H13模具鋼分析
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，但會導致其韌度的降低。學者在工具鋼產(chǎn)品手冊文獻中將各類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。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GM公司資料推薦的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。
2.2 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Cr﹥6%的鋼淬火后在550℃回火會出現(xiàn)二次硬化效應(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%<sup>[14]</sup>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<sup>[14]</sup>，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。Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si﹑Ni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等的資料,后來Moser和Legat[16,22]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Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si和Ni元素影響鋼淬透性有相當明確的半定量了解。
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%左右。另外Si﹑W﹑Mo﹑V﹑Ti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*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900~950℃溫度開始溶解，在1100℃以上開始大量溶解（溶解終結(jié)溫度為1413℃）[17]；它在500~700℃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500~650℃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?/span>Fe-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700℃[18~20]和870℃[9]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α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（α+A+M7C3）三相區(qū),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%C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。
