Инструментальная сталь H13: ключевые свойства для литейных форм горячего литья под давление

Краткое содержание

Инструментальная сталь H13 — это сталь для горячей обработки с содержанием 5% хрома и молибдена, широко используемая для изготовления пресс-форм в литье под давлением благодаря исключительному сочетанию высокой прочности, превосходной устойчивости к термической усталости (образованию трещин от тепла) и способности сохранять твердость при повышенных температурах. Эти характеристики делают её отраслевым стандартом для литья алюминиевых, цинковых и магниевых сплавов, обеспечивая более длительный срок службы пресс-форм и стабильное качество деталей.

Понимание инструментальной стали H13: состав и основные характеристики

Инструментальная сталь H13 — это универсальная хромомолибденовая сталь для горячей обработки, относящаяся к серии H по классификации AISI. Она является наиболее широко используемой инструментальной сталью для горячей работы благодаря сбалансированному легированию, обеспечивающему отличное сочетание свойств для применения в условиях высоких напряжений и высоких температур. Её главное преимущество заключается в способности выдерживать циклическое нагревание и охлаждение, присущее таким процессам, как литье под давлением, без преждевременного разрушения.

Эффективность H13 напрямую зависит от его конкретного химического состава. Ключевые легирующие элементы — хром, молибден и ванадий — каждый вносит особый и важный вклад. Хром необходим для обеспечения высокой прочности при повышенных температурах, твердости и коррозионной стойкости. Молибден значительно повышает прочность и твердость стали при высоких температурах — свойство, известное как «жаропрочность» или «красностойкость». Ванадий играет ключевую роль в измельчении зеренной структуры и образовании твердых карбидов ванадия, что увеличивает износостойкость и общую вязкость. Именно это синергетическое сочетание делает H13 настолько устойчивым.

Отличительной чертой H13 является то, что он представляет собой сталь, закаливающуюся на воздухе. Как подробно описано в руководстве от Aobo Steel , это означает, что он может закаляться при охлаждении на спокойном воздухе после нагрева до температуры аустенизации. Данная характеристика является важным преимуществом, поскольку минимизирует искажения и внутренние напряжения, которые могут возникать при более интенсивных методах закалки в жидких средах, обеспечивая лучшую размерную стабильность сложных форм матриц.

Типичный химический состав стали H13

Точное соотношение элементов имеет решающее значение для достижения требуемых свойств H13. Хотя между производителями существуют незначительные различия, типичный состав следующий:

Ключевые свойства H13 для высокопроизводительного литья под давлением

Требовательная среда литья под давлением требует материала пресс-формы, способного многократно выдерживать экстремальные условия. Инструментальная сталь H13 является предпочтительным материалом именно потому, что её механические и тепловые свойства идеально подходят для этих задач. Циклическая инъекция расплавленного металла с последующим охлаждением оказывает огромное напряжение на пресс-форму, и сталь H13 разработана так, чтобы выдерживать такие нагрузки.

Наиболее важными свойствами для применения в литье под давлением являются:

• Сопротивление термической усталости: Это, пожалуй, наиболее важное свойство для пресс-форм литья под давлением. Постоянное циклирование между высокими температурами (от расплавленного металла) и более низкими температурами (во время охлаждения и выталкивания) создает термические напряжения, которые могут привести к образованию сети мелких поверхностных трещин, известных как «термическое растрескивание». Состав H13 обеспечивает отличную стойкость к возникновению и распространению таких трещин, значительно продлевая срок службы пресс-формы.
• Высокая твердость при повышенных температурах (красностойкость): H13 сохраняет свою твердость и прочность даже при повышенных температурах, возникающих во время литья. Эта «красностойкость» предотвращает деформацию, эрозию или размягчение полости пресс-формы при контакте с расплавленным алюминием, цинком или магнием, обеспечивая точность размеров отливок в течение множества циклов.
• Высокая вязкость и пластичность: Литье под давлением связано с высокими давлениями и механическими ударами. H13 обладает превосходной вязкостью, что позволяет ему поглощать ударную энергию без разрушения. Это предотвращает катастрофический выход из строя пресс-формы и особенно важно для форм со сложными деталями или острыми углами, которые могут служить концентраторами напряжений.
• Хорошая износостойкость: Поток расплавленного металла может оказывать абразивное воздействие, постепенно разрушая поверхность пресс-формы. Твердые карбиды ванадия в микроструктуре H13 обеспечивают хорошую стойкость к этому эрозионному износу, что помогает сохранять качество поверхности пресс-формы и получаемых отливок.

Сочетание твердости и вязкости имеет ключевое значение. Хотя очень твердый инструмент будет устойчив к износу, он может оказаться слишком хрупким для восприятия механических ударов при литье под давлением. H13 обеспечивает оптимальный баланс, обычно подвергается термообработке до твердости 42–52 HRC для форм, что обеспечивает надежное сочетание стойкости к износу и сопротивления хрупкому разрушению. Для применений, требующих максимальной производительности, высококачественные марки, произведенные методом электрошлакового переплава (ESR) или дугового переплава в вакууме (VAR), обеспечивают еще большую чистоту и однородность, дополнительно повышая вязкость и долговечность при усталостных нагрузках.

Критический процесс термообработки для стали H13

Достижение исключительных свойств инструментальной стали H13 полностью зависит от точного и тщательно контролируемого процесса термической обработки. Неправильная термообработка может привести к тому, что сталь окажется слишком мягкой, слишком хрупкой или будет содержать внутренние напряжения, вызывающие преждевременное разрушение. Процесс включает в себя несколько отдельных этапов, каждый из которых имеет решающее значение для формирования конечной микроструктуры и эксплуатационных характеристик.

Стандартная последовательность термической обработки для H13 включает предварительный нагрев, аустенизацию, закалку и отпуск. Согласно техническим данным от Hudson Tool Steel , для сложных инструментов часто рекомендуется двойной предварительный нагрев с целью минимизации деформации. Цель состоит в том, чтобы довести инструмент до равномерной температуры перед этапом высокотемпературной закалки.

Основные шаги следующие:

1. Предварительный нагрев: Инструмент медленно нагревается до температуры 1150–1250 °F (621–677 °C) и выравнивается. Для сложных деталей перед переходом к конечной температуре закалки используется второй предварительный нагрев до 1500–1600 °F (816–871 °C).
2. Аустенизация (закалка): После нагрева сталь быстро нагревается до температуры аустенизации, как правило, между 1800–1890°F (982–1032°C). Затем её выдерживают при этой температуре в течение достаточного времени (выдержка), чтобы полностью превратить микроструктуру в аустенит.
3. Закалка: Сталь H13 подвергается закалке для быстрого охлаждения и превращения аустенита в мартенсит — очень твёрдую и прочную микроструктуру. Поскольку это сталь, закаливающаяся на воздухе, процесс может выполняться в неподвижном воздухе для сечений толщиной до 5 дюймов. Более толстые сечения могут требовать принудительного воздушного охлаждения, газа под давлением или прерывистой масляной закалки для достижения полной твёрдости.
4. Отпуск: Это важнейший заключительный этап, выполняемый сразу после закалки. Закаленная сталь является хрупкой и содержит высокие внутренние напряжения. Отпуск включает повторный нагрев стали до более низкой температуры, как правило, между 1000–1150°F (538–621°C), с выдержкой не менее двух часов. Для H13 крайне важна двойная или даже тройная процедура отпуска. Эта операция преобразует остаточный аустенит, снимает внутренние напряжения и обеспечивает окончательное требуемое соотношение твердости и вязкости.

Краткое описание термической обработки

Распространённые области применения и инструменты из стали H13

Хотя сталь H13 является безусловным лидером в производстве литейных форм для литья под давлением, её превосходное сочетание свойств делает её пригодной для широкого спектра других горячих работ, а также некоторых видов холодной обработки. Её универсальность сделала H13 одной из самых популярных инструментальных сталей в производстве. Способность противостоять термической усталости, сохранять прочность при высоких температурах и поглощать удары делает её надёжным выбором для множества сложных инструментальных задач.

Помимо основного использования в литье под давлением, сталь H13 часто применяется в нескольких других ключевых областях:

• Инструменты для экструзии: Используется для матриц, сердечников и втулок при экструзии алюминия, латуни и других цветных сплавов. Высокая твёрдость при нагреве предотвращает износ или деформацию матрицы под воздействием огромного давления и тепла в процессе экструзии.
• Штампы для ковки: Для горячей штамповки H13 используется при изготовлении матриц, которые должны выдерживать как высокие ударные нагрузки, так и экстремальные температуры. Производство деталей повышенной прочности, таких как те, что применяются в автомобильной промышленности, требует надежного и качественного инструмента. Компании, специализирующиеся в этой области, такие как Shaoyi (Ningbo) Metal Technology , используют высококачественные матрицы для производства прецизионных кованых деталей для автомобилей.
• Пресс-формы для литья пластмасс: Для форм, предназначенных для производства большого объема абразивных пластиков, наполненных стекловолокном, H13 обеспечивает превосходную износостойкость и вязкость по сравнению со стандартными инструментальными сталями для форм. Высокая полируемость также является значительным преимуществом при производстве деталей с высококачественной поверхностью.
• Другие применения в горячей обработке: H13 также используется для горячих ножей для резки, пуансонов и оправок, где решающее значение имеет устойчивость к теплу и ударам.

Выбор H13 для конкретного применения зачастую зависит от требуемого основного свойства, как указано в источниках, таких как Diehl Steel . В таблице ниже приведены типовые применения и ключевые свойства H13, которые делают его подходящим выбором.

Часто задаваемые вопросы

1. В чем разница между инструментальными сталями H11 и H13?

H11 и H13 — это очень похожие хромистые стали для горячей обработки. Основное различие заключается в том, что сталь H13 содержит больше ванадия (примерно 1,00 % против 0,40 % у H11). Повышенное содержание ванадия обеспечивает H13 несколько лучшую износостойкость, твердость при высоких температурах и сопротивление термоусталостному растрескиванию, что делает её предпочтительной для более сложных применений, таких как литье под давлением алюминия.

2. Можно ли сваривать сталь H13?

Да, сталь H13 можно сваривать, обычно для ремонта пресс-форм или литейных форм. Однако требуется соблюдение тщательной процедуры, чтобы избежать образования трещин. Обязательным является предварительный подогрев инструмента перед сваркой и последующая термообработка после сварки (отпуск), необходимые для снятия напряжений и восстановления свойств материала в зоне термического влияния.

3. Какова типичная твердость H13 для пресс-формы литья под давлением?

Для литейных форм сталь H13 обычно подвергается термообработке до твердости по шкале Роквелла C (HRC) в диапазоне от 42 до 52. Точное значение твердости является компромиссом: более высокая твердость (например, 50–52 HRC) обеспечивает лучшую износостойкость, но может быть немного менее прочной, тогда как более низкая твердость (например, 42–46 HRC) обеспечивает максимальную прочность и устойчивость к растрескиванию за счет некоторого снижения износостойкости.