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

Введение

H13 (обозначение AISI/ASTM) и SKD61 (обозначение JIS) — два из самых часто задаваемых марок горячекатанных инструментальных сталей для работы при высоких температурах в мире. Инженерам, специалистам по закупкам и планировщикам производства часто приходится выбирать между ними при подборе штампов, форм и оснастки для горячей обработки — при этом учитываются такие параметры, как жаропрочность, срок службы, свариваемость и соответствие требованиям цепочки поставок. Основная дилемма выбора обычно сводится к предпочтению соблюдения стандартов и спецификаций (что влияет на сертификаты, допуски и критерии приемки) либо химического состава материала и технологии термообработки, которые определяют рабочие характеристики инструмента.

Обе марки химически и металлургически очень похожи; основное практическое различие заключается в стандартах, допустимых допусках и условиях поставки. Поскольку обе марки основаны на одной и той же концепции легирования (горячекатаная Cr–Mo–V инструментальная сталь), они часто взаимозаменяемы в эксплуатации, но не всегда взаимозаменяемы формально в рамках договоров с жесткими требованиями к сертификации и прослеживаемости по определенному стандарту.

1. Стандарты и обозначения

• H13: Распространенные обозначения и стандарты включают AISI H13, SAE J431 (исторический), ASTM A681 (прутки инструментальной стали), стандарты AMS (для аэрокосмических материалов), а также различные аналоги EN/ISO (часто обозначаются как X40CrMoV5-1 / 1.2344 в зависимости от точной спецификации и состояния поставки).
• SKD61: JIS G4404 (SKD61) — обозначение японского промышленного стандарта. Аналогичные материалы часто сопоставляются с AISI H13 или марками инструментальной стали по DIN/EN, но конкретные характеристики могут отличаться в зависимости от завода и спецификации.
• Классификация: H13 и SKD61 — горячекатаные инструментальные стали (легированные инструментальные стали), не являются нержавеющими и не относятся к высокопрочным низколегированным сталям (HSLA).

2. Химический состав и стратегия легирования

Элемент	Типичный диапазон H13 (мас. %)	Типичный диапазон SKD61 (мас. %)
C	0,32–0,45	0,32–0,45
Mn	0,20–0,60	0,20–0,50
Si	0,80–1,20	0,70–1,20
P	≤0,03 (следы)	≤0,03 (следы)
S	≤0,03 (следы)	≤0,03 (следы)
Cr	4,75–5,50	4,75–5,50
Ni	≤0,30	≤0,30
Mo	1,10–1,75	1,10–1,50
V	0,80–1,20	0,80–1,20
Nb, Ti, B, N	≤следы	≤следы

Примечания: - Диапазоны представлены типичными коммерческими значениями; точный состав зависит от стандарта и завода. SKD61 и H13 используют одну и ту же стратегию легирования: среднее содержание углерода для твердости и износостойкости, значительное количество хрома для жаропрочности и устойчивости к окислению, молибден и ванадий для вторичного упрочнения, прочности при повышенных температурах и равномерного распределения карбидов для износостойкости. - Незначительные различия между стандартами чаще всего касаются пределов по примесям, микроэлементам и допустимым отклонениям по составу, а не фундаментальной методики легирования.

Влияние легирующих элементов на свойства: - Углерод регулирует достигаемую твердость и износостойкость, но при этом повышает отпускную хрупкость и риск образования трещин. - Хром обеспечивает закаливаемость, жаропрочность и устойчивость к окислению. - Молибден улучшает сопротивление отпуску и способствует вторичному упрочнению. - Ванадий образует стабильные карбиды, увеличивающие износостойкость и обеспечивающие тонкое зерно, что повышает вязкость. - Кремний и марганец выступают в роли дейоксидантов и способствуют прочности; слишком большое содержание марганца может уменьшать вязкость.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры: - В отожженном или нормализованном состоянии: отпущенный мартенсит или баинитно-перлитная структура в зависимости от режима охлаждения; мягкоотожженные микроструктуры содержат карбиды, равномерно распределенные в ферритно-перлитной матрице, что улучшает обрабатываемость. - После стандартных циклов закалки и отпуска: матрица из отпущенного мартенсита с дисперсионными карбидами хрома, молибдена и ванадия, обеспечивающими высокую прочность и жаропрочность. Вторичное упрочнение за счет Mo и V повышает твердость после отпуска при типичных температурах для горячекатаных сталей. - SKD61 и H13 формируют по существу одинаковые микроструктурные составляющие при сходных режимах термообработки.

Маршруты термообработки и их влияние: - Нормализация: уменьшает размер исходного зерна аустенита и гомогенизирует микроструктуру; рекомендуется перед черновой обработкой крупных заготовок. - Закалка (аустенитизация и охлаждение): аустенитизация обычно проводится в диапазоне 1000–1050 °C (точная температура по спецификации), далее следует масло- или воздушное охлаждение в зависимости от размера сечения и требуемой вязкости. Образуется мартенсит и остаточный аустенит. - Отпуск: многократные циклы отпуска (обычно 2–3) применяются для снижения остаточных напряжений и формирования необходимой твердости с развитием вторичного упрочнения за счет карбидов молибдена и ванадия. Более высокие температуры отпуска снижают твердость, но повышают вязкость. - Термомеханическая обработка (для поковок и крупных штампов): контролируемые температуры ковки и субкритические отжиги снижают сегрегацию и улучшают распределение карбидов, что повышает вязкость и ресурсы усталостной прочности.

4. Механические свойства

Свойство	Типичный H13 (закаленный и отпущенный)	Типичный SKD61 (закаленный и отпущенный)
Временное сопротивление разрыву	~1000–1800 MPa (в зависимости от отпуска)	~1000–1800 MPa (схожий диапазон)
Предел текучести	~800–1500 MPa	~800–1500 MPa
Относительное удлинение (A%)	~5–12%	~5–12%
Ударная вязкость (Charpy V)	~15–45 Дж (зависит от твердости и отпуска)	~15–45 Дж (сопоставимо)
Твердость (HRC)	~40–52 HRC (типичный рабочий диапазон)	~40–52 HRC

Интерпретация: - Обе марки показывают схожие профили прочности и вязкости, так как используют одни и те же основные легирующие элементы. Компромисс между прочностью и вязкостью в первую очередь определяется содержанием углерода и режимом отпуска, а не маркировкой H13 или SKD61. - Вязкость улучшается за счет грамотной нормализации и отпуска, а также за счет уменьшения толщины сечения и правильной термообработки. - Практически существенное различие обычно не в механических свойствах как таковых, а в гарантированных условиях поставки, инструкциях по термообработке и критериях приемки, предусмотренных конкретным стандартом.

5. Свариваемость

Особенности свариваемости у обеих марок: - Для оценки риска холодных трещин и требований к предварительному и постнагреву используются показатели эквивалента углерода и эквивалентных составов. Распространенные эмпирические формулы включают:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

и

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

• Интерпретация: и H13, и SKD61 содержат умеренное количество углерода и значительное легирование (Cr, Mo, V), что повышает значения CE и $P_{cm}$. Это означает:
• Обычно требуется предварительный подогрев и контроль температуры между проходами для предотвращения холодных трещин, вызванных водородом.
• Возможно, потребуется последующая термообработка (PWHT) или отпуск для восстановления вязкости и снижения остаточных напряжений в ответственных конструкциях.
• Подбор присадочного материала должен соответствовать химическому составу и учитывать карбиды и склонность к вторичному упрочнению.
• Практические рекомендации: сварка возможна при соблюдении правильных процедур (низкоуглеродные электроды, подогрев, медленное охлаждение), но ремонт сваркой высоконагруженной горячекатаной оснастки требует металлургического контроля и последующих циклов отпуска.

6. Коррозионная стойкость и защита поверхности

• H13 и SKD61 не являются нержавеющими сталями; они не обладают значительной коррозионной стойкостью по сравнению с нержавеющими марками. За счет содержания хрома они лучше сопротивляются окислению и образованию окалины при повышенных температурах, чем обычные углеродистые стали, но не устойчивы в агрессивных или влажных химических средах.
• Распространённые методы защиты поверхности:
• Защитные покрытия PVD/CVD для повышения износостойкости и умеренной коррозионной защиты.
• Нитрование или карбонитрование поверхности для повышения твердости и улучшения стойкости к усталостному износу (следует учитывать остаточные напряжения и деформации).
• Покраска, эпоксидные покрытия или оцинковка для условий без высоких температур (оцинковка не применяется для рабочих поверхностей горячекатаных штампов).
• Формула PREN для нержавеющих сталей неприменима к H13/SKD61, но для полноты она выглядит так:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

Используйте PREN только для оценки устойчивости к точечной коррозии нержавеющих сталей; она не применяется к горячекатаным инструментальным сталям.

7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость

• Обрабатываемость: В отожженном состоянии обе стали обрабатываются достаточно хорошо; твёрдость и содержание карбидов в закалённом состоянии повышают износ инструмента. Карбидообразующие элементы (V, Mo) увеличивают абразивный износ, сокращая ресурс инструмента при высокоточной фрезеровке/сверлении без применения карбидного инструмента.
• Обформовываемость: Холодная деформация ограничена для закаленного материала. Заготовки в отожженном состоянии поддаются формованию; для изготовления больших штампов и поковок обычно применяются горячая ковка или горячее штамповое формование с последующей контролируемой термообработкой.
• Шлифование и ЭИМ (электроискровая обработка) являются стандартными операциями для обработки закалённых инструментов; ЭИМ часто используется для сложных полостей и ремонтных работ.
• Поверхностные обработки, такие как азотирование, могут снижать обрабатываемость и требуют корректировки финальных операций.

8. Типичные области применения

Типичные применения H13 (AISI)	Типичные применения SKD61 (JIS)
Инструменты для литья под давлением с горячей работой	Инструменты для литья под давлением с горячей работой
Штампы и вставки для горячей ковки	Штампы для горячего экструдирования и пуансоны
Лезвия и пуансоны горячего резания	Штампы для ковки и инструменты для литья под давлением
Сердечники пластиковых пресс-форм с высокими тепловыми циклами	Инструменты для горячей штамповки, работающие при высоких температурах
Термостойкие инструменты для алюминия и латуни	Компоненты прессов и штампов для горячей штамповки

Обоснование выбора: - Обе марки выбраны для инструментов горячей работы, где ключевыми требованиями являются стойкость к термической усталости, термическому размягчению и абразивному износу. - Выбор основывают на типе нагрузки, частоте циклов, рабочей температуре и требуемом ресурсе поверхности; металлургические характеристики аналогичны, поэтому зачастую решающими являются логистические и контрактные аспекты (спецификации, сертификация).

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: В целом аналогична на килограмм, поскольку химический состав и технологии обработки эквивалентны. Региональные рыночные факторы могут сделать SKD61 более экономичным в Азии, тогда как H13 (соответствующий ASTM/AMS) может быть предпочтительнее и более доступен в Северной Америке и Европе.
• Формы выпуска и наличие: Обе марки широко доступны в виде прутков, плит, поковок и предварительно закалённых блоков. Наличие специфических форм (крупных кованных блоков, шлифованных пластин) зависит от возможностей местных металлургических заводов и складских запасов.
• Сроки поставки: Указание конкретного стандарта (JIS против ASTM/AMS) может влиять на сроки и оформляемую документацию; для ответственных изделий рекомендуется заранее согласовывать сертификаты заводских испытаний и допустимые отклонения.

10. Итоги и рекомендации

Параметр	H13	SKD61
Свариваемость	Средняя; требует предварительного нагрева и последующей термообработки (PVHT)	Средняя; аналогичные меры предосторожности при сварке
Баланс прочности и вязкости	Высокая прочность с хорошей вязкостью после правильной термообработки	Эквивалентный баланс при аналогичной термообработке
Стоимость и доступность	Широко доступна глобально; предпочтительна в контекстах ASTM/AMS	Широко доступна, часто более выгодна в Азии; сертифицирована по JIS

Рекомендации: - Выбирайте H13, если ваши поставки, контракты или требования сертификации ориентированы на спецификации AISI/ASTM/AMS, или если процессы снабжения и инспекции построены на этих стандартах. Это рациональный выбор для Северной Америки и Европы, где документация и критерии приемки обусловлены H13/ASTM. - Выбирайте SKD61, если ваша закупка ориентирована на регион Японии или Азии, контрактные документы ссылаются на стандарты JIS, или требуется совместимость с документацией заводских испытаний на JIS. SKD61 может предложить преимущества по стоимости или срокам в этих регионах. - С функциональной точки зрения обе марки подходят при основных требованиях к горячей твёрдости, стойкости к термической усталости и износу — при этом всегда указывайте параметры термообработки, допускаемые диапазоны твёрдости и требуемые процедуры контроля для обеспечения соответствия инженерным требованиям.

Итоговое замечание: С точки зрения металлургических свойств H13 и SKD61 практически эквивалентны. Решающий фактор для многих промышленных пользователей — соответствие стандартам и связанная с этим документально-логистическая база и допуски, а не существенные отличия рабочей характеристики. При техническом задании на инструменты обязательно указывайте чёткие параметры термообработки, допустимые диапазоны твёрдости и процедуры ремонтной сварки, чтобы гарантировать предсказуемую эксплуатацию вне зависимости от марки стали — H13 или SKD61.