3133钢材与H13钢对比：低硫含量如何提升韧性与模具寿命

H13钢属于C-Cr-Mo-Si-V型钢, 在全球范围内应用极为普遍, 与此同时, 众多国家的不少学者针对它展开了广泛研究, 并且在探寻化学成分的改良。

钢之所以应用广泛且具有优良特性, 主要是由其化学成分所决定的, 钢中杂质元素是必须降低的。有资料表明, 当Rm处于1550MPa 时, 材料含硫量若从0.005%降到0.003%, 冲击韧度会提高约13J。十分明显的是，NADCA 207 - 2003标准规定, 优级（premium）H13钢含硫量要小于0.005%, 而超级（superior）的应小于0.003%S和0.015%P。

碳, 美国在AISI H13、UNS T20813 和其ASTM（最新版当中）里的H13 以及 FED QQ-T-570 当中的H13钢, 它们的含碳量全都被规定为（0.32~0.45）%, 就这是所有H13钢之中含碳量范围非常宽十分宽的那种。并且存在德国的X40CrMoV5-1还有1.2344, 它们的含碳量是（0.37~0.43）%, 也就是说含碳量范围相对较窄, 德国的DIN17350 中又有X38CrMoV5-1, 其含碳量为（0.36~0.42）%。日本SKD 61的含碳量处于（0.32~0.42）% , 我国GB/T 1299里4Cr5MoSiV1的含碳量为（0.32~0.42）% , 我国YB/T 094中SM 4Cr5MoSiV1的含碳量为（0.32~0.45）% , 4Cr5MoSiV1的此含碳量与SKD61相同 , SM 4Cr5MoSiV1的此含碳量和AISI H13相同 专门得指出的是 北美压铸协会NADCA 207-90标准中对H13钢的含碳量规定为（0.37~0.42）% 北美压铸协会NADCA 207-97标准中对H13钢的含碳量规定为（0.37~0.42）% 北美压铸协会NADCA 207-2003标准中对H13钢的含碳量规定为（0.37~0.42）%。H13钢含有5%的Cr, 它应该具备高的韧度, 所以其含C量需要维持在形成少量合金C化物的水准上。

大家都知道, 往钢里增加碳含量, 会提升钢的强度, 对于热作模具钢来讲, 能让高温强度、热态硬度还有耐磨损性得到提升, 不过却会致使其韧度下降。学者在工具钢产品手册文献里, 把各类H型钢的性能进行比较, 很明显地证实了这个看法。一般觉得, 致使钢塑性以及韧度降低的含碳量界限是0.4%。所以要求人们于钢合金化设计之际遵循如下原则, 在维持强度的状况下要尽可能地降低钢的含碳量, 有资料已然提出, 在钢的抗拉强度达到1550MPa以上的时候, 含C量处于0.3% - 0.4%较为适宜。H13钢的强度Rm, 有文献解说为1503.1MPa（当为46HRC时）以及1937.5MPa（当为51HRC时）。

针对于要求具备更高强度的那种热作模具钢, 所采用的办法是, 在H13钢成分的基础之上, 提升Mo含量, 或者提高含碳量, 对于这一点我们后面还会再来讨论提及, 当然了, 韧度以及塑性会有略微的降低这是能够预料到的。

铬, 它是合金工具钢里极为普遍所含有的, 且价格较为低廉的合金元素, 在美国型热作模具钢之中, 含铬量处于2%至12%这个范围, 在我国的合金工具钢, 也就是依据GB/T1299标准的37个钢号当中, 除了8CrSi以及9Mn2V之外, 其余的都含有铬, 铬对于钢的耐磨损性、高温强度、热态硬度、韧度以及淬透性均有着有利的影响, 同时, 它溶入基体里会显著地改善钢的耐蚀性能, 在H13钢里, 含有铬和硅会让氧化膜变得致密从而提高钢的抗氧化性。首先, 从Cr对于0.3C - 1Mn钢回火性能所产生的作用方面进行分析, 加入量小于6%的Cr, 对于提升钢的回火抗力而言是具有益处的, 然而却并未能够形成二次硬化现象；当钢中Cr的含量大于6%时, 经过淬火之后在550℃的状态下进行回火, 就会出现二次硬化效应。其次, 在热作钢模具钢的选择上, 人们一般会选取加入量为5%铬的情况。

工具钢里头的铬, 有一部分会溶进钢里, 起到固溶强化的作用, 另外一部分呢, 会跟碳相结合, 依照含铬量的高低, 以(FeCr)3C、(FeCr)7C3以及M23C6的形式存在着, 进而对钢的性能产生影响。除此之外, 还得考量合金元素交互作用所带来的影响, 就好比钢里头含有铬、钼以及钒的时候, 当Cr大于3%时, Cr能够阻止V4C3的生成, 还能让Mo2C的共格析出往后推迟, V4C3和Mo2C是能提升钢材高温强度以及抗回火性的强化相, 这样的交互作用会提高这种钢的耐热变形性能。

铬会溶进钢奥氏体里, 进而增添钢的淬透性。Cr, 还有Mn、Mo、Si、Ni, 它们都和Cr一样, 属于那种能够增加钢淬透性的合金元素。人们常常会用用来表征的淬透性因子, 通常国内现有的资料仅仅只是运用Grossmann等人的资料, 之后Moser和Legat所做的更深入的工作提出, 由含C量以及奥氏体晶粒度决定的基本淬透性直径Dic, 还有合金元素含量确定的淬透性因子（该淬透性因子在图3中显示）来计算合金钢的理想临界直径Di, 也能够从下面这个式子进行近似计算: Di=Dic×2.21Mn×1.40Si×2.13Cr×3.275Mo×1.47Ni (1), (1)式当中各合金元素是以质量百分数来表示的。源于这个式子, 人们存有相当明晰的半定量认知, 针对Cr元素、Mn元素、Mo元素、Si元素以及Ni元素, 它们对钢淬透性所造成的影响。

Cr给钢共析点到来的影响, 其与Mn大略相似。在差不多5%的含铬的量的时候, 共析点那里的含C分量下降到0.5%左右。另外Si﹑W﹑Mo﹑V﹑Ti的纳入对共析点位之有怎样变动所起效应尤其彰着。由此能够知悉: 热作工具钢跟高速钢相同属于过高且处于共析之处状态的钢。共析之时含C数量递减变动, 会让通过改变处理以得到奥氏体形态之后的组织里以及终极时组织里所含合金碳化成分数量增多。

钢中合金C化物的行为, 和其自身的稳定性存在关联, 事实上, 合金C化物的结构、稳定性, 与相应C化物形成元素的d电子壳层以及S电子壳层的电子欠缺程度有关联。随着电子欠缺程度降低, 金属原子半径跟着减小, 碳和金属元素的原子半径比rc/rm增大, 合金C化物从间隙相向间隙化合物转变, C化物的稳定性变弱, 其相应的熔化温度以及在A中的溶解温度降低, 其生成自由能的绝对值减小, 相应的硬度值下降。具有面心立方点阵的 VC 碳化物, 稳定性是比较高的, 大约在 900 到 950℃这个温度就开始有溶解的情况了, 在 1100℃往上就会开始大量溶解, 而溶解终结温度是 1413℃；它是在 500 到 700℃回火过程当中析出的, 不容易聚集长大, 能够作为钢里面的强化相。中等碳化物形成元素 W、Mo 所形成的 M2C 和 MC 碳化物有着密排和简单六方点阵, 它们的稳定性相对差一些, 不过也具备较高的硬度、熔点以及溶解温度, 依旧可以作为在 500 到 650℃范围使用钢的强化相。M23C6, 像Cr23C6这类, 有着复杂立方点阵, 稳定性更为糟糕, 结合强度较为薄弱, 熔点以及溶解温度比较低, 在1090℃的时候溶入A中, 只有在少数耐热钢里面经过综合合金化后才有较高稳定性, 比如（CrFeMoW）23C6, 能够作为强化相。具有复杂六方结构的M7C3, 像Cr7C3、Fe4Cr3C3或者Fe2Cr5C3, 稳定性更差劲, 其和Fe3C类碳化物一样很容易溶解和析出, 有着较大的聚集长大速度, 一般而言不能作为高温强化相。