Aço para Moldes de Fundição sob Pressão para Trabalho a Quente H13 Chapa de Aço

H13 é um aço para matrizes de trabalho a quente, com padrão de execução GB/T1299—2000. Código digital unificado T20502; grau 4Cr5MoSiV1; aço ferramenta ligado, abreviado como aço ferramenta ligado, é um tipo de aço formado pela adição de elementos de liga ao aço ferramenta de carbono. Entre eles, o aço ferramenta ligado inclui: aço para ferramentas de medição e ferramentas de corte, aço para ferramentas resistentes ao impacto, aço para matrizes de trabalho a frio, aço para matrizes de trabalho a quente, aço para matrizes não magnéticas, aço para matrizes 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；

O aço H13 é usado para fabricar matrizes de forjamento com grandes cargas de impacto, matrizes de extrusão a quente, matrizes de forjamento de precisão e matrizes de fundição sob pressão para alumínio, cobre e suas ligas.

É um aço para matrizes de trabalho a quente de endurecimento ao ar H13 introduzido dos Estados Unidos. Suas propriedades, usos e o aço 4Cr5MoSiV são basicamente os mesmos, mas como seu teor de vanádio é maior, seu desempenho em temperaturas médias (600 graus) é melhor do que o do aço 4Cr5MoSiV. É um grau de aço representativo com aplicações muito amplas em aços para matrizes de trabalho a quente.

Chapa de aço para moldes H13　largura (210-610) * espessura (6-80)　laminada a quente

Tubo de aço para moldes H13 diâmetro externo (6-219)*espessura da parede (0.5-25)

Lingote de aço para moldes H13 lingote de escória eletrofundida 0,35T　0,5T　0,75T　1,0T

1.5T 1.8T 2.0T 2.2T 2.8T （3.0-8.0）T

(Condição de entrega: Dureza Brinell HBW10/3000 (menor ou igual a 235))

Têmpera: Pré-aqueça a 790 graus ± 15 graus

1000 graus (banho de sal) ou 1010 graus (atmosfera controlada em forno) ±6 graus aquecimento

Retenção de calor 5~15min resfriado a ar

Têmpera-recozimento a 550 graus ± 6 graus, conformação a quente;

Aço remelido por eletroescória, este aço tem alta temperabilidade e resistência à trincas a quente, este aço contém um teor relativamente alto de carbono e vanádio, tem boa resistência ao desgaste, e tenacidade relativamente reduzida, tem boa resistência ao calor, tem melhor resistência e dureza em temperaturas mais elevadas, tenacidade de alta resistência ao desgaste, excelentes propriedades mecânicas abrangentes e estabilidade de resistência ao revenimento relativamente alta.

O teor de carbono no aço determina a dureza da matriz do aço temperado. De acordo with a curva de relação entre o teor de carbono e a dureza do aço temperado, o aço para ferramentas H13 tem uma dureza temperada de cerca de 55 HRC. Para o aço para ferramentas, parte do carbono entra na matriz do aço, causando o endurecimento por solução sólida. Outra parte do carbono se combinará com elementos formadores de carbonetos entre os elementos de liga para formar carbonetos de liga. Para o aço para matrizes de trabalho a quente, além de uma pequena quantidade de resíduo, esses carbonetos de liga também devem se dispersar e precipitar na matriz martensítica temperada durante o revenimento, produzindo um fenômeno de endurecimento secundário. Assim, o desempenho do aço para matrizes de trabalho a quente é determinado pelos carbonetos de liga residuais distribuídos uniformemente e pela estrutura martensítica revenida. Pode-se ver a partir disso que o teor de C no aço não pode ser muito baixo.

1. Tratamento térmico preliminar O aço H13 e as matrizes fornecidas no mercado foram recozidos e tratados termicamente na siderúrgica para garantir boa estrutura metalográfica, dureza apropriada e boa usinabilidade, portanto, nenhum recozimento adicional é necessário. No entanto, a re-forjagem do fabricante destruiu a estrutura e o desempenho originais, aumentou a tensão de forjamento, e o re-recozimento foi realizado.

O processo de recozimento esferoidizante isotérmico é o seguinte: aquecimento a 860-890°C por 2 horas, resfriamento a 740-760°C por 4 horas e, em seguida, resfriamento a cerca de 500°C antes de retirar do forno.

2. Têmpera e revenimento exigem especificações de processo de têmpera de moldes com boa tenacidade: temperatura de aquecimento 1020 ~ 1050 ℃, resfriamento em óleo ou resfriamento a ar, dureza 54 ~ 58HRC; especificações de processo de têmpera de moldes que exigem alta dureza a quente como principal, temperatura de aquecimento 1050 ~ 1080 ℃, resfriamento em óleo, dureza 56 ~ 58HRC.

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

A revenimento deve ser feito duas vezes. Ao revenir a 500℃, surge um pico de endurecimento secundário, a dureza de revenimento é alta, o valor de pico é de cerca de 55HRC, mas a tenacidade é baixa. Portanto, o processo de revenimento deve evitar cerca de 500℃. De acordo com os requisitos de uso do molde, o revenimento na faixa de 540～620℃ é melhor.

O aquecimento para têmpera deve ser pré-aquecido duas vezes (600-650℃, 800-850℃) para reduzir o estresse térmico gerado durante o processo de aquecimento.

3. Tratamento térmico químico Se o aço H13 passar por nitretação a gás ou nitrocarbonetação, o molde pode ser ainda mais endurecido, mas sua temperatura de nitretação não deve exceder a temperatura de revenimento para garantir que a resistência do núcleo não diminua, melhorando assim a vida útil do molde.

O aço H13 é um tipo de aço C-Cr-Mo-Si-V, sua aplicação é extremamente comum no mundo, e pesquisadores de vários países realizaram pesquisas extensas sobre ele e exploraram melhorias em sua composição química. A ampla aplicação e as excelentes propriedades do aço são determinadas principalmente por sua composição química. Claro, reduzir os elementos de impureza no aço é benéfico. Dados mostram que quando Rm é 1550MPa, reduzir o teor de enxofre do material de 0,005% para 0,003% aumentará a tenacidade ao impacto em aproximadamente 13J. É muito claro que a norma NADCA 207-2003 estipula: o aço H13 premium tem um teor de enxofre inferior a 0,005%, enquanto o aço H13 superior deve ter menos de 0,003% de S e 0,015% de P. A composição do aço H13 é analisada abaixo.

Carbono: O teor de carbono do aço americano AISI H13, UNS T20813, ASTM (versão nova) H13 e FED-T-570 H13 é especificado como (0,32~0,45)%, que é a faixa mais ampla de teor de carbono entre todos os aços H13. O teor de carbono do alemão X40CrMoV5-1 e 1.2344 é (0,37~0,43)%, que é uma faixa mais estreita. O alemão DIN17350 também tem o X38CrMoV5-1 com um teor de carbono de (0,36~0,42)%. O teor de carbono do japonês SKD 61 é (0,32~0,42)%. O teor de carbono de 4Cr5MoSiV1 e SM 4Cr5MoSiV1 nas normas GB/T 1299 e YB/T 094 do meu país é (0,32~0,42)% e (0,32~0,45)%, respectivamente, que é o mesmo que SKD61 e AISI H13. Deve-se notar especialmente que o teor de carbono do aço H13 nos padrões da North American Die Casting Association NADCA 207-90, 207-97 e 207-2003 é especificado como (0,37~0,42)%.

O aço H13 contendo 5% de Cr deve ter alta tenacidade, portanto seu teor de C deve ser mantido em um nível que forme uma pequena quantidade de carbonetos de liga. Woodyatt e Krauss apontaram que no diagrama de fases ternário Fe-Cr-C a 870℃, a posição do aço H13 é preferencialmente na fronteira das regiões trifásicas austenita A e (A+M3C+M7C3). O teor de C correspondente é de aproximadamente 0,4%. O gráfico também marca as posições dos aços A2 e D2, que possuem maior resistência ao desgaste devido às quantidades aumentadas de C ou Cr, para comparação. Adicionalmente, é importante que a manutenção de um teor de C relativamente baixo mantenha o ponto Ms do aço em um nível de temperatura relativamente alto (o Ms do aço H13 é geralmente introduzido como cerca de 340℃), de modo que o aço obtenha uma estrutura principalmente de martensita com uma pequena quantidade de austenita retida e carbonetos de liga uniformemente distribuídos após o resfriamento até a temperatura ambiente, e uma estrutura uniforme de martensita revenida após o revenimento. Isso evita a transformação de austenita retida excessiva em temperaturas de trabalho, o que afetaria o desempenho de trabalho ou a deformação da peça. Essas pequenas quantidades de austenita retida devem ser completamente transformadas durante os processos de dois ou três revenimentos após o resfriamento. Observa-se também aqui que a estrutura de martensita obtida após o resfriamento do aço H13 é martensita lamelar + uma pequena quantidade de martensita laminar + uma pequena quantidade de austenita retida. Os carbonetos de liga muito finos precipitados na martensita lamelar após o revenimento também foram estudados por pesquisadores nacionais em certa medida.

Como todos sabemos, aumentar o teor de carbono no aço melhorará a resistência do aço. Para aço para matriz de trabalho a quente, aumentará a resistência em alta temperatura, a dureza a quente e a resistência ao desgaste, mas levará a uma diminuição em sua tenacidade. Acadêmicos na literatura do manual de produtos de aço ferramenta provaram claramente este ponto comparando as propriedades de vários aços do tipo H. Acredita-se geralmente que o limite de teor de carbono que leva a uma diminuição na plasticidade e tenacidade do aço é 0,4%. Portanto, exige-se que as pessoas sigam o seguinte princípio no projeto de liga de aço: o teor de carbono do aço deve ser reduzido o máximo possível, mantendo a resistência. Alguns dados propuseram que quando a resistência à tração do aço atinge acima de 1550MPa, o teor de C deve estar na faixa de 0,3%-0,4%. A resistência Rm do aço H13 é introduzida em alguma literatura como 1503,1MPa (a 46HRC) e 1937,5MPa (a 51HRC).

De acordo com as informações da FORD e da GM, o teor de C nos aços TQ-1, Dievar e ADC3 recomendados é de 0,39% e 0,38%, etc. Os indicadores de tenacidade correspondentes estão listados na Tabela 1, e as razões podem ser vistas a partir disso.

Para aço ferramenta para trabalho a quente que requer maior resistência, o método utilizado é aumentar o teor de Mo ou aumentar o teor de carbono com base na composição do aço H13, o que será discutido posteriormente. É claro que uma ligeira diminuição na tenacidade e plasticidade é esperada.

2.2 Cromo: O cromo é um elemento de liga comum e barato em aços ferramenta ligados. Nos Estados Unidos, os aços para matrizes de trabalho a quente do tipo H contêm Cr na faixa de 2%~12%. Nos aços ferramenta ligados da China (GB/T1299), todas as 37 classes de aço, exceto 8CrSi e 9Mn2V, contêm Cr. O cromo tem efeitos benéficos na resistência ao desgaste, resistência a altas temperaturas, dureza a quente, tenacidade e temperabilidade do aço. Ao mesmo tempo, ele se dissolve na matriz e melhora significativamente a resistência à corrosão do aço. No aço H13, a presença de Cr e Si torna a película de óxido densa, melhorando assim a resistência à oxidação do aço. Além disso, analisando o efeito do Cr no desempenho de revenimento do aço 0,3C-1Mn, adicionar <6% de Cr é benéfico para melhorar a resistência ao revenimento do aço, mas não constitui endurecimento secundário; quando o aço contém >6% de Cr, ocorrerá um efeito de endurecimento secundário ao revenimento a 550℃ após o têmpera. As pessoas geralmente escolhem uma adição de cromo de 5% para aços para matrizes de trabalho a quente.

Parte do cromo no aço ferramenta se dissolve no aço para desempenhar um papel no fortalecimento por solução sólida, e a outra parte se combina com o carbono para existir na forma de (FeCr)3C, (FeCr)7C3 e M23C6 de acordo com o teor de cromo, afetando assim o desempenho do aço. Além disso, a interação dos elementos de liga também deve ser considerada. Por exemplo, quando o aço contém cromo, molibdênio e vanádio, Cr>3%Quando, Cr pode impedir a formação de V4C3 e adiar a precipitação coerente de Mo2C, V4C3 e Mo2C são fases de fortalecimento que melhoram a resistência em alta temperatura e a resistência à têmpera do aço.^[14], esta interação melhora o desempenho de resistência ao calor do aço.

O cromo se dissolve na austenita do aço e aumenta a temperabilidade do aço. Cr, Mn, Mo, Si e Ni são todos elementos de liga que aumentam a temperabilidade do aço, semelhante ao Cr. As pessoas estão acostumadas a caracterizar esse efeito usando fatores de temperabilidade. Geralmente, os dados domésticos existentes [15] apenas aplicam os dados de Grossmann et al. Posteriormente, o trabalho adicional de Moser e Legat [16,22] propôs determinar o diâmetro básico de temperabilidade Dic com base no teor de carbono e no tamanho de grão da austenita, e os fatores de temperabilidade determinados pelo teor de elemento de liga (mostrados na Figura 3) para calcular o diâmetro crítico ideal Di do aço-liga. Ele também pode ser calculado aproximadamente pela seguinte fórmula: 　Di=Dic×2.21Mn×1.40Si×2.13Cr×3.275Mo×1.47Ni (1) 　Na fórmula (1), o teor de cada elemento de liga é expresso em porcentagem em massa. A partir desta fórmula, as pessoas têm uma compreensão semi-quantitativa bastante clara da influência dos elementos Cr, Mn, Mo, Si e Ni na temperabilidade do aço.

O efeito do Cr no ponto eutetóide do aço é aproximadamente semelhante ao do Mn. Com um teor de cromo de cerca de 5%, o teor de carbono no ponto eutetóide cai para cerca de 0,5%. Além disso, a adição de Si, W, Mo, V e Ti reduz ainda mais significativamente o teor de carbono no ponto eutetóide. A partir disso, pode-se saber que o aço para matrizes de trabalho a quente e o aço rápido, como outros tipos de aço, pertencem ao aço hipereutetóide. A redução no teor de carbono eutetóide aumentará o teor de carbonetos de liga na estrutura após a austenitização e na estrutura subsequente.

O comportamento dos carbonetos de liga no aço está relacionado à sua própria estabilidade. De fato, a estrutura, a estabilidade e o grau de deficiência eletrônica da camada d e da camada s dos elementos formadores de carbonetos correspondentes estão relacionados [17]. À medida que o grau de deficiência eletrônica diminui, o raio atômico do átomo metálico diminui, a razão do raio atômico do carbono para o elemento metálico rc/rm aumenta e o carboneto de liga passa de uma fase intersticial para um composto intersticial. A estabilidade do carboneto enfraquece, sua temperatura de fusão e temperatura de dissolução correspondentes em A diminuem, o valor de sua energia livre de formação diminui e o valor de dureza correspondente diminui. O carboneto VC, que possui uma rede cúbica de face centrada, tem alta estabilidade e começa a se dissolver a uma temperatura de cerca de 900~950℃, e se dissolve em grandes quantidades acima de 1100℃ (a temperatura de conclusão da dissolução é 1413℃) [17]; ele precipita durante o revenimento a 500~700℃, não é propenso à agregação e crescimento e pode servir como uma fase de reforço no aço. Os carbonetos M2C e MC formados por elementos moderados formadores de carbonetos W e Mo possuem redes hexagonais simples e compactas, e sua estabilidade é um pouco menor. Eles também possuem alta dureza, ponto de fusão e temperatura de dissolução, e ainda podem servir como fases de reforço para aços usados na faixa de 500~650℃. M23C6 (como Cr23C6, etc.) possui uma rede cúbica complexa e estabilidade ainda menor. Sua força de ligação é fraca, e seu ponto de fusão e temperatura de dissolução são baixos (ele se dissolve em A a 1090℃). Apenas em alguns aços resistentes ao calor após uma liga abrangente ele possui maior estabilidade (como (CrFeMoW)23C6, que pode servir como uma fase de reforço). M7C3 (como Cr7C3, Fe4Cr3C3 ou Fe2Cr5C3), que possui uma estrutura hexagonal complexa, tem estabilidade ainda menor. Como os carbonetos do tipo Fe3C, ele é muito fácil de dissolver e precipitar e tem uma grande taxa de agregação e crescimento, geralmente não sendo adequado como uma fase de reforço em alta temperatura [17].

Ainda podemos entender facilmente as fases de carboneto de liga no aço H13 a partir do diagrama de fases ternário Fe-Cr-C. De acordo com as seções isotérmicas do sistema Fe-Cr-C a 700℃[18~20] e 870℃[9], para aço contendo 0,4%C, os carbonetos de liga do tipo (FeCr)3C (M3C) e (CrFe)7C3 (M7C3) aparecerão conforme o teor de Cr aumenta. Observe que no diagrama de 870℃, M23C6 só aparece quando o teor de Cr é maior que 11%). Além disso, de acordo com a seção vertical do sistema ternário Fe-Cr-C a 5%Cr, para aço contendo 0,40%C no estado recozido, existem fase α (cerca de 1% Cr em solução sólida) e carboneto de liga (CrFe)7C3. Quando aquecido acima de 791℃, a austenita A se forma e entra na região trifásica (α+A+M7C3), por volta de 795℃ entra na região bifásica (A+M7C3), e por volta de 970℃, (CrFe)7C3 desaparece, entrando na região monofásica A. Quando o teor de carbono na matriz é <0,33%, a região trifásica (M7C3+M23C6+A) existe apenas por volta de 793℃, e a 796℃ entra na região (A+M7C3) (a 0,30%C), que então persiste até a fase líquida. O M7C3 residual no aço tem o efeito de inibir o crescimento dos grãos A. Nilson propôs que para a liga com uma composição de 1,5%C-13%Cr, o (CrFe)23C6 metastável não se forma [20]. Claro, haverá alguns desvios se apenas o sistema ternário Fe-Cr-C for analisado, e a influência dos elementos de liga adicionados deve ser considerada.