明了這個(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%。為此要求人們在鋼合金化設(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為1503.1MPa( 46HRC) 和1937.5MPa( 51HRC) 。

H13 鋼中主要合金元素的作用如下

　　鉻: 鉻在鋼中可形成鉻的碳化物, 能提高鋼的高溫強(qiáng)度和耐磨性, 使C曲線右移, 提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性。鉻和其他碳化物形成元素一起提供給鋼具有較高的淬透性和好的抗軟化能力, 所以H13鋼在空冷條件下能夠淬硬。在6barN2氣體真空處理?xiàng)l件下可淬透直徑為160mm。但鉻的加入會增加碳化物的不均勻程度,致使鋼中會出現(xiàn)亞穩(wěn)定的共晶碳化物, 這種碳化物現(xiàn)在國內(nèi)一般可用高碳鉻軸承鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)予以評定。鉻含量的提高有利于增加材料的熱強(qiáng)度, 但對韌度不利。

　　鉬: 鉬也是碳化物形成元素, 和鉻一樣, 可提高鋼的高溫硬度和淬透性。此外, 鉬還可細(xì)化晶粒, 減小回火脆性。

　　釩: 釩比鉻和鉬更容易形成碳化物, 極少溶入鐵的固溶體中。釩的碳化物使鋼具有良好的熱硬性, 并可細(xì)化晶粒, 提高鋼的耐磨性。

　　硅: 硅是對鐵素體進(jìn)行置換固溶強(qiáng)化非常有效的元素, 僅次于磷, 但同時(shí)在一定程度上降低鋼的韌度和塑性。一般都將硅限制在鋼脫氧需要的范圍內(nèi)。如果將Si 作為合金元素加入鋼中, 其量一般不小于0.40%。硅也為提高回火抗力的有效元素。Si 降低碳在鐵素體中的擴(kuò)散速度, 使回火時(shí)析出的碳化物不易聚集, 增加回火穩(wěn)定性。另外, 硅易使鋼呈現(xiàn)帶狀組織,使鋼的橫向性能比縱向性能差, 也使鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度升高。Si 還具有促進(jìn)鋼的脫碳敏感性, 但Si 有利于高溫抗氧化性的提高。

　　錳: 錳可以改變鋼在凝固時(shí)所形成的氧化物的性質(zhì)和形狀。同時(shí)它與S 有較大的親合力, 可以避免在晶界上形成低熔點(diǎn)的硫化物FeS, 而以具有一定塑性的MnS 存在, 從而消除硫的有害影響, 改善鋼的熱加工性能。Mn 具有固溶強(qiáng)化作用, 從而提高鐵素體和奧氏體的強(qiáng)度和硬度, 雖然其固溶強(qiáng)化效果不及碳、磷和硅, 但其對鋼的延展性幾乎沒有影響。在鐵素體-珠光體型鋼中Mn 是唯一可使屈服強(qiáng)度增加又使冷脆轉(zhuǎn)變溫度變化最小的合金元素。