H13是热作模具钢，执行标准GB/T1299—2000。 统一数字代号T20502；牌号4Cr5MoSiV1；合金工具钢简称合工钢，是在碳工钢的基础上加入合金元素而形成的钢种。其中合工钢包括：量具刃具用钢、耐冲击工具用钢、冷作模具钢、热作模具钢、无磁模具钢、塑料模具钢。
材料特性
3Cr2Mo模具钢是引进的美国塑料模具钢常用钢号，也是GB 1299-85《合金工具钢技术条件》中正式纳入标准的***一种塑料模具钢。
3Cr2Mo钢是一种通用型预硬化塑料模具钢, 是目前各国应用较广泛的一种塑料模具钢。由美国AISI的P20转化过来的预硬性塑料模具钢, 并已纳入国标。经调质处理后可以进行机械加工。具有良好的可加工性和镜面研磨抛光性能, 机械加工成形后, 型腔变形及尺寸变化小, 经热处理后可提高表面硬度和模具使用寿命。
该钢具有较好的淬透性及一定的韧性, 可以进行渗碳, 渗碳淬火后表面硬度可达65HRC, 具有较高的热硬度及耐磨性。因供货状态已进行了预硬化处理, 可直接加工成形后抛光、装配。
该钢经渗碳、渗氮、氮碳共渗或离子渗氮后再抛光, 表面粗糙度可以降到0.03μm左右, 模具表面光亮度可进一步提高, 而且模具使用寿命大大提高。对于要改锻成坯料后再加工成形的模具, 其工艺路线为:下料叶改锻→球化退火→刨或铣六面→预硬处理 (34~42HRC) →机械粗加工→去应力退火→机械精加工→抛光→装配。
状态供货
塑料模具用扁钢 YB/T 094-1997 规定:扁钢宽度 170 ~410mm, 厚度 25~105mm。可在 29. 5 ~35HRC 硬度条件下供货。预硬态, 硬度≤28HRC; 退火态, 硬度≤22HRC
化学成分
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C |
Si |
Mn |
Cr |
Mo |
P,S |
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0.28-0.40 |
0.20-0.80 |
0.60-1.00 |
1.40-2.00 |
0.30-0.55 |
≤0.030 |
参考牌号
中国 GB 标准牌号 3Cr2Mo、中国 YB 标准牌号 ***3Cr2Mo、德国 DIN 标准材料编号1.2311、瑞典一胜百(ASSAB) 标准牌号 618、美国AISI/ASTM标准牌号 P20、美国UNS标准牌号 T51620、国际标准化*** (lSO) 标准牌号 35CrMo2
工艺性能
锻造。加热温度1100-1150℃，始锻温度1050-1100℃，终锻温度≥850℃，锻后空冷。
退火。加热温度850℃，保温2-4h,等温温度720℃，保温4-6h,炉冷至500℃，出炉空冷。
淬火及回火。淬火加热温度860-870℃，油淬，540-580℃回火。预硬态硬度为30-35HRC。
化学热处理。3Cr2Mo模具钢具有较好的淬透性及一定的韧性，可以进行渗碳，渗碳淬火后表面硬度可达65HRC。具有较高的热硬度及耐磨性。
力学性能
850℃淬火，550℃回火的3Cr2Mo模具钢室温力学性能如下表
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硬度HRC |
σb (MPa) |
σ0.2(MPa) |
δ5(%) |
ψ(%) |
αk(J/ cm2) |
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30 |
1250 |
1140 |
14 |
58 |
11.5 |
物理性能
1) 密度: 7.31g/cm。
2) 线胀系数:温度 18 ~100℃/18 ~200°C/18 ~300°C/18 ~400°C/18 ~500°C/18 ~600℃/18 ~700℃, 线胀系数 11.9 ×10K/12.20 ×10K/12. 50×10K/12. 81 ×10K/13.11 ×10K/13.41×10K/13.71×10K
3) 弹性模量: (20°C) 212000MPa, 切变模量 (室温) 为825000MPa, 泊桑比0.288
4) 热导率: 温度20℃/100℃/200°C/300°C/400°C,热导率36.0 [W/ (m·K)] /33.4[W/ (m·K)]/31.4[W/ (m·K)]/30.1[W/ (m·K)]/29.3[W/ (m·K)]
工艺规范
热加工规范
钢锭: 加热温度 1180 ~1200°C, 开始温度 1130~1150°C, 终止温度≥850°C, 坑冷。
钢坯: 加热温度1120~1160°C, 开始温度 1070~1110°C, 终止温度≥850°C, 砂冷或缓冷。
等温退火规范
退火温度(850&plu***n;10)°C, 保温2h, 随炉降温至(720&plu***n;10)℃, 保温4h, 炉冷至500°C以下, 出炉空冷, 硬度≤229HBW。
高温回火规范
回火温度 (730 &plu***n;10)°C , 保温2h, 炉冷全≤500°C, 出炉空冷。
淬火、回火规范
淬火温度850 ~880℃ , 油冷, 硬度50 ~52HRC; 回火温度 580 ~640°C , 出炉空冷,硬度 28 ~36HRC
预硬化处理规范
加热温度 860 ~900°C , 油冷, 回火温度 570 ~70O°C , 空冷, 回火硬度 28~35HRC。
实际应用
3Cr2Mo模具钢适于制造生产电视机、大型收录机的外壳及洗衣机面板盖等的大型塑料模具，其切削加工性能及抛光性能均显著优于45钢，在相同抛光条件下，3Cr2Mo模具钢表面粗糙度比45钢低1-3级。
典型应用举例如下
1) 代替传统的45钢, 可用于制作大型注塑模具或挤压成型模。
2) 该钢适宜制作电视机、大型收录机的外壳及洗衣机面板盖等大型塑料模具. 其可加工性及抛光性均显著优于 45 钢, 在相同抛光条件下, 表面粗糙度比45钢低1 ~3级。
如制作的"飞跃"牌14寸黑白电视机外壳塑模具, 已成型24万模次, 模具仍完好无损.还制作过18寸彩色电视机外壳塑料模具, 大型收录机模具, 电唱机盘罩模具,以及洗衣机面板盖模具等。
3) 适用于压塑模具。
4) 适用于耐蚀性、高精度模具
C:0.32~0.45，
Si:0.80~1.20，
Mn:0.20~0.50，
Cr:4.75~5.50，
Mo:1.10~1.75，
V:0.80~1.20，
p≤0.030，
S≤0.030；
功能处理
淬火：790度+-15度预热，1000度（盐浴）或1010度（炉控气氛）+-6度加热，保温5~15min空冷，550度+-6度 回火；退火、热加工；
化学分析
H13钢是C-Cr-Mo-Si-V型钢,在世界上的应用极其普遍,同时各国许多学者对它进行了广泛的研究,并在探究化学成分的改进。钢的应用广泛和具有优良的特性,主要由钢的化学成分决定的。当然钢中杂质元素必须降低,有资料表明,当Rm在1550MPa时,材料含硫量由0.005%降到0.003%,会使冲击韧度提高约13J。十分明显,NADCA 207-2003标准就规定:优级(premium)H13钢含硫量小于0.005%,而超级(superior)的应小于0.003%S和0.015%P。下面对H13钢的成分加以分析。 H13碳：美国AISI H13，UNS T20813，ASTM（***新版）的H13和FED ***-T-570的H13钢的含碳量都规定为（0.32~0.45）%，是所有H13钢中含碳量范围***宽的。德国X40CrMoV5-1和1.2344的含碳量为（0.37~0.43）%，含碳量范围较窄，德国DIN17350中还有X38CrMoV5-1的含碳量为（0.36~0.42）%。日本SKD 61的含碳量为（0.32~0.42）%。我国GB/T 1299和YB/T 094中4Cr5MoSiV1和*** 4Cr5MoSiV1的含碳量为（0.32~0.42）%和（0.32~0.45）%，分别与SKD61和AISI H13相同。特别要指出的是：北美压铸协会NADCA 207-90、207-97和207-2003标准中对H13钢的含碳量都规定为（0.37~0.42）%。
钢中含碳量决定淬火钢的基体硬度，按钢中含碳量与淬火钢硬度的关系曲线可以知道,H13钢的淬火硬度在55HRC左右。对工具钢而言，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化。另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。对热作模具钢,这种合金碳化物除少量残留的以外，还要求它在回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生两次硬化现象。从而由均匀分布的残留合金碳化合物和回火马氏体的***来决定热作模具钢的性能。由此可见，钢中的含C量不能太低。
含5%Cr的H13钢应具有高的韧度，故其含C量应保持在形成少量合金C化物的水平上。Woodyatt 和Krauss指出在870℃的Fe-Cr-C三元相图上,H13钢的位置在奥氏体A和（A+M3C+M7C3）三相区的交界位置处较好。相应的含C量约0.4%。图上还标出增加C或Cr量使M7C3量增多,具有更高耐磨性能的A2和D2钢以作比较。另外重要的是,保持相对较低的含C量是使钢的Ms点取于相对较高的温度水平(H13钢的Ms一般资料介绍为340℃左右)，使该钢在淬冷至室温时获得以马氏体为主加少量残余A和残留均匀分布的合金C化物***，并经回火后获得均匀的回火马氏体***。避免使过多残余奥氏体在工作温度下发生转变影响工件的工作性能或变形。这些少量残余奥氏体在淬火以后的两次或三次回火过程中应予以转变完全。这儿顺便指出，H13钢淬火后得到的马氏体***为板条M+少量片状M+少量残余A。经回火后在板条状M上析出的很细的合金碳化物，国内学者也作了一定工作。
众所周知，钢中增加碳含量将提高钢的强度，对热作模具钢而言，会使高温强度、热态硬度和耐磨损性提高，但会导致其韧度的降低。学者在工具钢产品手册文献中将各类H型钢的性能比较很明显证明了这个观点。通常认为导致钢塑性和韧度降低的含碳量界限为0.4%。为此要求人们在钢合金化设计时遵循下述原则:在保持强度前提下要尽可能降低钢的含碳量,有资料已提出:在钢抗拉强度达1550MPa以上时,含C量在0.3%-0.4%为宜。H13钢的强度Rm，有文献介绍为1503.1MPa(46HRC时)和1937.5MPa(51HRC时)。
查阅FORD和GM公司资料推荐的TQ-1、Dievar和ADC3等钢中的含C量都为0.39%和0.38%等，相应的韧度指标等列于表1，其理由可由此管窥所及。
对要求更高强度的热作模具钢，采用的方法是在H13钢成分的基础上提高Mo含量或提高含碳量，这将在后面还会论及，当然韧度和塑性的略为降低是可以预料的。
2.2 铬： 铬是合金工具钢中***普遍含有的和价廉的合金元素。在美国H型热作模具钢中含Cr量在2%~12%范围。在我国合金工具钢（GB/T1299）的37个钢号中,除8CrSi和9Mn2V外都含有Cr。铬对钢的耐磨损性、高温强度、热态硬度、韧度和淬透性都有有利的影响，同时它溶入基体中会显著改善钢的耐蚀性能，在H13钢中含Cr和Si会使氧化膜致密来提高钢的***化性。再则以Cr对0.3C-1Mn钢回火性能的作用来分析，加入﹤6% Cr对提高钢回火抗力是有利的，但未能构成二次硬化；当含Cr﹥6%的钢淬火后在550℃回火会出现二次硬化效应。人们对热作钢模具钢一般选5%铬的加入量。
工具钢中的铬一部分溶入钢中起固溶强化作用，另一部分与碳结合,按含铬量高低以(FeCr)3C、(FeCr)7C3和M23C6形式存在，从而来影响钢的性能。另外还要考虑合金元素的交互作用影响，如当钢中含铬、钼和钒时，Cr>3%[14]时，Cr能阻止V4C3的生成和推迟Mo2C的共格析出，V4C3和Mo2C是提高钢材的高温强度和抗回火性的强化相[14]，这种交互作用提高该钢耐热变形性能。
铬溶入钢奥氏体中增加钢的淬透性。Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si﹑Ni都与Cr一样是增加钢淬透性的合金元素。人们习惯用淬透性因子加以表征,一般国内现有资料[15]还只应用Gros***ann等的资料,后来Moser和Legat[16,22]的更进一步工作提出由含C量和奥氏体晶粒度决定基本淬透性直径Dic和合金元素含量确定的淬透性因子(示于图3中)来计算合金钢的理想临界直径Di,也可从下式作近似计算:
Di=Dic×2.21Mn×1.40Si×2.13Cr×3.275Mo×1.47Ni (1)
(1)式中各合金元素以质量百分数表示。由该式，人们对Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si和Ni元素影响钢淬透性有相当明确的半定量了解。
Cr对钢共析点的影响，它和Mn大致相似，在约5%的含铬量时，共析点的含C量降到0.5%左右。另外Si﹑W﹑Mo﹑V﹑Ti的加入更显著降低共析点含C量。为此可以知道：热作模具钢和高速钢一样属于过共析钢。共析含C量的降低，将增加奥氏体化后***中和***后***中的合金碳化物含量。
钢中合金C化物的行为与其自身的稳定性有关，实际上，合金C化物的结构、稳定性与相应C化物形成元素的d电子壳层和S电子壳层的电子欠缺程度相关[17]。随着电子欠缺程度下降，金属原子半径随之减小，碳和金属元素的原子半径比rc/rm增加，合金C化物由间隙相向间隙化合物变化，C化物的稳定性减弱，其相应熔化温度和在A中溶解温度降低，其生成自由能的***值减小，相应的硬度值下降。具有面心立方点阵的VC碳化物，稳定性高，约在900~950℃温度开始溶解，在1100℃以上开始大量溶解（溶解终结温度为1413℃）[17]；它在500~700℃回火过程中析出，不易聚集长大，能作为钢中强化相。中等碳化物形成元素W 、Mo形成的M2C和MC 碳化物具有密排和简单六方点阵，它们的稳定性较差些，亦具较高的硬度、熔点和溶解温度，仍可作为在500~650℃范围使用钢的强化相。M23C6(如Cr23C6等)具有复杂立方点阵，稳定性更差，结合强度较弱，熔点和溶解温度较低（在1090℃溶入A中），只有在少数耐热钢中经综合合金化后才有较高稳定性（如（CrFeMoW）23C6,可作为强化相。具有复杂六方结构的M7C3(如Cr7C3、 Fe4Cr3C3或Fe2Cr5C3)的稳定性更差，它和Fe3C类碳化物一样很易溶解和析出，具有较大的聚集长大速度，一般不能作为高温强化相[17]。
我们仍从Fe-Cr-C三元相图可以简便了解H13钢中的合金碳化物相。按Fe-Cr-C系700℃[18~20]和870℃[9]三元等温截面的相图,对含0.4%C钢中,随Cr量增加会出现（FeCr）3C（M3C）和（CrFe）7C3(M7C3)型合金碳化物。注意在870℃图上,只有含Cr量大于11%才会出现M23C6）。另外根据Fe-Cr-C三元系在5%Cr时的垂直截面,对含0.40%C的钢在退火状态下为α相（约固溶1%Cr）和（CrFe）7C3合金C化物。当加热至791℃以上形成奥氏体A和进入（α+A+M7C3）三相区,在795℃左右进入（A+M7C3）两相区,约在970℃时,（CrFe）7C3消失,进入单相A区。当基体含C量﹤0.33%时,在793℃左右才存在（M7C3+M23C6和A）的三相区,在796℃进入（A+M7C3）区（0.30%C时），以后一直保持到液相。钢中残留的M7C3有阻止A晶粒长大的作用。Nilson提出，对1.5%C-13%Cr的成分合金，欠稳定（CrFe）23C6不形成[20]。当然,单以Fe-Cr-C三元系分析会有一些偏差,要考虑加入合金元素的影响。
力学性能
硬度 ：退火,245～205HB,淬火,≥50HRC
交货状态
布氏硬度HBW10/3000（≤235））