H13 против H11 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
H13 и H11 — это два из самых широко используемых инструментальных сталей для горячей обработки в промышленности. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно рассматривают H11 и H13 при спецификации штампов, инструментов для горячей ковки, экструзионного инструмента или оборудования для литья под давлением, которые должны выдерживать высокие температуры, циклический термический шок и абразивное износ. Проблема выбора обычно заключается в компромиссе между прочностью при повышенных температурах и горячей твердостью с одной стороны и хрупкостью и устойчивостью к ударам/сколам при сильном механическом шоке с другой.
Основное практическое различие между этими марками заключается в их балансе прочности и вязкости при высоких температурах: H13 обычно специфицируется там, где первостепенное значение имеют горячая твердость, стойкость к отпуску и стойкость к термическому усталости (например, литье под давлением, экструзия), в то время как H11 часто выбирается там, где более важна улучшенная объемная вязкость при ударах и периодических высоконагруженных нагрузках. Обе марки являются сталями для горячей обработки с похожими базовыми химическими составами, но скромные различия в молибдене и обработке приводят к различному механическому поведению в эксплуатации.
1. Стандарты и обозначения
- Общие стандарты и обозначения:
- ASTM/ASME: A681 (определяет инструментальные стали AISI/UNS, включая H-серию)
- EN: EN X40CrMoV5-1 (эквивалент H13) и аналогичные номера EN для вариантов H11
- JIS: SKD61 (приблизительный эквивалент H13) и варианты SKD5/SKD9, иногда сравниваемые с H11
- GB (Китай): Сравнимые обозначения часто используются (например, прямые обозначения H13/H11 распространены)
- Классификация:
- Обе марки H13 и H11 классифицируются как стали для горячей обработки (легированные инструментальные стали). Они не являются нержавеющими сталями или HSLA; это углеродные легированные инструментальные стали, предназначенные для инструментов при повышенных температурах.
2. Химический состав и стратегия легирования
Типичные диапазоны состава (вес.%) для коммерчески специфицированных H13 и H11 (представительные диапазоны из общих технических листов и стандартов; точные значения зависят от стандарта и поставщика):
| Элемент | H13 (типичный вес.%) | H11 (типичный вес.%) |
|---|---|---|
| C | 0.32 – 0.45 | 0.32 – 0.45 |
| Mn | 0.20 – 0.50 | 0.20 – 0.50 |
| Si | 0.80 – 1.20 | 0.80 – 1.20 |
| P | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 4.75 – 5.50 | 4.75 – 5.50 |
| Ni | ≤ 0.30 (следы) | ≤ 0.30 (следы) |
| Mo | 1.10 – 1.75 | 0.80 – 1.20 |
| V | 0.80 – 1.20 | 0.60 – 1.20 |
| Nb (Cb) | следы | следы |
| Ti | следы | следы |
| B | следы | следы |
| N | следы | следы |
Как легирование влияет на свойства: - Углерод и хром в первую очередь определяют закаливаемость, способность к мартенситному закаливанию и реакцию на отпуск. - Молибден увеличивает закаливаемость, стойкость к отпуску (красная твердость) и способствует прочности при повышенных температурах — ключевая причина, по которой H13 (больший Mo) демонстрирует превосходную горячую твердость и стойкость к термической усталости. - Ванадий способствует упрочнению осаждением (VC), способствует вторичному упрочнению и стойкости к износу. - Кремний улучшает прочность и стойкость к окислению при высоких температурах. - Низкие уровни Mn, P, S и следовых микроалюминиевых элементов контролируют вязкость и чистоту.
3. Микроструктура и реакция на термическую обработку
Типичные микроструктуры: - В отожженном или нормализованном состоянии обе марки представляют собой закаленный мартенсит/ферритный матрикс с мелкими легированными карбидами (карбиды, содержащие Cr и V). Распределение карбидов и объемная доля зависят от C, Mo и V. - После закалки из достаточно высокой температуры аустенитизации (обычно 1000–1050 °C для этих марок) и последующего отпуска микроструктура представляет собой закаленный мартенсит с легированными карбидами и возможным оставшимся аустенитом, если был переотпущен или медленно охлажден.
Как общие термические процессы влияют на них: - Нормализация: Уточняет зернистую структуру; проводится перед окончательной закалкой для гомогенизации микроструктуры и устранения сегрегации. - Закалка и отпуск: Обе марки хорошо реагируют на традиционные циклы закалки и отпуска. Более высокий Mo в H13 увеличивает закаливаемость и повышает стойкость к отпуску (сохраненная твердость при более высоких температурах отпуска). H11 с немного меньшим Mo, как правило, достигает сопоставимой твердости, но может демонстрировать немного большую сохраненную вязкость после оптимизированного отпуска. - Термомеханическая обработка: Ковка и контролируемая прокатка перед нормализацией могут улучшить вязкость, разрушая крупные карбиды и уточняя размер зерна аустенита. Это часто используется для крупных штампов или тяжелого инструмента, чтобы максимизировать стойкость к разрушению.
Влияние на производительность: - Микроструктура H13 с большим содержанием Mo поддерживает более высокую красную твердость и стойкость к размягчению при повышенных рабочих температурах. - Микроструктура H11 может быть настроена (через отпуск и термомеханическую обработку) для максимизации объемной вязкости и устойчивости к распространению трещин.
4. Механические свойства
Типичные диапазоны свойств после закалки и отпуска (значения варьируются в зависимости от уровня отпуска и поставщика; указанные диапазоны являются представительными для общих условий термической обработки):
| Свойство | H13 (типичный диапазон) | H11 (типичный диапазон) |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение (МПа) | 1,000 – 1,900 | 900 – 1,700 |
| Предельная прочность (МПа) | 800 – 1,500 | 700 – 1,300 |
| Удлинение (%) | 6 – 12 | 6 – 14 |
| Ударная вязкость (Charpy V-образный, Дж) | 15 – 45 | 20 – 60 |
| Твердость (HRC, закаленный и отпущенный) | 40 – 54 | 40 – 52 |
Интерпретация: - Прочность: Обе марки могут достигать схожих высоких прочностей после правильной термической обработки, но H13 обычно выбирается, когда требуется более высокая сохраненная прочность при повышенных температурах. - Вязкость: H11 обычно демонстрирует несколько более высокую объемную вязкость и устойчивость к ударам в сопоставимых условиях твердости. Разница увеличивается, когда инструменты проектируются для тяжелых ударных нагрузок или повторяющихся механических воздействий. - Пластичность: Сравнима; H11 может показывать скромное преимущество в удлинении при разрушении в зависимости от отпуска и обработки.
5. Сварка
Сварка определяется углеродным эквивалентом и вкладом легирования в закаливаемость и восприимчивость к холодным трещинам.
Полезные эмпирические формулы: - Углеродный эквивалент (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (более чувствителен к тенденции к 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: - Обе марки H13 и H11 имеют умеренное содержание углерода и значительное легирование (Cr, Mo, V), что повышает закаливаемость; поэтому обе считаются умеренно сложными для сварки в неотпущенном состоянии. Обычно требуется предварительный подогрев, контроль температуры между проходами и термическая обработка после сварки (PWHT), чтобы избежать трещин. - Более высокий Mo в H13 и часто немного более высокий CE делают его немного более восприимчивым к закаливанию и трещинам в зоне термического влияния (HAZ), поэтому практика сварки должна быть более консервативной (больший подогрев, контролируемое охлаждение, PWHT). - H11, с немного меньшим содержанием Mo, немного легче сваривать, но все же требует стандартных мер предосторожности для инструментальных сталей (предварительный подогрев, низкий тепловой ввод, PWHT) и использования соответствующих или специализированных сварочных материалов.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни H13, ни H11 не являются нержавеющими; обе подвержены коррозии в влажной или коррозионной среде. Типичные методы защиты включают:
- Покраска или полимерные покрытия
- Химическая пассивация (ограниченная эффективность на этих легированных сталях)
- Локальная оцинковка редко используется для инструмента, так как покрытия могут повлиять на допуски и производительность.
- Поверхностная обработка (нитридирование, PVD-покрытия, керамические или DLC-покрытия) часто используется для улучшения износостойкости и коррозионной стойкости поверхности.
- PREN (эквивалентный номер стойкости к образованию ямок) имеет смысл только для нержавеющих сплавов; например: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс не применим к H11/H13, так как они являются не нержавеющими инструментальными сталями.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Обрабатываемость:
- В отожженном состоянии обе марки обрабатываются стандартными инструментами из быстрорежущей стали или карбида. H13, с немного большим содержанием Mo и большим количеством вторичных карбидов, может быть немного более абразивным для инструмента и может снижать срок службы инструмента по сравнению с H11 в эквивалентных условиях.
- При закалке обе марки сложно обрабатывать; EDM, шлифование и абразивная обработка являются типичными методами отделки.
- Формуемость:
- Горячая формовка (ковка) является стандартной практикой для крупных штампов. Обе марки хорошо реагируют на горячую обработку при соответствующих температурах и скоростях деформации.
- Холодная формовка ограничена из-за содержания углерода и риска трещин.
- Отделка:
- Обе марки принимают обработки для упрочнения поверхности (нитридирование, индукционная закалка для выборочных участков) и PVD/CVD покрытия. Лучшая стойкость к отпуску H13 делает его немного лучшей основой для покрытий, используемых при повышенных температурах.
8. Типичные применения
| H13 – Типичные применения | H11 – Типичные применения |
|---|---|
| Штампы для горячей ковки (прессовая ковка, штамповка), где критичны термическая усталость и горячая твердость | Тяжелые штампы для ковки и инструменты, где приоритетом являются объемная вязкость и устойчивость к механическим ударам |
| Инструменты для литья под давлением и сердечники (высокая термическая усталость, красная твердость) | Крупные штампы с толстыми секциями для ковки, где высок риск сколов и распространения трещин |
| Штампы для экструзии и ножи для резки, подвергающиеся воздействию повышенных температур | Лайнеры и инструменты для операций, подверженных ударам; применения, где важны ремонтопригодность и вязкость инструмента |
| Формы для горячей обработки пластика и резины при высоком термическом цикле | Применения, требующие большей устойчивости к катастрофическому хрупкому разрушению |
Обоснование выбора: - Выбирайте H13, когда повторное воздействие высоких температур, термические циклы и устойчивость к размягчению (стойкость к отпуску) являются доминирующими проблемами. - Выбирайте H11, когда эксплуатация включает тяжелые механические удары, большие поперечные сечения, подверженные внутренним напряжениям, или когда приоритетом является максимизация объемной вязкости при разрушении.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: H13 широко производится и хранится по всему миру; его более высокое содержание молибдена может сделать его немного дороже, чем H11 на основе килограмма, но цены зависят от поставщика и рынка. H11 может быть немного дешевле, если запасы и местное предложение этому способствуют.
- Доступность по форме продукта:
- Брусья, блоки, пластины, ковки и предварительно закаленные пластины обычно доступны для обеих марок. H13, возможно, является самой распространенной маркой для горячей обработки в мире, поэтому сроки поставки и разнообразие форм часто лучше для H13.
- Для крупных индивидуальных ковок сроки поставки зависят больше от термической обработки и кузнечных заводов, чем от базового материала.
10. Резюме и рекомендации
| Критерий | H13 | H11 |
|---|---|---|
| Сварка (относительная) | Умеренная–сложная (требует предварительного подогрева, PWHT) | Умеренная (немного легче, чем H13, но все еще требует осторожности) |
| Прочность – горячая твердость | Высокая (лучшая красная твердость, стойкость к отпуску) | Хорошая (немного ниже прочность при повышенных температурах) |
| Вязкость – устойчивость к ударам/сколам | Хорошая | Лучше (как правило, более высокая объемная вязкость при разрушении) |
| Стоимость | Умеренная–выше (из-за содержания Mo) | Умеренная–ниже (часто немного дешевле) |
Рекомендации: - Выбирайте H13, если: - Ваш инструмент работает при повышенных температурах в течение длительных циклов и требует хорошей красной твердости и устойчивости к термическому размягчению (например, литье под давлением, экструзия, горячая резка). - Термическая усталость и устойчивость к размягчению при циклическом нагреве являются основными режимами разрушения. - Выбирайте H11, если: - Инструмент или штамп подвергается сильным механическим ударам, ударам или когда предотвращение хрупкого разрушения и сколов является первоочередной задачей (крупные штампы для ковки, инструменты, подверженные ударам). - Вы ставите приоритет на вязкость при разрушении и легкость ремонта выше максимальной сохраненной твердости при высоких температурах.
Заключительная заметка: Практическая производительность любой марки сильно зависит от качества поставки, чистоты, предыдущей термомеханической обработки и точного графика термической обработки. Для критически важных инструментов указывайте требуемую вязкость, допустимый диапазон твердости и любую практику термической обработки после сварки в документах на закупку и консультируйтесь с поставщиками стали для получения сертификатов завода и рекомендованных термических циклов, адаптированных к применению.