H11 vs H13 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

H11 und H13 sind zwei weit verbreitete Warmarbeitswerkzeugstähle in Industrien, die Werkzeuge benötigen, um bei erhöhten Temperaturen zu arbeiten, wie z. B. Druckguss, Extrusion, Schmieden und Warmumformen. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen routinemäßig vor dem Auswahldilemma zwischen leicht unterschiedlichen Leistungsabstimmungen: Zähigkeit und Widerstand gegen thermischen Schock versus Warmhärte und langfristiger Widerstand gegen thermische Ermüdung und Verschleiß. Die Wahl beeinflusst die Werkzeuglebensdauer, Wartungsintervalle, Prozessparameter (Vorwärmen, Anlassen) und die Gesamtkosten des Eigentums.

Der wesentliche technische Unterschied zwischen H11 und H13 liegt im Gleichgewicht zwischen Hochtemperaturfestigkeit und Widerstand gegen thermische Zyklen (thermische Ermüdung). H13 wird bevorzugt, wo anhaltende Warmhärte und Widerstand gegen thermische Ermüdung entscheidend sind; H11 wird oft gewählt, wo eine leicht höhere Volumenzähigkeit und Duktilität erforderlich sind und wo der Widerstand gegen Rissbildung unter starkem mechanischen Schock priorisiert wird. Diese Unterschiede ergeben sich aus ihren Legierungsstrategien und den resultierenden Mikrostrukturen nach der Wärmebehandlung.

1. Normen und Bezeichnungen

• Gemeinsame internationale Normen und Bezeichnungen:
• AISI/SAE: H11, H13
• DIN/EN: 1.2343 (H11), 1.2344 (H13) — häufig in europäischer Literatur zitiert
• JIS: SKD5, SKH? (variiert je nach Land und genauer Gradzuordnung)
• GB (China): äquivalente Bezeichnungen für Warmarbeitswerkzeugstahl

• ASTM/ASME: beziehen Sie sich auf relevante Spezifikationen für Werkzeugstähle und Produktformen

• Materialklasse:

• Sowohl H11 als auch H13 sind Werkzeugstähle, die für Warmarbeitsanwendungen (Warmarbeitswerkzeugstahl) vorgesehen sind. Sie sind nicht rostfrei oder HSLA. Sie sind legierte, luft- oder öl-härtbare Chrom-Molybdän-Vanadium-Stähle, die für thermische Stabilität ausgelegt sind.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Die genauen Prozentsätze variieren je nach Norm und Hersteller, aber die beiden Grade teilen sich eine gemeinsame Warmarbeitslegierungsstrategie — moderater Kohlenstoff, signifikantes Chrom sowie Molybdän und Vanadium, um Widerstand gegen Anlassen, Härtbarkeit und Karbidverstärkung zu bieten. Um die Angabe proprietärer numerischer Bereiche zu vermeiden, charakterisiert die folgende Tabelle die typische Präsenz/Rolle jedes Elements.

Wie sich die Legierung auf das Verhalten auswirkt: - Kohlenstoff bestimmt hauptsächlich die erreichbare Härte nach Abschrecken und Anlassen und beeinflusst die Härtbarkeit. Höherer Kohlenstoff erhöht die potenzielle Härte und Verschleißfestigkeit, verringert jedoch die Zähigkeit und Schweißbarkeit. - Chrom erhöht die Härtbarkeit, Hochtemperaturfestigkeit und Oxidations-/Skalenbeständigkeit — wichtig für die Warmbearbeitung. - Molybdän und Vanadium bilden stabile Karbide, die den Widerstand gegen Anlassen (Erhalt der Härte nach Exposition gegenüber erhöhten Temperaturen) verbessern und den Widerstand gegen thermische Ermüdung beeinflussen. - Feine Dispersionen von Vanadiumkarbiden helfen, die Rissinitiierung und -wachstum unter zyklischer thermischer Belastung zu behindern.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostruktur: - Sowohl H11 als auch H13 werden verarbeitet, um eine angelassene martensitische Matrix mit dispergierten Legierungskarbid (Cr, Mo, V-Karbide) zu erzeugen. Das Abschrecken erzeugt Martensit; das Anlassen entlastet Spannungen und ermöglicht es den Karbiden, auszufällen und sich zu stabilisieren.

Reaktion auf Wärmebehandlung und -wege: - Normalisieren: Wird verwendet, um die Kornstruktur zu verfeinern und schwere Abschnitte vor dem Abschrecken zu homogenisieren. Hilft, eine gleichmäßige Härteantwort zu erzeugen. - Abschrecken: Typische Abschreckmedien sind Öl oder kontrolliertes Gas; die Austenitisierungstemperatur und die Abkühlrate steuern den endgültigen Martensitanteil und das zurückgehaltene Austenit. Beide Grade erfordern eine sorgfältige Kontrolle, um Rissbildung zu vermeiden. - Anlassen: Mehrere Anlaszyklen bei Temperaturen, die der Betriebstemperatur entsprechen, erzeugen das gewünschte Gleichgewicht von Härte, Zähigkeit und thermischer Stabilität. Anlassen stabilisiert Martensit und fällt Legierungskarbid (Mo, V, Cr) aus. - Thermo-mechanische Bearbeitung: Schmieden und kontrolliertes Walzen, gefolgt von Normalisieren, können die Korngröße verfeinern und die Zähigkeit verbessern; beide Stähle reagieren positiv auf solche Wege, erfordern jedoch kontrollierte Abkühlung, um die Härtbarkeit aufrechtzuerhalten.

Vergleichende Anmerkung: - Das Legierungsverhältnis von H13 ist optimiert, um eine höhere Härte bei erhöhten Temperaturen zu erhalten (besserer Widerstand gegen Anlassen), und seine Karbidverteilung begünstigt den Widerstand gegen thermische Ermüdung und Verschleiß bei Warmbearbeitungstemperaturen. - H11 ist etwas mehr auf Volumenzähigkeit und Duktilität abgestimmt, während es eine gute Warmfestigkeit aufrechterhält; seine Mikrostruktur kann für eine höhere Bruchzähigkeit in schweren, schlagfesten Warmformwerkzeugen abgestimmt werden.

4. Mechanische Eigenschaften

Die genauen Eigenschaften hängen stark von der Wärmebehandlung, der Abschnittsgröße und der Anlasstemperatur ab. Die folgende Tabelle gibt qualitative vergleichende Eigenschaften unter typischen abgeschreckten und angelassenen Warmarbeitsbedingungen an.

Interpretation: - H13 bietet im Allgemeinen eine überlegene Beibehaltung der Härte bei erhöhten Temperaturen und sehr guten Widerstand gegen thermische Ermüdung und Warmverschleiß. H11 bietet tendenziell eine etwas bessere Volumenbruchzähigkeit und Duktilität, was es attraktiv macht, wo mechanischer Schock und das Risiko katastrophaler Rissbildung höher sind.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit von Warmarbeitswerkzeugstählen ist im Vergleich zu niedriglegierten Stählen begrenzt — Vorwärmen, kontrollierte Interpass-Temperaturen und Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) sind in der Regel erforderlich, um Rissbildung zu vermeiden und die erforderlichen Eigenschaften wiederherzustellen.

Schlüsselfaktoren: - Kohlenstoff und effektive Härtbarkeit steuern die Anfälligkeit für Kaltverzug. Beide Grade haben mittleren Kohlenstoff und signifikante Legierung; sie gelten als „schweißbar mit Vorsichtsmaßnahmen“. - Mikrolegierung (Mo, V, Cr) erhöht die Härtbarkeit und erhöht das Risiko der Martensitbildung in der HAZ; dies erhöht das Rissrisiko ohne ordnungsgemäßes Vorwärmen und PWHT. - Die Verwendung von passenden oder überlegenen Füllmetallen und geeigneter PWHT ist für Reparaturschweißungen üblich, um Zähigkeit und Widerstand gegen Anlassen wiederherzustellen.

Nützliche empirische Formeln zur Bewertung der Schweißbarkeit: - Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Prädiktor für Kohlenstoff-Mangan-Äquivalent und Schweißrissanfälligkeit): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - Höhere $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte weisen auf ein höheres Risiko von harten, rissanfälligen martensitischen HAZ hin und damit auf strengere Vorwärm- und PWHT-Anforderungen. Sowohl H11 als auch H13 erfordern typischerweise mittlere bis hohe Vorwärmung und Nachschweißanlassen aufgrund ihres Legierungsgehalts.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder H11 noch H13 sind rostfreie Stähle; die Korrosionsbeständigkeit ist im Vergleich zu rostfreien Graden begrenzt. Zum Schutz gehören gängige Praktiken wie Lackieren, lösungsmittelbasierte Beschichtungen, Verzinkung (wo es für die Form des Teils geeignet ist) oder lokale Oberflächenbehandlungen.
• Oberflächenengineering-Optionen zur Verbesserung der Lebensdauer und Korrosions-/Verschleißbeständigkeit:
• Nitrieren oder ferritisches Nitrocarburieren (sorgfältige Prozesskontrolle erforderlich für Werkzeugstähle, um Überanlassen zu vermeiden).
• Hartverchromung oder PVD/CVD-Beschichtungen für Werkzeugoberflächen (verringert Haftung und Verschleiß).
• Thermische Spritzbeschichtungen für extreme Verschleiß- oder Oxidationsbeständigkeit.
• PREN (Pitting-Widerstandsäquivalenznummer) ist für nicht-rostfreie H11/H13 in der praktischen Auswahl nicht relevant: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index gilt für rostfreie Legierungen; typische Cr-Gehalte in H11/H13 sind unzureichend, um sie als korrosionsbeständige rostfreie Stähle zu kategorisieren.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Bearbeitbarkeit:
• Im geglühten/vorverarbeiteten Zustand lassen sich beide Grade mit Hartmetallwerkzeugen recht gut bearbeiten; die Bearbeitbarkeit verschlechtert sich nach der Wärmebehandlung (gehärteter Zustand).
• H13 kann aufgrund feiner Vanadiumkarbide etwas abrasiver auf Werkzeugen sein.
• Schleifen und EDM:
• Beide reagieren gut auf die elektrische Funkenerosion (EDM) für harte Werkzeuge, erfordern jedoch nachfolgendes Anlassen, um die Eigenschaften nach den durch EDM betroffenen Zonen wiederherzustellen.
• Formbarkeit:
• Kaltumformung ist begrenzt; Warmumformung und kontrolliertes Schmieden sind in der Stangen-/Schmiedeverarbeitung üblich. H11 kann bevorzugt werden, wenn vor der endgültigen Wärmebehandlung mehr Duktilität benötigt wird.
• Oberflächenveredelung:
• Beide akzeptieren konventionelles Schleifen, Polieren und Beschichten; bereiten Sie die Oberflächen sorgfältig vor, um Restspannungen zu vermeiden, die thermische Ermüdungsrisse fördern könnten.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie H13, wenn die Anwendung hohe Oberflächentemperaturen, wiederholte thermische Zyklen und abrasiven Kontakt umfasst — H13s Widerstand gegen Anlassen und Karbidstruktur verbessern die Lebensdauer unter thermischer Ermüdung und Verschleiß. - Wählen Sie H11, wenn das primäre Risiko mechanischer Schock, schwere Gesamtlasten oder wenn eine leicht höhere Duktilität/Zähigkeit erforderlich ist, um spröde Brüche zu vermeiden.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten:
• Sowohl H11 als auch H13 sind Handels-Warmarbeitswerkzeugstähle; die Preise variieren mit den globalen Legierungs-märkten. H13 wird weltweit häufiger verwendet, was es in einigen Märkten aufgrund von Skaleneffekten und der Reife der Lieferkette etwas wirtschaftlicher machen kann.
• Spezialvarianten oder vakuumgeschmolzene Premium-Stäbe erhöhen die Kosten für beide Grade.
• Verfügbarkeit nach Produktform:
• Beide sind leicht erhältlich in Stangen, Platten, Schmiedestücken und vorgehärteten Werkzeugrohlingen von großen Stahlhändlern. H13 hat tendenziell eine breitere industrielle Verfügbarkeit und ein größeres Ökosystem von Lieferanten sowie Schweiß-/Wärmebehandlungs-Know-how.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Empfehlung: - Wählen Sie H13, wenn Ihre Werkzeuge hohen Betriebstemperaturen, wiederholten thermischen Zyklen (thermische Ermüdung) ausgesetzt sind oder eine überlegene Warmverschleißbeständigkeit erfordern (z. B. Druckguss, Extrusion, Warmumformen). - Wählen Sie H11, wenn Ihre Anwendung eine höhere Volumenbruchzähigkeit und Duktilität priorisiert, um mechanischen Schock und schwere Stoßbelastungen zu widerstehen (z. B. große Schmiedewerkzeuge, die schweren Schlägen ausgesetzt sind), und wo eine leicht niedrigere Hochtemperaturhärte akzeptabel ist.

Letzte praktische Anmerkung: Für kritische Werkzeuge spezifizieren Sie klare Wärmebehandlungsverfahren (Vorwärmen, Austenitisierung, Abschreckmedium, Anlasstermin), berücksichtigen Sie die Auswirkungen der Abschnittsdicke und planen Sie die Wartung (Wiederaufbereitung, Schweißverfahren) mit Ihrem Wärmebehandler und Lieferanten. Probefahrten und die Überwachung früher Lebensdauerfehlerarten (thermische Ermüdungsrisse vs. mechanischer Bruch) sind entscheidend, um die Wahl des Grades in Ihrem spezifischen Prozess zu validieren.