Інструментальна сталь H13: ключові властивості для форм лиття під тиском

Коротко

Інструментальна сталь H13 — це 5% хром-молібденова гарячоробоча сталь, яку широко використовують для литтєвих форм завдяки її чудовому поєднанню високої міцності, виняткового опору термічному втомленню (утворенню гарячих тріщин) та здатності зберігати твердість при підвищених температурах. Ці властивості роблять її галузевим стандартом для лиття алюмінієвих, цинкових і магнієвих сплавів, забезпечуючи тривалий термін служби форми та стабільну якість виробів.

Розуміння інструментальної сталі H13: склад і основні характеристики

Інструментальна сталь H13 — це універсальна хром-молібденова гарячоробоча сталь, яка класифікується до серії H за класифікацією AISI. Вона є найпоширенішою гарячоробочною інструментальною сталью завдяки добре збалансованому складу сплаву, який забезпечує чудове поєднання властивостей для застосувань із великими навантаженнями та високими температурами. Її головною перевагою є здатність витримувати циклічне нагрівання та охолодження, притаманне процесам, таким як лиття під тиском, без передчасного виходу з ладу.

Продуктивність H13 безпосередньо пов'язана з його специфічним хімічним складом. Основні легуючі елементи — хром, молібден і ванадій — кожен з яких надає окремі та важливі переваги. Хром є необхідним для забезпечення міцності при високих температурах, твердості та стійкості до корозії. Молібден значно підвищує міцність і твердість сталі при підвищених температурах — властивість, відому як «твердість при нагріванні» або «червона твердість». Ванадій відіграє ключову роль у дрібненні структури зерна та утворенні твердих карбідів ванадію, що збільшує зносостійкість і загальну міцність. Саме цей синергетичний склад робить H13 таким стійким.

Характерною ознакою H13 є те, що це сталь, яка твердіє на повітрі. Як детально описано в посібнику від Aobo Steel , це означає, що його можна загартовувати охолодженням на повітрі після нагрівання до температури аустенітизації. Ця властивість є значною перевагою, оскільки мінімізує деформації та внутрішні напруження, які можуть виникнути при більш інтенсивних методах гартування рідинами, забезпечуючи кращу стабільність розмірів у складних формах матриць.

Типовий хімічний склад сталі H13

Точне співвідношення елементів має вирішальне значення для отримання бажаних властивостей H13. Хоча між виробниками існують незначні варіації, типовий склад такий:

Ключові властивості H13 для високоефективного лиття під тиском

Вимогливе середовище лиття під тиском потребує матеріал форми, здатний багаторазово витримувати екстремальні умови. Саме тому інструментальна сталь H13 є переважним матеріалом — її механічні та теплові властивості ідеально підходять для цього завдання. Циклічне вприскування розплавленого металу та наступне охолодження створюють величезне навантаження на форму, яке H13 спроектовано витримувати.

Найважливішими властивостями для застосування в литті під тиском є:

• Стійкість до термічного втомлення: Це, мабуть, найважливіша властивість для форм лиття під тиском. Постійне циклування між високими температурами (від розплавленого металу) та нижчими температурами (під час охолодження та виштовхування) створює термічні напруження, які можуть призвести до утворення мережі дрібних поверхневих тріщин, відомих як «термічне вигоряння». Склад H13 забезпечує винятковий опір виникненню і поширенню цих тріщин, значно подовжуючи термін служби прес-форми.
• Висока гаряча твердість (червона твердість): H13 зберігає свою твердість і міцність навіть при підвищених температурах, що виникають під час лиття. Ця «червона твердість» запобігає деформації, ерозії або м’якшенню порожнини прес-форми при контакті з розплавленим алюмінієм, цинком або магнієм, забезпечуючи точність розмірів виливків протягом багатьох циклів.
• Виняткова міцність та пластичність: Залиття під давленням включає високий тиск і механічні удари. H13 володіє вищою жорсткістю, що дозволяє поглинути енергію удару без розлому. Це запобігає катастрофічному збою штампування і має вирішальне значення для штампування з складними деталями або гострими кутами, які можуть діяти як концентратори напруги.
• Добра стійкість до зносу: Потік розплавленого металу може бути абразивним, поступово зношуючи поверхню фарбування. Тверді карбіди ванадію в мікроструктурі H13 забезпечують хорошу стійкість до цього ерозійного зносу, що допомагає зберегти поверхневу обробку штампу і отримані литі частини.

Важливим є баланс між твердістю і жорсткістю. Хоча дуже жорсткий штамп буде стійким до зносу, він може бути занадто крихким, щоб переносити механічні шоки відливки штампом. H13 забезпечує оптимальну рівновагу, як правило, термоочищена до твердості 4252 HRC для фарбування, що пропонує надійне поєднання зносостіжності та міцності на розлом. Для додатків, що вимагають максимальної продуктивності, високоякісні сорти, вироблені за допомогою електро-слайгового переплавлення (ESR) або вакуумного арку (VAR), пропонують ще більшу чистоту та однорідність, що ще більше підвищує жорсткість та довговічність.

Критична термоочистка сталі H13

Досягнення виняткових властивостей сталі для інструментів H13 повністю залежить від точного і ретельно контролюваного процесу теплової обробки. Неправильна термоочистка може зробити сталь занадто м'якою, дуже крихкою або з внутрішнім напруженням, що призводить до передчасного збиття. Процес включає кілька різних етапів, кожен з яких критичний для розробки остаточної мікроструктури та характеристик продуктивності.

Стандартна термоочистка H13 включає попереднє нагрівання, аустенізацію, гашення та загартову. Згідно з технічними даними Hudson Tool Steel (сталь для інструментів від Hudson) , для складних інструментів часто рекомендується подвійне попереднє нагрівання, щоб мінімізувати спотворення. Мета полягає в тому, щоб довести інструмент до рівномірної температури перед стадією твердження при високій температурі.

Основні кроки наступні:

1. Передгрівання: Інструмент повільно нагрівається до температури 1150-1250 ° F (621-677 ° C) і прирівнюється. Для складних деталей використовується друга попередня нагрівка до 1500-1600 ° F (816-871 ° C) перед переходом до остаточної температури закарчування.
2. Аустенізація (закарчання): Після попереднього нагріву сталь швидко нагрівається до своєї аустенізуючої температури, як правило, між 1800-1890 ° F (982-1032 ° C). Він тримається при цій температурі достатньо часу (накидання), щоб повністю перетворити його мікроструктуру в аустеніт.
3. Загартування: H13 гасить, щоб швидко охолодити його і перетворити аустеніт в мартензит, дуже жорстку і міцну мікроструктуру. Як сталь, що твердить повітря, це можна зробити в спокійному повітрі для секцій до 5 дюймів товщини. Для більш товстих секцій може знадобитися наполегливе повітря, газ під тиском або перерване гашення масла для досягнення повної твердості.
4. Загартоване: Це важливий останній крок, який виконується відразу після гасіння. Закаркана сталь крихка і містить високі внутрішні напруги. Загартування включає перегрівання сталі до нижчої температури, як правило, між 1000-1150 ° F (538-621 ° C), і тримання його протягом мінімум двох годин. Для H13 потрібен подвійний або навіть трикратний процес загартування. Ця процедура перетворює будь-який збережений аустеніт, зменшує внутрішнє напруження і створює потрібний баланс твердості та жорсткості.

Сумки теплової обробки

Зазвичай застосування та інструментарія для сталі H13

Хоча H13 є беззаперечним чемпіоном з типового лиття, його відмінний баланс властивостей робить його підходящим для широкого спектру інших гарячих робіт і навіть деяких холодних робіт. Його універсальність зробила його однією з найпопулярніших сталей для інструментів у виробництві. Здатність протистояти тепловій втомі, підтримувати міцність при високих температурах і поглинати удар робить його надійним вибором для багатьох складних сценаріїв роботи з інструментами.

Крім свого основного використання в литці на друк, H13 часто використовується в декількох інших ключових областях:

• Інструментація для екструзії: Використовується для розчинки, мандри і вкладки при екструзії алюмінію, латуні та інших нежелтих сплавів. Його твердість при гарячому появі запобігає зносу або деформації під величезним тиском і спекою процесу екструзії.
• Скривальні матриці: Для гарячого штампування H13 використовується для виготовлення матриць, які мають витримувати як великі ударні навантаження, так і екстремальні температури. Виготовлення високопродуктивних деталей, таких як ті, що використовуються в автомобільній промисловості, вимагає міцного й надійного інструментального оснащення. Компанії, що спеціалізуються в цій галузі, наприклад Shaoyi (Ningbo) Metal Technology , розраховують на високоякісні матриці для виробництва прецизійних штампованих деталей для автомобілебудування.
• Форми для ливарного лиття пластмас: Для форм, що виробляють велику кількість абразивних скловолоконних пластиків, H13 пропонує кращий опір зносу та міцність у порівнянні зі стандартними сталлю для форм. Його висока полірувальність також є суттєвою перевагою для виробництва деталей із високоякісною поверхнею.
• Інші застосування для гарячої роботи: H13 також використовується для гарячих ножів для зрізання, пуансонів і оправ, де важливий опір теплу та ударам.

Вибір H13 для конкретного застосування часто залежить від основної необхідної властивості, як зазначено в джерелах, таких як Diehl Steel . У таблиці нижче наведено відповідність поширених застосувань до основних властивостей H13, які роблять його доцільним вибором.

Поширені запитання

1. У чому різниця між інструментальною сталью H11 та H13?

H11 та H13 — це дуже схожі хромисті сталі гарячої роботи. Основна відмінність полягає в тому, що H13 містить більшу кількість ванадію (приблизно 1,00 % проти 0,40 % у H11). Збільшений вміст ванадію надає H13 трохи кращого опору зносу, твердості при високих температурах і стійкості до термічного тріщинування, що робить її загалом переважною для складніших застосувань, таких як лиття під тиском алюмінію.

2. Чи можна зварювати сталь H13?

Так, сталь H13 можна зварювати, зазвичай для ремонту матриць або форм. Однак потрібно дотримуватися обережних процедур, щоб уникнути утворення тріщин. Необхідним є правильний підігрів інструменту перед зварюванням та термічна обробка після зварювання (відпускання) для зняття напружень і відновлення властивостей матеріалу в зоні термічного впливу.

3. Яка типова твердість H13 для матриці лиття під тиском?

Для литих форм сталь H13 зазвичай піддають термообробці до твердості за шкалою Роквелла C (HRC) у межах від 42 до 52. Точне значення твердості є компромісом: більша твердість (наприклад, 50–52 HRC) забезпечує кращий опір зносу, але може бути трохи менш міцною, тоді як нижча твердість (наприклад, 42–46 HRC) забезпечує максимальну міцність і стійкість до утворення тріщин за рахунок певного зниження зносостійкості.