H11 против H13 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

H11 и H13 — это два широко используемых инструментальных стали для горячей обработки в отраслях, которые требуют инструментов для работы при повышенных температурах, таких как литье под давлением, экструзия, ковка и горячая штамповка. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства регулярно сталкиваются с дилеммой выбора между немного различными компромиссами в производительности: прочность и устойчивость к термическому шоку против горячей твердости и долгосрочной устойчивости к термической усталости и износу. Выбор влияет на срок службы инструмента, интервалы обслуживания, параметры обработки (предварительный нагрев, отпуск) и общую стоимость владения.

Основное техническое различие между H11 и H13 заключается в их балансе прочности при высоких температурах и устойчивости к термическому циклу (термической усталости). H13, как правило, предпочитается там, где критически важны устойчивость к горячей твердости и термической усталости; H11 часто выбирается там, где требуется немного более высокая объемная прочность и пластичность, а также где приоритетом является устойчивость к растрескиванию под воздействием сильного механического удара. Эти различия обусловлены их стратегиями легирования и результатирующими микроструктурами после термообработки.

1. Стандарты и обозначения

• Общие международные стандарты и обозначения:
• AISI/SAE: H11, H13
• DIN/EN: 1.2343 (H11), 1.2344 (H13) — часто упоминается в европейской литературе
• JIS: SKD5, SKH? (варьируется в зависимости от страны и точного соответствия классов)
• GB (Китай): эквивалентные обозначения инструментальных сталей для горячей обработки

• ASTM/ASME: см. соответствующие спецификации инструментальных сталей и формы продукции

• Класс материала:

• Обе H11 и H13 являются инструментальными сталями, предназначенными для горячей обработки (инструментальная сталь для горячей обработки). Они не являются нержавеющими или HSLA. Они легированные, закаливаемые в воздухе или масле хромом–молибденом–ванадием, предназначенные для термической стабильности.

2. Химический состав и стратегия легирования

Точные проценты варьируются в зависимости от стандарта и производителя, но оба класса имеют общую стратегию легирования для горячей обработки — умеренное содержание углерода, значительное содержание хрома, а также молибдена и ванадия для обеспечения устойчивости к отпуску, закаливаемости и упрочнения карбидов. Чтобы избежать указания собственных числовых диапазонов, таблица ниже характеризует типичное присутствие/роль каждого элемента.

Как легирование влияет на поведение: - Углерод в первую очередь определяет достижимую твердость после закалки и отпуска и влияет на закаливаемость. Более высокий углерод увеличивает потенциальную твердость и устойчивость к износу, но снижает прочность и свариваемость. - Хром увеличивает закаливаемость, прочность при высоких температурах и устойчивость к окислению/окалине — важно для горячей обработки. - Молибден и ванадий образуют стабильные карбиды, которые улучшают устойчивость к отпуску (сохранение твердости после воздействия повышенных температур) и влияют на устойчивость к термической усталости. - Тонкие дисперсии карбидов ванадия помогают препятствовать началу и росту трещин под циклической термической нагрузкой.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичная микроструктура: - Оба H11 и H13 обрабатываются для получения закаленной мартенситной матрицы с дисперсными легированными карбидами (карбиды Cr, Mo, V). Закалка производит мартенсит; отпуск снимает напряжения и позволяет карбидам осаждаться и стабилизироваться.

Реакция на термообработку и маршруты: - Нормализация: используется для уточнения зернистой структуры и гомогенизации тяжелых секций перед закалкой. Помогает получить однородный ответ на твердость. - Закалка: типичными средами для закалки являются масло или контролируемый газ; температура аустенитизации и скорость охлаждения контролируют конечную долю мартенсита и оставшийся аустенит. Оба класса требуют тщательного контроля, чтобы избежать растрескивания. - Отпуск: несколько циклов отпуска при температурах, соответствующих рабочей температуре, обеспечивают желаемый баланс твердости, прочности и термической стабильности. Отпуск стабилизирует мартенсит и осаждает легированные карбиды (Mo, V, Cr). - Термомеханическая обработка: ковка и контролируемая прокатка, за которыми следует нормализация, могут уточнить размер зерна и улучшить прочность; обе стали положительно реагируют на такие маршруты, но требуют контролируемого охлаждения для поддержания закаливаемости.

Сравнительная заметка: - Баланс легирования H13 оптимизирован для сохранения более высокой твердости при повышенных температурах (лучше устойчивость к отпуску), а распределение карбидов благоприятствует устойчивости к термической усталости и износу при температурах горячей обработки. - H11 немного более ориентирован на объемную прочность и пластичность, сохраняя хорошую горячую прочность; его микроструктура может быть настроена для повышения прочности на разрушение в тяжелых ударах горячих ковочных матриц.

4. Механические свойства

Точные свойства сильно зависят от термообработки, размера сечения и температуры отпуска. Таблица ниже дает качественные сравнительные свойства при типичных условиях закалки и отпуска для горячей обработки.

Интерпретация: - H13, как правило, предлагает лучшее сохранение твердости при повышенных температурах и очень хорошую устойчивость к термической усталости и горячему износу. H11, как правило, обеспечивает немного лучшую объемную прочность на разрушение и пластичность, что делает его привлекательным там, где механический удар и риск катастрофического растрескивания выше.

5. Свариваемость

Свариваемость сталей для горячей обработки ограничена по сравнению с низколегированными сталями — обычно требуется предварительный нагрев, контролируемые температуры межпроходного шва и термообработка после сварки (PWHT), чтобы избежать растрескивания и восстановить необходимые свойства.

Ключевые факторы: - Углерод и эффективная закаливаемость контролируют восприимчивость к холодному растрескиванию. Оба класса имеют среднее содержание углерода и значительное легирование; они считаются «свариваемыми с предосторожностями». - Микролегирование (Mo, V, Cr) увеличивает закаливаемость и повышает риск образования мартенсита в зоне термического влияния (HAZ); это увеличивает риск растрескивания без надлежащего предварительного нагрева и PWHT. - Использование соответствующих или превышающих по характеристикам сварочных металлов и соответствующего PWHT является обычным для восстановительной сварки, чтобы восстановить прочность и устойчивость к отпуску.

Полезные эмпирические формулы для оценки свариваемости: - Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (предсказатель для эквивалента углерода-манганца и чувствительности к сварочным трещинам): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - Более высокие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ указывают на больший риск образования жесткой, подверженной трещинам мартенситной зоны HAZ и, следовательно, более строгие требования к предварительному нагреву и PWHT. Оба H11 и H13 обычно требуют промежуточного до высокого предварительного нагрева и постсварочного отпуска из-за их содержания легирующих элементов.

6. Коррозия и защита поверхности

• Ни H11, ни H13 не являются нержавеющими сталями; устойчивость к коррозии ограничена по сравнению с нержавеющими марками. Для защиты общие практики включают покраску, покрытия на основе растворителей, оцинковку (где это уместно для формы детали) или локальные обработки поверхности.
• Варианты инженерии поверхности для повышения срока службы и устойчивости к коррозии/износу:
• Нитрование или ферритное нитроцементирование (требуется тщательный контроль процесса для инструментальных сталей, чтобы избежать переотпуска).
• Хромирование или покрытия PVD/CVD для поверхностей инструментов (уменьшает прилипание и износ).
• Термические распылительные покрытия для экстремального износа или устойчивости к окислению.
• PREN (число эквивалентности устойчивости к образованию ямок) не имеет отношения к не нержавеющим H11/H13 в практическом выборе: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс применяется к нержавеющим сплавам; типичные уровни Cr в H11/H13 недостаточны для классификации их как коррозионно-устойчивых нержавеющих сталей.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость:
• В отожженном/предварительно обработанном состоянии оба класса обрабатываются достаточно хорошо с использованием карбидных инструментов; обрабатываемость ухудшается после термообработки (закаленное состояние).
• H13, с его микроструктурой, устойчивой к отпуску, может быть немного более абразивным для инструментов из-за мелких карбидов ванадия.
• Шлифовка и EDM:
• Оба хорошо реагируют на электродуговую обработку (EDM) для жестких инструментов, но требуют последующего отпуска для восстановления свойств после зон термического влияния EDM.
• Формуемость:
• Холодная формовка ограничена; горячая формовка и контролируемая ковка распространены в обработке прутков/ковки. H11 может быть предпочтительнее, когда требуется большая пластичность перед окончательной термообработкой.
• Обработка поверхности:
• Оба принимают обычную шлифовку, полировку и покрытие; тщательно подготавливайте поверхности, чтобы избежать остаточных напряжений, которые могут способствовать образованию трещин от термической усталости.

8. Типичные применения

Обоснование выбора: - Выбирайте H13, когда применение связано с высокими поверхностными температурами, повторяющимися термическими циклами и абразивным контактом — устойчивость H13 к отпуску и структура карбидов улучшают срок службы при термической усталости и износе. - Выбирайте H11, когда основной риск связан с механическим ударом, тяжелыми нагрузками или когда требуется немного большая пластичность/прочность, чтобы избежать хрупкого разрушения.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость:
• Обе H11 и H13 являются товарными сталями для горячей обработки; цены варьируются в зависимости от глобальных рынков легирования. H13 чаще используется по всему миру, что может сделать его немного более экономичным на некоторых рынках из-за масштаба и зрелости цепочки поставок.
• Специальные варианты или премиум-бруски вакуумного плавления увеличивают стоимость для любого класса.
• Доступность по форме продукции:
• Обе стали легко доступны в виде прутков, плит, ковок и предварительно закаленных заготовок от крупных дистрибьюторов стали. H13, как правило, имеет более широкую промышленную доступность и более крупную экосистему поставщиков и знаний по сварке/термообработке.

10. Резюме и рекомендации

Рекомендация: - Выбирайте H13, если ваши инструменты подвержены высоким рабочим температурам, повторяющимся термическим циклам (термическая усталость) или требуют превосходной устойчивости к горячему износу (например, литье под давлением, экструзия, горячая штамповка). - Выбирайте H11, если ваше применение приоритизирует более высокую объемную прочность на разрушение и пластичность для сопротивления механическому удару и тяжелым нагрузкам (например, большие матрицы для ковки, подверженные сильным ударам), и где немного более низкая высокая температура твердости приемлема.

Заключительная практическая заметка: для критически важных инструментов укажите четкие процедуры термообработки (предварительный нагрев, аустенитизация, среда закалки, график отпуска), учитывайте эффекты толщины сечения и планируйте обслуживание (восстановление, процедуры сварки) с вашим термообработчиком и поставщиком. Испытательные запуски и мониторинг ранних режимов отказа (трещины от термической усталости против механического разрушения) необходимы для подтверждения выбора класса в вашем конкретном процессе.