Acero para Moldes de Fundición a Presión para Trabajo en Caliente H13 Placa de Acero

H13 es un acero para matrices de trabajo en caliente, estándar de ejecución GB/T1299—2000. Código digital unificado T20502; grado 4Cr5MoSiV1; acero para herramientas de aleación, abreviado como acero para herramientas de aleación, es un tipo de acero formado al agregar elementos de aleación al acero para herramientas de carbono. Entre ellos, el acero para herramientas de aleación incluye: acero para herramientas de medición y corte, acero para herramientas resistentes al impacto, acero para matrices de trabajo en frío, acero para matrices de trabajo en caliente, acero para matrices no magnéticas, acero para matrices de plástico.

C0.32~0.45，

Si0.80~1.20，

Mn0.20~0.50，

Cr4.75~5.50，

Mo1.10~1.75，

V0.80~1.20，

p≤0.030，

S≤0.030；

El acero para matrices H13 se utiliza para fabricar matrices de forja con grandes cargas de impacto, matrices de extrusión en caliente, matrices de forja de precisión; y matrices de fundición a presión para aluminio, cobre y sus aleaciones.

Es un acero para matrices de trabajo en caliente de endurecimiento al aire H13 introducido desde Estados Unidos. Sus propiedades, usos y el acero 4Cr5MoSiV son básicamente los mismos, pero debido a que su contenido de vanadio es mayor, su rendimiento a temperatura media (600 grados) es mejor que el del acero 4Cr5MoSiV. Es un grado de acero representativo con aplicaciones muy amplias en el acero para matrices de trabajo en caliente.

Placa de acero para moldes H13　ancho (210-610) * espesor (6-80)　laminada en caliente

Tubo de acero para moldes H13 diámetro exterior (6-219)*espesor de pared (0.5-25)

Lingote de acero para moldes H13　lingote electroescoria 0.35T　0.5T　0.75T　1.0T

1.5T 1.8T 2.0T 2.2T 2.8T （3.0-8.0）T

(Condición de entrega: Dureza Brinell HBW10/3000 (menor o igual a 235))

Templado: Precalentar a 790 grados ± 15 grados

1000 grados (baño de sal) o 1010 grados (atmósfera controlada en horno) ±6 grados de calentamiento

Retención de calor 5~15 min enfriado por aire

Templado recocido de 550 grados ± 6 grados, trabajo en caliente;

Acero refundido por electroescoria, este acero tiene alta templabilidad y resistencia a la fisuración en caliente, este acero contiene un contenido relativamente alto de carbono y vanadio, tiene buena resistencia al desgaste y tenacidad relativamente reducida, tiene buena resistencia al calor, tiene mejor resistencia y dureza a temperaturas más altas, tenacidad de alta resistencia al desgaste, excelentes propiedades mecánicas integrales y estabilidad de resistencia al revenido relativamente alta.

El contenido de carbono en el acero determina la dureza de la matriz del acero templado. Según la curva de relación entre el contenido de carbono y la dureza del acero templado, el acero para herramientas H13 tiene una dureza templada de alrededor de 55 HRC. Para el acero para herramientas, parte del carbono entra en la matriz del acero, causando endurecimiento por solución sólida. Otra parte del carbono se combinará con elementos formadores de carburos entre los elementos de aleación para formar carburos de aleación. Para el acero para moldes de trabajo en caliente, además de una pequeña cantidad de residuo, estos carburos de aleación también deben dispersarse y precipitarse en la matriz martensítica templada durante el revenido, produciendo un fenómeno de endurecimiento secundario. Por lo tanto, el rendimiento del acero para moldes de trabajo en caliente está determinado por los carburos de aleación residuales distribuidos uniformemente y la estructura martensítica revenida. De esto se puede ver que el contenido de C en el acero no puede ser demasiado bajo.

1. Tratamiento térmico previo El acero H13 y las piezas en bruto para matrices suministradas en el mercado han sido recocidos y tratados térmicamente en la acería para garantizar una buena estructura metalográfica, dureza adecuada y buena procesabilidad, por lo que no se requiere ningún recocido adicional. Sin embargo, la reformación por el fabricante destruyó la estructura y el rendimiento originales, aumentó el esfuerzo de forja y se realizó un recocido.

El proceso de recocido esferoidizante isotérmico es el siguiente: calentamiento a 860-890 °C durante 2 horas, enfriamiento a 740-760 °C durante 4 horas y luego enfriamiento a aproximadamente 500 °C antes de retirar del horno.

2. El temple y revenido requieren especificaciones de proceso de temple de moldes con buena tenacidad: temperatura de calentamiento 1020 ~ 1050 ℃, enfriamiento en aceite o enfriamiento al aire, dureza 54 ~ 58HRC; especificaciones de proceso de temple de moldes que requieren alta dureza en caliente como principal, temperatura de calentamiento 1050 ~ 1080 ℃, enfriamiento en aceite, dureza 56 ~ 58HRC.

Temperatura de revenido recomendada: 530~560℃, dureza 48~52HRC; temperatura de revenido 560~580℃; dureza 47~49HRC.

El revenido debe hacerse dos veces. Al revenir a 500℃, aparece un pico de endurecimiento secundario, la dureza de revenido es alta, el valor pico es de aproximadamente 55HRC, pero la tenacidad es pobre. Por lo tanto, el proceso de revenido debe evitar alrededor de 500℃. Según los requisitos de uso del molde, es mejor revenir en el rango de 540～620℃.

El calentamiento para el temple debe precalentarse dos veces (600-650℃, 800-850℃) para reducir el estrés térmico generado durante el proceso de calentamiento.

3. Tratamiento térmico químico Si el acero H13 se somete a nitruración gaseosa o nitrocarburación, el molde se puede fortalecer aún más, pero su temperatura de nitruración no debe exceder la temperatura de revenido para asegurar que la resistencia del núcleo no disminuya, mejorando así la vida útil del molde.

El acero H13 es un tipo de acero C-Cr-Mo-Si-V, su aplicación es extremadamente común en el mundo, y académicos de varios países han realizado una investigación exhaustiva sobre él y han explorado mejoras en su composición química. La amplia aplicación y las excelentes propiedades del acero están determinadas principalmente por su composición química. Por supuesto, reducir los elementos de impureza en el acero es beneficioso. Los datos muestran que cuando Rm es 1550 MPa, reducir el contenido de azufre del material de 0.005% a 0.003% aumentará la tenacidad al impacto en aproximadamente 13 J. Es muy claro que la norma NADCA 207-2003 estipula: el acero H13 de primera calidad tiene un contenido de azufre inferior al 0.005%, mientras que el acero H13 superior debe tener menos del 0.003% de S y 0.015% de P. A continuación, se analiza la composición del acero H13.

Carbono: El contenido de carbono del acero estadounidense AISI H13, UNS T20813, ASTM (versión nueva) H13 y FED-T-570 H13 se especifica como (0.32~0.45)%, que es el rango más amplio de contenido de carbono entre todos los aceros H13. El contenido de carbono del alemán X40CrMoV5-1 y 1.2344 es (0.37~0.43)%, que es un rango más estrecho. El DIN17350 alemán también tiene X38CrMoV5-1 con un contenido de carbono de (0.36~0.42)%. El contenido de carbono del japonés SKD 61 es (0.32~0.42)%. El contenido de carbono de 4Cr5MoSiV1 y SM 4Cr5MoSiV1 en la norma GB/T 1299 y YB/T 094 de mi país es (0.32~0.42)% y (0.32~0.45)%, respectivamente, que es el mismo que SKD61 y AISI H13. Cabe señalar especialmente que el contenido de carbono del acero H13 en las normas de la North American Die Casting Association NADCA 207-90, 207-97 y 207-2003 se especifica como (0.37~0.42)%.

El acero H13 que contiene 5% de Cr debe tener alta tenacidad, por lo que su contenido de C debe mantenerse en un nivel que forme una pequeña cantidad de carburos de aleación. Woodyatt y Krauss señalaron que en el diagrama de fases ternario Fe-Cr-C a 870℃, la posición del acero H13 está preferentemente en el límite de las regiones trifásicas de austenita A y (A+M3C+M7C3). El contenido de C correspondiente es aproximadamente 0.4%. La figura también marca las posiciones de los aceros A2 y D2, que tienen mayor resistencia al desgaste debido a cantidades aumentadas de C o Cr, a modo de comparación. Adicionalmente, es importante que mantener un contenido de C relativamente bajo mantenga el punto Ms del acero en un nivel de temperatura relativamente alto (el Ms del acero H13 generalmente se introduce como alrededor de 340℃), para que el acero obtenga una estructura de martensita principalmente con una pequeña cantidad de austenita retenida y carburos de aleación distribuidos uniformemente al templarlo a temperatura ambiente, y una estructura uniforme de martensita revenida después del revenido. Esto evita la transformación de un exceso de austenita retenida a temperaturas de trabajo, lo que afectaría el rendimiento de trabajo o la deformación de la pieza de trabajo. Estas pequeñas cantidades de austenita retenida deben transformarse completamente durante los dos o tres procesos de revenido después del temple. También se observa aquí que la estructura de martensita obtenida después de templar el acero H13 es martensita en láminas + una pequeña cantidad de martensita en placas + una pequeña cantidad de austenita retenida. Los carburos de aleación muy finos precipitados sobre la martensita en láminas después del revenido también han sido estudiados por académicos nacionales hasta cierto punto.

Como todos sabemos, aumentar el contenido de carbono en el acero mejorará la resistencia del acero. Para el acero para matrices de trabajo en caliente, aumentará la resistencia a alta temperatura, la dureza en caliente y la resistencia al desgaste, pero conducirá a una disminución de su tenacidad. Los estudiosos en la literatura del manual de productos de acero para herramientas han demostrado claramente este punto comparando las propiedades de varios aceros tipo H. Generalmente se cree que el límite de contenido de carbono que conduce a una disminución de la plasticidad y la tenacidad del acero es del 0.4%. Por lo tanto, se requiere que las personas sigan el siguiente principio en el diseño de aleaciones de acero: el contenido de carbono del acero debe reducirse tanto como sea posible manteniendo la resistencia. Algunos datos han propuesto que cuando la resistencia a la tracción del acero alcanza por encima de 1550MPa, el contenido de C debe estar en el rango de 0.3%-0.4%. La resistencia Rm del acero H13 se introduce en alguna literatura como 1503.1MPa (a 46HRC) y 1937.5MPa (a 51HRC).

Según la información de FORD y GM, el contenido de C en los aceros TQ-1, Dievar y ADC3 recomendados es 0.39% y 0.38%, etc. Los indicadores de tenacidad correspondientes se enumeran en la Tabla 1, y las razones se pueden ver a partir de esto.

Para acero para matrices de trabajo en caliente que requiere mayor resistencia, el método utilizado es aumentar el contenido de Mo o aumentar el contenido de carbono basado en la composición del acero H13, lo cual se discutirá más adelante. Por supuesto, se espera una ligera disminución en la tenacidad y la plasticidad.

2.2 Cromo: El cromo es un elemento de aleación común y económico en los aceros para herramientas aleados. En los Estados Unidos, los aceros para matrices de trabajo en caliente tipo H contienen Cr en el rango de 2%~12%. En los aceros para herramientas aleados de China (GB/T1299), los 37 grados de acero, excepto 8CrSi y 9Mn2V, contienen Cr. El cromo tiene efectos beneficiosos sobre la resistencia al desgaste, la resistencia a alta temperatura, la dureza en caliente, la tenacidad y la templabilidad del acero. Al mismo tiempo, se disuelve en la matriz y mejora significativamente la resistencia a la corrosión del acero. En el acero H13, la presencia de Cr y Si hace que la película de óxido sea densa, mejorando así la resistencia a la oxidación del acero. Además, analizando el efecto del Cr en el rendimiento al revenido del acero 0.3C-1Mn, añadir <6% de Cr es beneficioso para mejorar la resistencia al revenido del acero pero no constituye endurecimiento secundario; cuando el acero contiene >6% de Cr, se producirá un efecto de endurecimiento secundario al revenir a 550℃ después del temple. Generalmente, se elige una adición de cromo del 5% para los aceros para matrices de trabajo en caliente.

Parte del cromo en el acero para herramientas se disuelve en el acero para desempeñar un papel en el fortalecimiento por solución sólida, y la otra parte se combina con el carbono para existir en forma de (FeCr)3C, (FeCr)7C3 y M23C6 según el contenido de cromo, afectando así el rendimiento del acero. Además, también se debe considerar la interacción de los elementos de aleación. Por ejemplo, cuando el acero contiene cromo, molibdeno y vanadio, Cr>3%Cuando, Cr puede prevenir la formación de V4C3 y posponer la precipitación coherente de Mo2C, V4C3 y Mo2C son fases de fortalecimiento que mejoran la resistencia a alta temperatura y la resistencia al revenido del acero.^[14], esta interacción mejora el rendimiento de resistencia al calor del acero.

El cromo se disuelve en la austenita del acero y aumenta la templabilidad del acero. El Cr, Mn, Mo, Si y Ni son todos elementos de aleación que aumentan la templabilidad del acero, de manera similar al Cr. La gente está acostumbrada a caracterizar este efecto utilizando factores de templabilidad. Generalmente, los datos nacionales existentes [15] solo aplican los datos de Grossmann et al. Posteriormente, el trabajo adicional de Moser y Legat [16,22] propuso determinar el diámetro básico de templabilidad Dic basándose en el contenido de carbono y el tamaño de grano de la austenita, y los factores de templabilidad determinados por el contenido de elementos de aleación (mostrados en la Figura 3) para calcular el diámetro crítico ideal Di del acero aleado. También se puede calcular aproximadamente a partir de la siguiente fórmula: 　Di=Dic×2.21Mn×1.40Si×2.13Cr×3.275Mo×1.47Ni (1) 　En la fórmula (1), el contenido de cada elemento de aleación se expresa como un porcentaje en masa. A partir de esta fórmula, la gente tiene una comprensión semi-cuantitativa bastante clara de la influencia de los elementos Cr, Mn, Mo, Si y Ni en la templabilidad del acero.

El efecto del Cr en el punto eutectoide del acero es aproximadamente similar al del Mn. Con un contenido de cromo de alrededor del 5%, el contenido de carbono en el punto eutectoide disminuye a alrededor del 0.5%. Además, la adición de Si, W, Mo, V y Ti reduce aún más significativamente el contenido de carbono en el punto eutectoide. De esto, se puede saber que el acero para matrices de trabajo en caliente y el acero de alta velocidad, como otros tipos de acero, pertenecen al acero hipereutectoide. La reducción en el contenido de carbono eutectoide aumentará el contenido de carburos de aleación en la estructura después de la austenización y en la estructura subsiguiente.

El comportamiento de los carburos de aleación en el acero está relacionado con su propia estabilidad. De hecho, la estructura, la estabilidad y el grado de deficiencia electrónica de la capa d y la capa s de electrones de los elementos formadores de carburos correspondientes están relacionados [17]. A medida que disminuye el grado de deficiencia electrónica, el radio atómico del átomo metálico disminuye, la relación del radio atómico del carbono al elemento metálico rc/rm aumenta, y el carburo de aleación cambia de una fase intersticial a un compuesto intersticial. La estabilidad del carburo se debilita, su temperatura de fusión y temperatura de disolución correspondientes en A disminuyen, el valor de su energía libre de formación disminuye y el valor de dureza correspondiente disminuye. El carburo VC, que tiene una red cúbica centrada en las caras, tiene alta estabilidad y comienza a disolverse a una temperatura de aproximadamente 900~950℃, y se disuelve en grandes cantidades por encima de 1100℃ (la temperatura de finalización de la disolución es 1413℃) [17]; precipita durante el revenido a 500~700℃, no es propenso a la agregación y el crecimiento, y puede servir como fase de fortalecimiento en el acero. Los carburos M2C y MC formados por elementos formadores de carburos moderados W y Mo tienen redes hexagonales simples y de empaquetamiento compacto, y su estabilidad es algo menor. También tienen alta dureza, punto de fusión y temperatura de disolución, y aún pueden servir como fases de fortalecimiento para aceros utilizados en el rango de 500~650℃. M23C6 (como Cr23C6, etc.) tiene una red cúbica compleja y una estabilidad aún menor. Su fuerza de enlace es débil, y su punto de fusión y temperatura de disolución son bajos (se disuelve en A a 1090℃). Solo en algunos aceros resistentes al calor después de una aleación completa tiene mayor estabilidad (como (CrFeMoW)23C6, que puede servir como fase de fortalecimiento). M7C3 (como Cr7C3, Fe4Cr3C3 o Fe2Cr5C3), que tiene una estructura hexagonal compleja, tiene una estabilidad aún menor. Al igual que los carburos tipo Fe3C, es muy fácil de disolver y precipitar y tiene una gran tasa de agregación y crecimiento, generalmente no adecuado como fase de fortalecimiento a alta temperatura [17].

Todavía podemos entender fácilmente las fases de carburo de aleación en el acero H13 a partir del diagrama de fases ternario Fe-Cr-C. Según las secciones isotérmicas del sistema Fe-Cr-C a 700℃[18~20] y 870℃[9], para el acero que contiene 0.4%C, aparecerán carburos de aleación tipo (FeCr)3C (M3C) y (CrFe)7C3 (M7C3) a medida que aumenta el contenido de Cr. Tenga en cuenta que en el diagrama de 870℃, M23C6 solo aparece cuando el contenido de Cr es superior al 11%). Además, según la sección vertical del sistema ternario Fe-Cr-C al 5% de Cr, para el acero que contiene 0.40%C en estado recocido, existen fase α (aproximadamente 1% de Cr en solución sólida) y carburo de aleación (CrFe)7C3. Cuando se calienta por encima de 791℃, se forma austenita A y entra en la región trifásica (α+A+M7C3), alrededor de 795℃ entra en la región bifásica (A+M7C3), y alrededor de 970℃, (CrFe)7C3 desaparece, entrando en la región monofásica A. Cuando el contenido de carbono en la matriz es <0.33%, la región trifásica (M7C3+M23C6+A) solo existe alrededor de 793℃, y a 796℃ entra en la región (A+M7C3) (al 0.30%C), que persiste hasta la fase líquida. El M7C3 residual en el acero tiene el efecto de inhibir el crecimiento de los granos A. Nilson propuso que para la aleación con una composición de 1.5%C-13%Cr, el (CrFe)23C6 metastable no se forma [20]. Por supuesto, habrá algunas desviaciones si solo se analiza el sistema ternario Fe-Cr-C, y se debe considerar la influencia de los elementos de aleación añadidos.