H13 против SKD61 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

H13 и SKD61 — это два наиболее широко используемых горячекатаных инструментальных сталей, применяемых для пресс-форм, матриц и инструментальных компонентов, подвергающихся высоким температурам, термическим циклам и абразивному износу. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с выбором между этими марками при спецификации материала для горячекованых пресс-форм, инструментов для литья под давлением, экструзионных матриц и горячих резаков. Решение часто балансирует между закаливаемостью, стойкостью к отпуску и термической усталостью с одной стороны и доступностью, стоимостью и местными наименованиями с другой.

Основное различие заключается в номенклатуре и происхождении стандартов: H13 — это обозначение в стиле AISI/ASTM, обычно используемое в Северной Америке и Европе, в то время как SKD61 — это обозначение JIS (Японский промышленный стандарт). Металлургически они являются функционально эквивалентными горячекатаным инструментальным сталям на основе хрома, молибдена и ванадия с близкими химическими составами и свойствами, но выбор может зависеть от небольших допустимых диапазонов состава, местных практик термообработки и доступности в цепочке поставок.

1. Стандарты и обозначения

• AISI/SAE / ASTM: H13 — общее западное обозначение для горячекатаной инструментальной стали.
• JIS: SKD61 — японское обозначение для эквивалента H13.
• DIN / EN: указаны в категории горячекатаных инструментальных сталей (типы хром-молибден-ванадий); обычно упоминаются в европейских спецификациях и стандартах для инструментальных сталей.
• GB (Китай): доступны по китайским национальным стандартам для горячекатаной инструментальной стали с эквивалентными химическими диапазонами.
• ISO: упоминается в международных классификациях инструментальных сталей как горячекатаная марка Cr-Mo-V.

Классификация: как H13, так и SKD61 являются инструментальными сталями (горячекатаная инструментальная сталь). Это легированные стали с намеренными добавками Cr, Mo и V для обеспечения закаливаемости, стойкости к отпуску и износостойкости при повышенных температурах.

2. Химический состав и стратегия легирования

Обе марки по сути эквивалентны по концепции легирования: среднее содержание углерода с умеренными добавками Cr, Mo и V для повышения закаливаемости, стойкости к отпуску и вторичной закалки. В таблице ниже показаны типичные диапазоны состава, обычно встречающиеся в стандартах и технических паспортах поставщиков.

Элемент	Типичный H13 (вт%)	Типичный SKD61 (вт%)
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	≤ 0.030	≤ 0.030
S	≤ 0.030	≤ 0.030
Cr	4.75 – 5.50	4.75 – 5.50
Ni	≤ 0.30	≤ 0.30
Mo	1.10 – 1.75	1.10 – 1.75
V	0.80 – 1.20	0.80 – 1.20
Nb/Ti/B/N	следы / обычно контролируемые	следы / обычно контролируемые

Как легирование влияет на характеристики: - Углерод: контролирует закаливаемость и максимальную твердость; более высокое содержание углерода увеличивает твердость и износостойкость, но снижает прочность и свариваемость. - Хром: увеличивает закаливаемость, износостойкость и стойкость к окислению при повышенных температурах. - Молибден: улучшает закаливаемость и прочность при высоких температурах (стойкость к отпуску). - Ванадий: улучшает карбиды и размер зерна, повышая износостойкость и прочность. - Кремний и марганец: модификаторы декарбонизации и прочности; избыточный марганец может образовывать хрупкие фазы при неконтролируемом содержании.

Небольшое микроалюминирование и следовые элементы (Nb, Ti, B) могут присутствовать в современных расплавах для контроля размера зерна и улучшения сквозной закалки; они обычно строго контролируются каждым стандартом и заводом.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры: - После прокатки/нормализации: закаленная мартенситная матрица с дисперсными легированными карбидами и возможным остаточным аустенитом в зависимости от обработки. - После закалки и отпуска: закаленный мартенсит с равномерно распределенными легированными карбидами (карбиды Cr, Mo, V). Вторичная закалка из-за осаждения карбидов во время отпуска является ключевой характеристикой для стойкости к отпуску при высоких температурах.

Маршруты термообработки и их эффекты: - Нормализация: улучшает размер зерна аустенита и снижает сегрегацию; типично для крупных кованых изделий и для получения однородной начальной структуры перед закалкой. - Закалка (масло или вакуум): аустенизация (типично 1000–1050 °C, в зависимости от размера сечения и стандарта), затем закалка для достижения мартенситной трансформации. Оба H13 и SKD61 реагируют аналогично; адекватный предварительный подогрев и контролируемое охлаждение минимизируют деформацию и трещины. - Отпуск: несколько циклов отпуска (обычно 2–3) при повышенных температурах отпуска (например, 500–600 °C) для достижения необходимой твердости и прочности. Обе марки демонстрируют вторичную закалку; выбор температуры отпуска балансирует твердость и прочность против стойкости к термической усталости. - Термомеханическая обработка: горячая ковка, за которой следует контролируемая нормализация, улучшает ударную прочность и снижает сегрегацию; финальная термообработка оптимизирует свойства.

Поскольку химические составы очень похожи, эволюция микроструктуры и реакция на термообработку фактически взаимозаменяемы, хотя индивидуальные практики термообработки поставщиков и эффекты размера нагрева могут приводить к измеримым различиям в конечных свойствах.

4. Механические свойства

Типичные диапазоны механических свойств показаны для закаленных и отпущенных условий, обычно используемых в инструментальных изделиях (значения являются ориентировочными; указывайте точные стандарты термообработки и испытаний при закупке материала).

Свойство	Типичный H13 (закаленный и отпущенный)	Типичный SKD61 (закаленный и отпущенный)
Устойчивость к растяжению (Rm)	1100 – 1600 МПа	1100 – 1600 МПа
Устойчивость к текучести (Rp0.2)	900 – 1400 МПа	900 – 1400 МПа
Удлинение (A%)	6 – 12%	6 – 12%
Ударная прочность (Charpy V-образный вырез)	10 – 40 Дж (зависит от твердости/термообработки)	10 – 40 Дж (зависит от твердости/термообработки)
Твердость (HRC)	40 – 55 HRC (типичный производственный диапазон)	40 – 55 HRC (типичный производственный диапазон)

Что сильнее, прочнее или более пластично? - У обеих марок нет внутреннего преимущества в прочности; обе предназначены для высокой твердости и стойкости к отпуску при повышенных температурах. Конечная прочность и прочность сильно зависят от точного содержания углерода, температуры термообработки, режима отпуска и размера сечения. - Прочность обычно уменьшается с увеличением твердости (более высокая температура отпуска снижает твердость, но увеличивает прочность). Обе марки следуют одной и той же зависимости. - На практике различия в прочности или пластичности между H13 и SKD61 обычно находятся в пределах вариабельности процесса и нагрева, а не являются присущими конкретному обозначению.

5. Свариваемость

Свариваемость горячекатаных инструментальных сталей ограничена содержанием углерода и закаливаемостью. Ключевые соображения: - Углеродный эквивалент: более высокие C, Cr, Mo, V повышают закаливаемость и восприимчивость к трещинам в зоне термического влияния. - Используйте предварительный подогрев, контроль температуры между проходами и отпуск после сварки, чтобы минимизировать трещины и холодные трещины, вызванные водородом.

Общие индексы свариваемости: - IIW углеродный эквивалент: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Индекс Pcm (Boehler): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Интерпретация (качественная): - Оба H13 и SKD61 демонстрируют схожие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ из-за почти идентичных химических составов; обе считаются умеренно сложными для сварки без специальной процедуры. - Рекомендуемая практика: контролируемый предварительный подогрев (часто 150–300 °C в зависимости от толщины), низководородные расходные материалы, контролируемая температура между проходами, обрабатывание, если необходимо, и отпуск после сварки для восстановления свойств.

6. Коррозия и защита поверхности

• H13 и SKD61 не являются нержавеющими сталями; их коррозионная стойкость ограничена. Выбор должен учитывать защиту поверхности и окружающую среду.
• Стратегии защиты поверхности:
• Защитные покрытия (PVD/CVD) для снижения износа, а не только коррозии.
• Гальванизация обычно не применяется для инструментов из инструментальной стали из-за температурных и адгезионных проблем.
• Покраска, смазка или хроматные преобразования для защиты при хранении.
• Локализованное нитрование или упрочнение поверхности могут повысить износостойкость и коррозионную стойкость, где это уместно; обратите внимание, что нитрование изменяет химический состав поверхности и может повлиять на поведение при усталости.
• PREN (эквивалентный номер стойкости к питтингу) применяется к нержавеющим маркам: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Это не применимо к H13/SKD61, поскольку они являются не нержавеющими инструментальными сталями и не полагаются на содержание Cr для формирования пассивной коррозионной пленки так, как это делают нержавеющие сплавы.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: в отожженном/смягченном состоянии эти стали обрабатываются с использованием карбидных инструментов; скорости резания и подачи должны быть консервативными по сравнению с низколегированными сталями. Закаленные H13/SKD61 требуют высокопроизводительных карбидных или керамических инструментов.
• Шлифовка и EDM: обе марки хорошо реагируют на шлифовку в инструментальных цехах и EDM; EDM обычно используется для создания сложных полостей и модификаций.
• Формование/гиб: ограничено при закалке; в смягченном состоянии возможны стандартные горячие и холодные процессы формования, но необходимо учитывать пружинение и упрочнение.
• Финишная обработка: из-за легированных карбидов возможно получение зеркальной полировки, но это может потребовать специализированных абразивов и более длительного времени цикла.

8. Типичные применения

H13 (AISI) — Типичные применения	SKD61 (JIS) — Типичные применения
Пресс-формы для литья под давлением (алюминий, цинк)	Пресс-формы для литья под давлением
Пресс-формы для ковки (падение, обжим)	Пресс-формы для ковки и инструменты для горячей экструзии
Экструзионные матрицы для высокотемпературных сплавов	Инструменты для экструзии и горячие резаки
Пресс-формы для горячей штамповки	Пресс-формы для горячей штамповки и горячего формования
Матрицы для инъекционного формования пластиков для высокотемпературных полимеров (выборочные применения)	Матрицы для инженерных пластиков и обработки композитов

Обоснование выбора: - Выбирайте эти марки, когда инструменты должны противостоять пластической деформации, сохранять твердость при повышенных температурах и противостоять термической усталости. Выбор между H13 и SKD61 обычно определяется региональной спецификацией или доступностью поставщика, а не различиями в производительности материала.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: H13 и SKD61 имеют сопоставимые затраты на сырье; рыночная цена варьируется в зависимости от региона, завода и формы поставки (круглый пруток, плита, кованый блок, предварительно закаленная плита). SKD61 может быть более доступен в Азии; обозначение H13 может быть более распространено в Северной Америке и Европе.
• Доступность: обе марки широко производятся и доступны от нескольких заводов в формах, включая прутки, плиты, кованые изделия и предварительно закаленные заготовки. Сроки поставки зависят от размера и состояния термообработки.
• Экономия на масштабе: покупка стандартных размеров прутков или предварительно закаленных плит обычно снижает стоимость по сравнению с индивидуальными коваными изделиями или небольшими партиями закаленных и отпущенных блоков.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы — качественное сравнение

Атрибут	H13	SKD61
Свариваемость	Умеренно сложная (требует процедуры)	Умеренно сложная (требует процедуры)
Баланс прочности и прочности	Высокая прочность с хорошей стойкостью к отпуску; компромисс с прочностью при более высокой твердости	Эквивалент: высокая прочность и стойкость к отпуску, аналогичные компромиссы
Стоимость и доступность	Широко доступен в Америке/Европе; общее название спецификации	Широко доступен в Азии; общее название спецификации JIS

Выводы и практические рекомендации: - Выбирайте H13, если вы указываете номенклатуру AISI/ASTM, закупаете у поставщиков или заводов, которые указывают материал как H13, или если инструменты будут производиться и обслуживаться в регионах, где H13 является стандартным термином. - Выбирайте SKD61, если вы работаете с спецификациями на основе JIS, закупаете у азиатских поставщиков или ваши заказы и документация по качеству ссылаются на SKD61 как на контрактную марку. - Для критических решений по инструментам сосредоточьтесь на: точных допусках состава, конкретных инструкциях по термообработке (графики аустенизации и отпуска), необходимых целевых значениях твердости и прочности, а также четких критериях приемки без разрушения или механических испытаний. Поскольку H13 и SKD61 металлургически эквивалентны, убедитесь, что закупка акцентирует внимание на состоянии термообработки, прослеживаемости и сертификатах завода, а не только на названии марки.

Если вам нужен образец спецификационного пункта или контрольный список для закупок, чтобы обеспечить эквивалентную производительность при замене названий (H13 ↔ SKD61) у разных поставщиков, я могу предоставить краткий, готовый к использованию шаблон.