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H13鋼壓鑄模具的表面改性
潘曉華1 朱祖昌2

1. 壓鑄模具和H13
國內有色金屬壓鑄模具普遍采用H13熱作模具鋼。所謂熱作模具是指對加熱至再結晶溫度以上的金屬或合金進行塑性變形的和對液態(tài)的有色金屬壓制成型制造零部件的模具。
作為有色金屬的壓鑄模具用鋼一般應具有下述條件：（1）具有較高的淬透性，熱處理時可采用冷卻強度較小的介質和具有較小的熱處理變形；（2）具有高的抗熱裂性和耐熱疲勞抗力，使模具經受激冷激熱不易形成裂紋以及形成的裂紋不易擴展，避免模具失效；（3）具有高的抗熱軟化能力和抗高溫磨損能力，使模具保持一定的高溫強度和尺寸穩(wěn)定性；（4）具有高的抗液態(tài)金屬的粘焊（soldering）和化學沖蝕損傷，國內以熔化液態(tài)金屬的熔損來表征。要達到這些兼具高溫強度和高韌度要求，又有較高的高溫硬度和抗磨損能力，主要由鋼的化學成分決定，一般采用中碳含量（0.35～0.45％）和含Cr、W、M0和V等合金元素,合金元素總量在6~25%范圍。
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，全部以H命名。分別為H10～H19,H21~H26,和H42、H43[1]。用于Al合金壓鑄模的鋼種，目前很普遍采用H13鋼，它屬于第一種。國內鋼號為4Cr5M0SiVl。以前國內采用較多的3Cr2W8V鋼的熱疲勞性和韌度顯得不足。
H13鋼的含碳量在0.5％以下。美國AISI H13,UNS T20813, ASTMA681(最新版)的H13鋼和FED QQ-T-570的H13的含碳量都規(guī)定為（0.32～0.45）％, 是所有H13鋼中含碳量范圍最寬的。我國GB/T1299和YB/T094中4Cr5M0SiV1和SM4Cr5M0SiV1鋼號的含碳量為（0.32～0.42）％和（0.32～0.45）％。德國DIN17350  X40CrM0V5-1和WNr1. 2344鋼的含碳量為（0.37～0.43）％，含碳范圍較窄[2]。北美壓鑄協(xié)會標準NADCA 207-90中對中高級H13鋼的含碳量規(guī)定為（0.37～0.42）％。
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，所以該鋼在空冷條件下能夠淬硬。在6 barN2氣體真空處理條件下可淬透直徑為160mm[3]。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)在國內一般可用高碳鉻軸承鋼相關標準予以評定[4]。鉻含量的提高有利于增加材料的熱強度，但對韌度不利。材料中增加鉬和鎢，有人提出[5]，（1/2W+M0）的量至1％以上時，會使材料500℃以上進行回火時仍獲得較高硬度，并具有二次硬化能力。H13鋼的二次硬化能力不很明顯，可參見資料[1]。提高V的含量，如V的量由0.4％（SKD6,相當于H11）提高至1%，使H13鋼（SKD61）的熱強度和熱穩(wěn)定性提高了，同時V也增加水沖洗抗力，實際上是提高水浸侵蝕磨損抗力（erosive wear）[1]。
另外，鋼中加入W、M0、V、Nb等形成M6C和MC型碳化物的元素，能對奧氏體晶粒細化，也使溶入奧氏體后在回火過程中產生二次硬化效果。對Cr的加入形成的碳化物為M23C?6型，其在1100℃奧氏體化時基本上溶解完了，（全部溶入奧氏體的溫度是1160℃），這將決定H13鋼的最佳奧氏體化溫度處于1020～1080℃范圍內[6]。
含Cr熱作模具鋼的含Si量都在0.80～1.20％，只有H19鋼含Si量為0.20～0.50％。鋼中增加Si的量除了固溶強化影響外，它能改進鋼的高溫抗氧化能力，直至800℃（1475℉）。但Si有損于韌度提高�，F(xiàn)在H13鋼的發(fā)展正在向低Si高M?0的第二階段進行，（發(fā)展第一階段是提高H13鋼的材質和熱處理水平）。人們已逐漸認識到低Si的效果主要有：減輕材料的偏析，改善宏觀組織均勻程度；減少凝固時液/固界面上成分過冷，改善結晶的微觀組織和奧氏體晶粒細化；提高鋼的韌度以及抗熱裂能力和減低高溫疲勞裂紋擴展速度以及高溫蠕變裂紋擴展速率；延緩鋼的貝氏體轉變。同時增加M0的量至3％左右，日本低Si高M0的SKD61的成分范圍為：C（0.30～0.40％）、Si（0.05～0.30）、Cr（4.9～5.5%）、M0（2.0～3.5％）和V（0.50～1.20％）。相應低Si高M0的德國鋼號為1.2367，其成分為C 0.40％， Si 0.40％，Cr 4.95％， M03.0％和V0.9％。 M0的量提高至3.0％，則使鋼的淬透性提高，防止奧氏體晶界碳化物的析出和延緩貝氏體轉變；提高回火抗力和韌度；提高高溫強度和高溫蠕變強度；提高抗熱裂能力。關于延緩貝氏體轉變，有資料報導：對610×203×500mm的H13模塊經3 bar（約3atm）氣淬后心部和表面的貝氏體量達70％和40%， 而對低Si高M0SKD61鋼相應僅有2％和1%[7]。這對模具使用壽命提高十分有利。我國的一種新型熱作模具鋼3Cr3M03VNb的M0量也為3%（范圍為2.70～3.20％），Si的量為≤0.60％， 其性能優(yōu)良的一個原因也應歸咎于低的Si高M0的。