H13熱作模具鋼的化學成分及其發(fā)展的研究

1、H13熱作模具鋼的化學成分及其改進和發(fā)展的研究 潘曉華 朱祖昌 （艾福表面處理技術(shù)（上海）有限公司，上海工程技術(shù)大學）摘要:應(yīng)用鋼的強韌化設(shè)計和金屬學原理的相關(guān)理論,本文相當詳盡地分析了H13鋼的化學成分及其對鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能的影響,同時闡明了近年來國內(nèi)外對H13鋼成分的改進和發(fā)展方面的工作,旨在促進人們能更進一步開展開發(fā)、制造和處理H13鋼的研究。關(guān)鍵詞:H13鋼,化學成分,顯微組織,工具鋼設(shè)計On the Chemical Composition of H13 Hot Work Tool Steel and Its Development PAN Xiaohua, ZHU Zuchang

2、Abstract:In this paper the authors apply relative theories of alloy steel design for strengthening and toughening and principles of physical metallurgy to the analyses in some detail of the chemical compositions of H13 hot work tool steel and the effects of the ones upon the microstructures and prop

3、erties. In the next place we explain the improvement and development on the chemical composition in recent years. The purpose is in order to better prompt an investigation into the development, manufacture as well as heat treatment of H13 steel.Keyword: h13 steel, chemical composition, microstructur

4、e, tool steel design1 前言熱作模具鋼要求材料具有高的淬透性、高的高溫強度、高的耐磨性、高的韌度、高的抗熱裂能力和高的耐熔損性能等。在美國,熱作模具鋼分為三種：鉻熱作模具鋼、鎢熱作模具鋼和鉬熱作模具鋼,都冠以H字母,分別表示為H10H19、H21H26和H42、H43等。其中前兩種鋼的含碳量在(0.300.50)范圍,后種鋼的含碳量在(0.500.70)范圍內(nèi),三種鋼的Cr、W、Mo和V合金元素的總含量在(625)范圍。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：（1）具有高的淬透性和高的韌性；（2）優(yōu)良的抗熱裂能力，在工作場合可予以水冷；（3）具有中

5、等耐磨損能力，還可以采用滲碳或滲氮工藝來提高其表面硬度，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。航空及宇航工業(yè)發(fā)展要求其構(gòu)件采用具有高強度、高韌度和高屈強比的材料,人們已經(jīng)知道2,鋼鐵材料要能與鈦合金相競爭,其拉伸強度必須達到16001700MPa,其斷裂韌度KIC125MPam 的水平。對飛行器,隨飛行速度與音速的比值(稱為馬赫

6、數(shù),Ma,)的增加,要求構(gòu)件能承受500或更高溫度的能力,為此須采用具有二次硬化能力的鋼材。人們正是從熱作模具鋼受到啟發(fā),將之作為一種超高強度鋼加以應(yīng)用和開展相當類型的超高強度鋼的研究。本文將結(jié)合鋼的強韌化理論和金屬學原理來對H13鋼的化學成分進行分析,并闡明目前在國際上其發(fā)展的概況。由于篇幅所限,關(guān)于本文中涉及的更詳盡技術(shù)資料可以登陸我們公司網(wǎng)站 搜索。2. H13鋼的化學成分的分析H13鋼是C-Cr-Mo-Si-V型鋼,在世界上的應(yīng)用極其普遍,同時各國許多學者對它進行了廣泛的研究,并在探究化學成分的改進。鋼的應(yīng)用廣泛和具有優(yōu)良的特性,主要由鋼的化學成分決定的。當然鋼中雜質(zhì)元素必須降低,有資

7、料表明,當Rm在1550MPa時,材料含硫量由0.005%降到0.003%,會使沖擊韌度提高約13 J2。十分明顯,NADCA 207-2003標準就規(guī)定:優(yōu)級(premium)H13鋼含硫量小于0.005%,而超級(superior)的應(yīng)小于0.003%S和0.015%P。下面對H13鋼的成分加以分析。21 碳：美國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（0.320.45）%，是所有H13鋼中含碳量范圍最寬的。德國X40CrMoV5-1和1.2344的含碳量為（0.370.43）%，含碳量范圍較窄，德國DIN17

8、350中還有X38CrMoV5-1的含碳量為（0.360.42）%3。日本SKD 61的含碳量為（0.320.42）%3,4。我國GB/T 1299和YB/T 094中4Cr5MoSiV1和SM 4Cr5MoSiV1的含碳量為（0.320.42）%和（0.320.45）%，分別與SKD61和AISI H13相同。特別要指出的是：北美壓鑄協(xié)會NADCA 207-905、207-976和207-20037標準中對H13鋼的含碳量都規(guī)定為（0.370.42）%。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8。對工具鋼而言，鋼中的碳一部

9、分進入鋼的基體中引起固溶強化。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的以外，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決定熱作模具鋼的性能。由此可見，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Krauss9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%(見圖1)9。圖上還標出增加C或Cr量使M

10、7C3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,保持相對較低的含C量是使鋼的Ms點取于相對較高的溫度水平(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)予以轉(zhuǎn)變完全2。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上析出的很細的合金碳化物的照片可見圖29，國內(nèi)學者也作了一定工作14。%Cr%C圖1

11、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度，對熱作模具鋼而言，會使高溫強度、熱態(tài)硬度和耐磨損性提高，但會導(dǎo)致其韌度的降低。學者在工具鋼產(chǎn)品手冊文獻11中將各類H型鋼的性能比較很明顯證明了這個觀點。通常認為導(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)計時遵循下述原則:在保持強度前提下要盡可能降低鋼的含碳量,有資料已提出:在鋼抗拉強度達1550MPa以上時,含C量在0.3%-0.4%為宜2。H13鋼的強度Rm，有文獻介紹為1503.1MPa(46HRC時)和1937.5MPa(51HRC時)。查閱FORD和

12、GM公司資料12，13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)的韌度指標等列于表1，其理由可由此管窺所及。對要求更高強度的熱作模具鋼，采用的方法是在H13鋼成分的基礎(chǔ)上提高Mo含量或提高含碳量，這將在后面還會論及，當然韌度和塑性的略為降低是可以預(yù)料的。表1 FORD、 GM公司推薦的部分H13鋼公司名鋼號C%S%Si%Mn%Cr%Mo%V%沖擊韌度（平均） (min)Kind&CoTQ-10.33/0.400.0020.10/0.500.30/0.505.00/5.501.70/2.000.50/0.7013.6 J9.5 JUddehol

13、mDievar0.32/0.380.0020.10/0.500.40/0.554.80/5.302.20/2.500.50/0.7010.8 J8.1 JThyssenE38K0.33/0.380.0020.20/0.400.20/0.404.75/5.251.25/1.450.30/0.5010.8 J8. 1 JAubert&DuvalADC30.34/0.39S0.002P0.0090.20/0.400.20/0.404.75/5.251.20/1.400.40/0.6016.3 J 8.1 JSMV40.37/0.42S0.002P0.0150.80/1.000.30/0.50

14、5.00/5.451.20/1.400.80/1.0016.3 J8.1 J2.2 鉻： 鉻是合金工具鋼中最普遍含有的和價廉的合金元素。在美國H型熱作模具鋼中含Cr量在2%12%范圍。在我國合金工具鋼（GB/T1299）的37個鋼號中,除8CrSi和9Mn2V外都含有Cr。鉻對鋼的耐磨損性、高溫強度、熱態(tài)硬度、韌度和淬透性都有有利的影響，同時它溶入基體中會顯著改善鋼的耐蝕性能，在H13鋼中含Cr和Si會使氧化膜致密來提高鋼的抗氧化性。再則以Cr對0.3C-1Mn鋼回火性能的作用來分析，加入6% Cr對提高鋼回火抗力是有利的，但未能構(gòu)成二次硬化；當含Cr6%的鋼淬火后在550回火會出現(xiàn)二次硬化效

15、應(yīng)。人們對熱作鋼模具鋼一般選5%鉻的加入量。 工具鋼中的鉻一部分溶入鋼中起固溶強化作用，另一部分與碳結(jié)合,按含鉻量高低以(FeCr)3C、(FeCr)7C3和M23C6形式存在，從而來影響鋼的性能。另外還要考慮合金元素的交互作用影響，如當鋼中含鉻、鉬和釩時，Cr>3%14時，Cr能阻止V4C3的生成和推遲Mo2C的共格析出，V4C3和Mo2C是提高鋼材的高溫強度和抗回火性的強化相14，這種交互作用提高該鋼耐熱變形性能。 鉻溶入鋼奧氏體中增加鋼的淬透性。CrMnMoSiNi都與Cr一樣是增加鋼淬透性的合金元素。人們習慣用淬透性因子加以表征,一般國內(nèi)現(xiàn)有資料15還只應(yīng)用Grossmann等的

16、資料,后來Moser和Legat16,22的更進一步工作提出由含C量和奧氏體晶粒度決定基本淬透性直徑Dic和合金元素含量確定的淬透性因子(示于圖3中)來計算合金鋼的理想臨界直徑Di,也可從下式作近似計算:Di=Dic×2.21Mn×1.40Si×2.13Cr×3.275Mo×1.47Ni (1)(1)式中各合金元素以質(zhì)量百分數(shù)表示。由該式，人們對CrMnMoSi和Ni因子合金元素含量%元素影響鋼淬透性有相當明確的半定量了解。圖3 鋼中常用合金元素的淬透性因子 Cr對鋼共析點的影響，它和Mn大致相似，在約5%的含鉻量時，共析點的含C量降到0.5%

17、左右。另外SiWMoVTi的加入更顯著降低共析點含C量。為此可以知道：熱作模具鋼和高速鋼一樣屬于過共析鋼。共析含C量的降低，將增加奧氏體化后組織中和最后組織中的合金碳化物含量。 鋼中合金C化物的行為與其自身的穩(wěn)定性有關(guān)，實際上，合金C化物的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性與相應(yīng)C化物形成元素的d電子殼層和S電子殼層的電子欠缺程度相關(guān)17。隨著電子欠缺程度下降，金屬原子半徑隨之減小，碳和金屬元素的原子半徑比rc/rm增加，合金C化物由間隙相向間隙化合物變化，C化物的穩(wěn)定性減弱，其相應(yīng)熔化溫度和在A中溶解溫度降低，其生成自由能的絕對值減小，相應(yīng)的硬度值下降。具有面心立方點陣的VC碳化物，穩(wěn)定性高，約在900950溫度

18、開始溶解，在1100以上開始大量溶解（溶解終結(jié)溫度為1413）17；它在500700回火過程中析出，不易聚集長大，能作為鋼中強化相。中等碳化物形成元素W 、Mo形成的M2C和MC 碳化物具有密排和簡單六方點陣，它們的穩(wěn)定性較差些，亦具較高的硬度、熔點和溶解溫度，仍可作為在500650范圍使用鋼的強化相。M23C6(如Cr23C6等)具有復(fù)雜立方點陣，穩(wěn)定性更差，結(jié)合強度較弱，熔點和溶解溫度較低（在1090溶入A中），只有在少數(shù)耐熱鋼中經(jīng)綜合合金化后才有較高穩(wěn)定性（如（CrFeMoW）23C6,可作為強化相。具有復(fù)雜六方結(jié)構(gòu)的M7C3(如Cr7C3、 Fe4Cr3C3或Fe2Cr5C3)的穩(wěn)定性

19、更差，它和Fe3C類碳化物一樣很易溶解和析出，具有較大的聚集長大速度，一般不能作為高溫強化相17。 我們?nèi)詮腇e-Cr-C三元相圖可以簡便了解H13鋼中的合金碳化物相。按Fe-Cr-C系7001820和8709三元等溫截面的相圖,對含0.4%C鋼中,隨Cr量增加會出現(xiàn)（FeCr）3C（M3C）和（CrFe）7C3(M7C3)型合金碳化物。注意在870圖上,只有含Cr量大于11%才會出現(xiàn)M23C6）。另外根據(jù)Fe-Cr-C三元系在5%Cr時的垂直截面,對含0.40%C的鋼在退火狀態(tài)下為相（約固溶1%Cr）和（CrFe）7C3合金C化物。當加熱至791以上形成奧氏體A和進入（+A+M7C3）三相區(qū)

20、,在795左右進入（A+M7C3）兩相區(qū),約在970時,（CrFe）7C3消失,進入單相A區(qū)。當基體含C量0.33%時,在793左右才存在（M7C3+M23C6和A）的三相區(qū),在796進入（A+M7C3）區(qū)（0.30%時），以后一直保持到液相。鋼中殘留的M7C3有阻止A晶粒長大的作用。Nilson提出，對1.5%C-13%Cr的成分合金，欠穩(wěn)定（CrFe）23C6不形成20。當然,單以Fe-Cr-C三元系分析會有一些偏差,要考慮加入合金元素的影響。 提醒注意：國內(nèi)有些作者對于這點的看法尚有不足21。對H13改進型熱作模具鋼，含Cr成分有兩種范圍：低Si高Mo的 Cr5.0%型和Cr2.6%型，

21、下面還會論述。順便提一下，較高含鉻的鋼淬火并在550450回火后慢冷會具有第二類回火脆性，所以對回火后的冷卻要予以充分注意。2.3 Mn：幾乎所有商業(yè)用鋼都含一定數(shù)量的Mn。鋼中含有Mn可以改變鋼在凝固時所形成的氧化物的性質(zhì)和形狀。同時它與S有較大的親合力,可以避免在晶界上形成低熔點的硫化物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18。在美國熱作模具鋼中H2126和H4143的含錳量均在(0.150.40)%范圍內(nèi),H1019的含錳量高于該范圍。Mn具有固溶強化作用,從而提高鐵素體和奧氏體的強度和硬度,雖然其固溶強化效果不及碳、磷和硅,但其對鋼的延展性幾乎

22、沒有影響。在鐵素體-珠光體型鋼中Mn是唯一可使屈服強度增加又使冷脆轉(zhuǎn)變溫度變化最小的合金元素。錳是弱碳化物形成元素,它可溶入滲碳體中形成合金滲碳體(Fe,Mn)3C,其形成可降低系統(tǒng)的自由能,即取于更穩(wěn)定狀態(tài)（注意Fe3C中的Fe可全部為Mn所取代,而Cr只可在Fe3C中固溶18%20%(原子分數(shù))）。錳溶入奧氏體中能強烈增加鋼的淬透性,同時強烈減低鋼的Ms點。Andrewn9提出的Ms()公式(適用于0.6%C,4.9%Mn,5%Cr,5%Ni和5.4%Mo鋼)為: Ms()=539-423C-30.4Mn-12.1Cr-17.7Ni-7.5Mo (2)關(guān)于淬透性的提高,已在前節(jié)作了說明。降

23、低Ms點和增加淬火鋼中的殘余奧氏體量相聯(lián)系,從而 為設(shè)計微變形鋼提供途徑。有報道,高精度冷作模具鋼CrMn2SiWMoV中Mn的量為(2.102.40)%。Mn加入鋼中使Ac1、Ac3、Ar1和Ar3降低，這與細化鐵素體和珠光體相聯(lián)系，又會減薄碳化物片, 對F-P型鋼的強化起積極作用。同時有資料介紹Mn和Ni類似有提高鋼的韌度的作用。H13型二次硬化型模具鋼，其含Mn量在(0.200.60)%范圍。對改進型熱作模具鋼（如QRO90 super,Super Me和HOTVAR）含Mn在0.75%，處于較高的水平,與低Si高Mo型H13型鋼Mn含量在(0.400.55)%范圍(如ASSAB公司的D

24、ievar鋼)成明顯對照。2.4 Si: 硅是一個對鐵素體進行置換固溶強化非常有效的元素,僅次于磷，但同時在一定程度上降低鋼的韌度和塑性。一般都將Si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0.40%。 置換固溶強化一般引起鐵的球面對稱畸變,它能與刃形位錯產(chǎn)生彈性交互作用，一般不與螺形位錯產(chǎn)生交互作用而阻止其運動。這樣它與C、N原子的間隙固溶強化相比屬于弱強化。人們已經(jīng)知道：置換固溶的抗拉強度增值Rm為17： Rm = K×（X）n (3) 式中 X為溶質(zhì)原子的質(zhì)量百分數(shù)，n為系數(shù)，一般n0.75，K為強化系數(shù)，它反映合金元素的強化能力，對Si Ksi=75

25、850 MPa；而KMn=48260MPa；KMo=61190MPa。Si的固溶使鐵素體基體的點陣常數(shù)變小，其原子半徑0.118nm，-Fe為0.126nm，由此可見，使點陣常數(shù)縮小的固溶合金元素具有較有效的強化作用。 Si也為提高回火抗力的有效元素。Si降低碳在鐵素體中的擴散速度，使回火時析出的碳化物不易聚集，增加回火穩(wěn)定性。另外，Si雖然不推遲碳化物的生成，但它可固溶于碳化物，并提高其穩(wěn)定性，延遲轉(zhuǎn)變。第一類回火脆性與轉(zhuǎn)變和沿馬氏體條間界分布形成連續(xù)薄膜有關(guān)，延遲轉(zhuǎn)變便意味著提高第一類回火脆性發(fā)生溫度或抬高回火溫度-硬度曲線，可使回火馬氏體的碳化物與基體保持共格和均勻分布，使回火馬氏體保持

26、有良好的強韌性配合17。有資料表明，含1%Si相應(yīng)可提高回火溫度3050，對0.45C-5Cr-2Mn鋼，Si量從0.07%提高至1.0%可在(550650)回火時獲得較高硬度。但是，Si加入量過多，會使碳化物聚集的過時效速度增大，以至于難以控制，這樣，其加入量限制在0.75%是比較合適的。 另外，Si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還具有促進鋼的脫碳敏感性；但Si有利于高溫抗氧化性的提高。 美國H型熱作模具鋼中H2126和H4143以及H19的Si含量最大為0.40%或略高，而H1014鋼的含Si量為（0.801.25）%，屬含較高Si量的鋼。2

27、.5 Mo：Mo溶于Fe中也具固溶強化的作用，Mo溶解于A中能提高鋼的淬透性，這在前面已有論述。這兒應(yīng)明確指出，Mo明顯推遲珠光體轉(zhuǎn)變，但對貝氏體轉(zhuǎn)變的影響不大，具體表現(xiàn)為：在鋼中只要加入0.251.0%的Mo量，便足以使珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變的區(qū)域分開，（Cr 2%和 V 0.5%也有相類似的作用）。Mo是作為使鋼具有二次硬化的主要合金元素加入的，現(xiàn)在普遍認為，這是由于在回火時馬氏體中析出Mo2C造成。Mo可與C形成Mo2C和MoC合金碳化物，還可隨回火溫度升高轉(zhuǎn)變?yōu)镸6C。具有密排六方點陣的Mo2C在馬氏體板條內(nèi)，亞晶界上以平行的細針狀（二維為層片狀）析出，顯然，這種析出必須按單獨形核機制

28、（separate nucleation）。TEM研究指出，析出的位向關(guān)系為：（1102）Mo2C（010），1101Mo2C100,1120Mo2C001 。Mo2C和基體共格，從而導(dǎo)致二次硬化。Honeycombe認為，Mo2C形成初期是Mo和C原子沿馬氏體的100面偏聚，形成象Al-Cu合金時效時出現(xiàn)的G-P區(qū)相似的組織2。鋼中加入W和V形成W2C，VC的合金碳化物，也會具有二次硬化作用。另外再加入Cr和Co可以強化二次硬化效應(yīng)。但要注意，為使鋼中W和V的碳化物溶解進入A中，需要采用較高的奧氏體化溫度，易引起奧氏體晶粒粗化而帶來不良影響。所以常以優(yōu)選Mo為最佳的二次硬化合金化元素。一般為

29、了產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)，要求Mo的加入量不低于1.0%，加入3%Mo時可取得接近極值的效果。當加入量為2.0%2.5%時，可獲得最合經(jīng)濟和有效的效果17。Mo具有比Cr更強烈的碳化物形成傾向，在5%Cr的熱作模具鋼中，Mo2C先于Cr7C3形成。前已述，M7C3不能作為二次硬化的高溫強化相，而且它在回火馬氏體中的形成是以原位析出（in-situ）機制，不會發(fā)生彌散析出。為此，Mo的二次硬化的硬化強度和其最大硬化強度對應(yīng)的溫度皆高于Cr的相應(yīng)值，同時，Mo2C的過時效速度亦較低（即不易聚集長大）。這三個條件是衡量二次硬化有效性的三個主要指標。Mo會提高鋼的脫碳氧化敏感性，一般認為含3% Mo是使鋼發(fā)

30、生脫碳敏感的臨界加入量。對含（23）% Mo的鋼，為了提高鋼的淬透性，常常還得加入（12）%的鉻。2.6 V：V是置換固溶強化鐵素體和形成奧氏體圈的元素。它和C，N的親和力強。人們已知過渡族金屬與C的親和力因為其d電子殼層電子未填滿，碳原子將其價電子填入過渡族金屬d電子殼層。對VC，rc/rm =0.57（ 0.59），形成間隙相化合物，具有FCC點陣結(jié)構(gòu)，但在點陣的正八面體間隙并不都有碳原子，即存在碳原子缺位，這樣，碳化釩并不嚴格按化學式，一般表示為V4C3（VC0.980.75），所以其點陣常數(shù)和硬度在一定范圍內(nèi)變化。VC的G298O為83.7kJmol25，熔點為2830,硬度為2400

31、HV，其殘留在鋼內(nèi)將有利于耐磨性提高。其全部溶于A的溫度為1413。V在工具鋼中的主要作用是細化鋼的晶粒和組織，增加鋼的回火穩(wěn)定性和增強二次硬化效應(yīng)。一般介紹，V加入0.05%可細化晶粒，隨加入量增加，細化效果加強。因為既使溫度趨近700 ，V的碳化物穩(wěn)定性仍高，仍能保持細小,所以V是有效阻止A晶粒粗化的元素，也是在高溫下服役的鋼的重要合金化元素,下文還有論述。V和Mo，W一樣溶入基體中提高 Fe的自擴散激活能，另外它偏聚在位錯線附近形成氣團，與位錯產(chǎn)生交互作用阻止其滑移，阻止位錯網(wǎng)絡(luò)的重新排列形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，增加馬氏體的回復(fù)再結(jié)晶抗力，增加回火穩(wěn)定性。再則，加入0.5%V，依籍V4C3的沉殿

32、亦可產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)，且隨V量增加有向高溫推移的趨勢，硬化強度提高，過時效速度亦較低，但要使V4C3溶入A中，加熱溫度要較高,(有介紹對含V的低合金及微合金低碳F-P型鋼在950 奧氏體化后正火便能產(chǎn)生有效的沉殿硬化和在1150正火顯示最佳的沉殿硬化，這點可籍以參考)。需要采用高的奧氏體化溫度會引起A晶粒粗化，及鋼的缺口沖擊韌度降低，如V在0.5%附近時。在2%Mo鋼中加入0.5%V尚不足構(gòu)成V4C3，而V會固溶于Mo2C。V原子半徑為0.135nm（Mo為0.145nm），不增大點陣錯配度，但因為V和C的親和力大，會提高Mo2C的穩(wěn)定性，即增加二次硬化的有效性，使二次硬化的峰值溫度提高。V的

33、碳化物形成為小的細片,起始片寬5nm，厚不大于1nm，在550650 范圍析出于F晶粒內(nèi)的位錯線上，產(chǎn)生明顯的二次硬化作用，在550 早期沉殿階段，碳化物與基體共格，在<010> 和<110>vc之間的錯配度僅為3%，位向關(guān)系為100VC110（Baker/Nutting）然而在700回火，碳化物片迅速粗化和開始球化，但馬氏體片仍保持著，待700長時間回火后才變?yōu)榈容S狀鐵素體晶粒22。在鋼中加入高于0.5 V可形成穩(wěn)定V4C3,并引起二次硬化,其峰值溫度約為(600625),（Mo的二次硬化峰值溫度約為570580）,對0.40C-2Cr-2Mo-0.5V鋼的回火，由于

34、Mo量較高最終會形成M6C（如Fe3Mo3C）,M6C為原位形核機制析出,二次硬化作用不明顯。3. H13鋼的發(fā)展由上面的分析，人們對0.4C-5Cr-1Mo-1Si-V的H13鋼的化學成分會有較明確的認識，同時也對目前國際上對其成分向低Si高Mo的發(fā)展有進一步了解。日本田部博輔4明確指出SKD61（相當于H13鋼）的發(fā)展的第一階段是對該鋼由常規(guī)熔煉方法向真空脫氣，爐外精煉和電渣重熔(ESR)發(fā)展，并采用均勻化處理方法來改善鋼材內(nèi)部質(zhì)量，減少偏析，致在追求H13鋼材質(zhì)和性能的提高；同時在熱處理方法上改進來提高工具和模具制品的性能和減少變形，采用真空高壓氣淬（如10bar 氮氣）和油冷或階段淬火

35、等防止晶界C化物的析出和發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變以求得韌度的改善。發(fā)展的第二階段是對SKD61鋼進行成分改進，其主要是向低Si高Mo方向發(fā)展。低Si化方向最初是從對大型鋼塊內(nèi)部偏析大大改善的低Si-VCD煉鋼技術(shù)受到啟發(fā)；另一方面高Mo化方向是由德國X40CrMoV5-3（1.2367）和3Cr型SKD61鋼具有優(yōu)良的高溫強度和淬透性來確定的。在這兩種技術(shù)背景下進行研究開發(fā)低Si（0.25）高Mo（23.5）的H13改進的熱作模具鋼。對于Si量降低的作用有：1)形或形偏析減輕；2)宏觀組織均勻化；3)微觀凝固組織的樹枝晶細化；4)減少凝固時凝固界面上的成分過冷；5)共晶碳化物的減少6)奧氏體結(jié)晶細化；7

36、)塑性和韌度提高；8)高溫疲勞裂紋擴展速度減?。?)蠕變裂紋擴展速度減低；10)淬火冷卻抑制貝氏體轉(zhuǎn)變；11)抗熱裂性提高，但帶來的不足是切削性能降低，有關(guān)改良的方法在繼續(xù)研究中。對于高Mo的優(yōu)點有：1)提高淬透性，抑制晶界碳化物的析出和貝氏體轉(zhuǎn)變；2)提高回火抗力；3)提高高溫強度和高溫蠕變強度；4)提高抗熱裂能力；5)提高韌度；6)共晶碳化物細化和碳化物分布均勻。關(guān)于抑制貝氏體轉(zhuǎn)變有資料報道，對610×203×500mm的H13模塊經(jīng)3bar（約3atm）氮氣氣淬后心部和表面的貝氏體量達70和40，而對低Si高Mo SKD61鋼相應(yīng)僅有2和1。共晶碳化物的細化和碳化物分

37、布均勻與Mo加入鋼中可降低鋼的結(jié)晶溫度以及使鋼的凝固溫度區(qū)間變窄有關(guān)，這與W高速鋼改成Mo高速鋼不出現(xiàn)魚骨狀共晶C化物和鍛后可獲得滿意的碳化物分布很相似。鋼凝固中液相線與固相線之間溫度區(qū)間的變窄能減小凝固時液固界面上的成分過冷。對合金凝固中的液固相界面前沿處不出現(xiàn)成分過冷的臨界溫度梯度Gc可用下式表示23： Gc（-mRD）（1-Ko）（CL）x （3）式中D為液相中溶質(zhì)原子的擴散系數(shù)，m為液相線斜率，R為液固界面移動速度，Ko為x處固相和液相中溶質(zhì)的濃度Cs和CL的比值，即Ko=（CsCL）x，稱為平衡分配系數(shù)，Cs和CL可以從平衡相圖上查得，如果CsCL則Ko1，對Fe-Si和Fe-Mo相

38、圖均屬于Ko1的情況24，這時液相線和固相線的斜率均為負數(shù)。因為要了解低Si高Mo型H13鋼的液相線和固相線區(qū)間變窄對凝固組織和偏析的影響，我們在這兒可假設(shè)認為原H13鋼和低Si高Mo H13鋼的液相線斜率和 CL 值相差不大，又將 R 看作為近似相等，僅只考慮變化的是 Ko 。由上述已知（Cs）（Cs），則KoKo，按式（3）可知（Gc）（Gc），其中和分別表示原H13型鋼和低Si高Mo H13型鋼相應(yīng)的液固相凝固情況。人們已經(jīng)知道，Gc小的話，這種合金在凝固時液固相界面附近不易出現(xiàn)成分過冷。根據(jù)這一觀點顯然可以推知：低Si高Mo 的H13型鋼在凝固時不易出現(xiàn)成分過冷現(xiàn)象。它和原H13型鋼的

39、Gc和成分過冷范圍的比較示意表示于圖4中。液固界面上成分過冷區(qū)很小，則不易出現(xiàn)樹枝晶或會出現(xiàn)胞狀柱晶，當然就可避免嚴重的枝晶偏析，而胞狀晶的偏析程度是較輕微的。 液相溫度梯度溫度梯度凝固點溫度凝固點溫度固相固相GcGc液相溫度溫度圖4 H13鋼（）和低Si高MoH13鋼()凝固時的成分過冷示意圖以合金元素Cr，Mo和V加入鋼中，對鋼二次硬化峰值溫度來看，相應(yīng)為500，(570580)和(600625)。為此，為了讓H13鋼的使用溫度進一步提高，必須以V進行合金化，讓原來以Mo2C引起的二次硬化作用改變?yōu)橐訴4C3引起的二次硬化。但前面的分析已明確指出，雖然高于0.5V可形成高穩(wěn)定性的V4C3合

40、金碳化物，依賴V4C3在回火馬氏體基體上的共格彌散析出產(chǎn)生明顯的二次硬化，但要讓V4C3合金碳化物溶入A中，需采用1050以上的奧氏體化溫度，這會導(dǎo)致A晶粒的粗化，不利于工件的塑性和韌度的提高。為了克服A晶粒粗化的弊病，必定要使鋼內(nèi)存在穩(wěn)定性更高的細小顆粒的碳化物來足以阻止A晶界的遷移。這樣，人們自然想到了Nb和Ti，依靠穩(wěn)定性比V4C3高的NbC和TiC。又由于Ti有一定的弊病，面心立方結(jié)構(gòu)的NbC就作為首選，這是國內(nèi)學者合金化設(shè)計的主要思路。俞德剛17指出：Nb的加入量達0.04便表現(xiàn)出有效的晶粒細化能力。NbC合金碳化物的有效程度首先取決Nb在奧氏體中的溶解度，Nb在奧氏體化溫度下的溶解

41、度用下式表示： logNb×C2.967510T 奧氏體中NbC的溶解度比VC和TiC低。其次取決于NbC的低的形成自由能值，我們可以查得NbC的形成標準自由能G2980-139.2KJmol25。由金屬學原理知道，隨G的降低（絕對值的增大），均勻形核r*或非均勻形核的臨界核心尺寸r*非變小23：r*非-2Gv 式中為界面能，Gv這兒可看作為碳化物的形成自由能。請注意r*值小是彌散析出強化的前提要求。有報導(dǎo)，質(zhì)點直徑達10-10m數(shù)量級會有制止變形后亞結(jié)構(gòu)的恢復(fù)和奧氏體再結(jié)晶的作用26。同時NbC在奧氏體中的溶解終結(jié)溫度為2876，即說明NbC在一般的奧氏體化溫度（如1070）是不會

42、全溶解掉的，能確實起到制止A晶粒粗化的作用。我國早在上世紀80年代開展研究，并列入航空部標準的3Cr3Mo3VNb鋼27中加入V的量為（0.600.80），加入Nb的量約(0.080.15)%。該鋼具有降低加熱時的過熱敏感性,高溫強度高,熱穩(wěn)定性高,塑性韌度高,耐冷熱疲勞性好和耐熱磨損性優(yōu)良特點,可用于制作鋁合金、銅合金壓鑄模、不銹耐熱鋼和高溫合金精鍛模具等。我們認為，上述的分析將提供了有力的說明。李麟和吳曉春28對新型模具鋼合金成分設(shè)計中也考慮加入鈮，指出4Cr5Mo3SiVNb鋼在650回火時仍保持45HRC硬度和能進一步提高綜合機械性能。 Uddeholm公司為了開發(fā)耐溫度達650時具有

43、高壽命的熱作模具鋼，提出含碳含硅較高的低Cr高Mo的HOTVAR專利鋼。該鋼同時兼具優(yōu)良的耐熱磨損性、高溫強度和熱態(tài)硬度，特別適用于制作易于在熱磨損或塑性變形條件下失效的模具。這些模具有鋁管擠壓模具，熱彎曲、熱校正模，進級鍛打、擺鍛、滾鍛和溫鍛（在650950范圍內(nèi)鍛造）條件下工作的模具等。該鋼相應(yīng)的化學成分為：0.55C-1.0Si-0.75Mn-2.6Cr-2.25Mo-0.85V29。這也是具有特色的工作。 本文相當詳盡從鋼的強韌化設(shè)計和金屬學原理相關(guān)理論出發(fā)分析H13鋼的化學成分及其對鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能的影響,闡明近年來國內(nèi)外H13鋼的成分改進和發(fā)展,以使人們能更好研究開發(fā)、制造和處理

44、H13鋼,并生產(chǎn)出高質(zhì)量、低成本的模具制成品,走向國際,創(chuàng)建名牌。為了更進一步提高模具使用壽命,對模具的表面進行改性30,已愈來愈得到人們的青睞。我公司已在H13鋼的表面改性方面積累豐富的經(jīng)驗,尤其在鋁合金壓鑄模具、注塑模具及橡膠模具的處理上,今后我們會陸續(xù)介紹,請關(guān)注我公司網(wǎng)站: 4. 結(jié)束語H13熱作模具鋼屬于具有二次硬化效應(yīng)的超高強度鋼。應(yīng)用鋼的強韌化設(shè)計和金屬學原理相關(guān)理論可以相當完善的分析和確定H13鋼的化學成分,并了解化學成分對鋼的組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。在此基礎(chǔ)上,國內(nèi)外很多學者正在努力探究和拓展H13鋼,以獲得具有較低冶煉成本、合金化最合理的、又具有最佳組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)良性能的鋼種。

45、現(xiàn)在,低Si高Mo的合金化途徑和加入Nb合金化的方法是H13鋼成分設(shè)計上的兩種趨勢。經(jīng)合理合金化的高性能材料,采用優(yōu)化的熱處理方法和表面改性方法,一定能確保制造出高服役壽命的模具。致謝本文的圖得到鄒黛夏同志的幫助,特此致謝。參考文獻1P.M.Unterweiser,H.E.Boyer andJ.J.Kubbs,Heat Treaters Guide, Standard Practices and Procedures for Steel.M,ASM,Metals Park,Ohio 44073,1982,p4932趙振業(yè)，合金鋼設(shè)計M，北京，國防工業(yè)出版社，1999，p3593W.C.Mack et al, Worldwide Guide to Equivalent Irons and SteelsM,ASM International,Materials Park,Ohio,2000，P8-154田部慱輔,金型工具鋼基礎(chǔ)實用J，型技術(shù)，Vol.18，No.12，p985壓力鑄造模具用高級H13鋼的驗收標準，NADCA 207-1990，p66NADCA Recommended Procedures