Acier à outils H13: Propriétés, Applications, Guide de fabrication

H13 Tool Steel est un acier à outils à chaud largement utilisé célébré pour son exceptionnel dureté chaude, ténacité équilibrée, et résistance à l'usure fiable. Son sur mesure composition chimique- avec des quantités précises de chrome, molybdène, et vanadium - laisse-t-il conserver la dureté à des températures élevées (jusqu'à 550 ° C) Tout en résistant à la fatigue thermique, En faire un choix supérieur pour les matrices de forge à chaud, outils d'extrusion, et composants de moulage en plastique à haute température. Dans ce guide, Nous allons briser ses traits clés, Utilise du monde réel, processus de fabrication, Et comment il se compare à d'autres matériaux, Vous aider à le sélectionner pour des projets qui exigent la durabilité dans des cycles de chaleur élevés répétés.

1. Propriétés des matériaux clés de l'acier à outils H13

Les performances de H13 Tool Steel sont définies par sa calibration soigneusement calibrée composition chimique, qui façonne son robuste propriétés mécaniques, cohérent propriétés physiques, et caractéristiques remarquables à haute température.

Composition chimique

La formule de H13 est optimisée pour les applications de travail à chaud, avec des gammes fixes pour les éléments clés:

• Teneur en carbone: 0.30-0.45% (équilibre la force et la ténacité - suffisamment en hausse pour la résistance à l'usure, suffisamment bas pour éviter la fragilité pendant le chauffage / refroidissement répété)
• Teneur en chrome: 4.75-5.50% (forme des carbures résistants à la chaleur pour Excellente résistance à l'usure et améliore la durabilité, critique pour un traitement thermique uniforme)
• Contenu du manganèse: 0.20-0.60% (stimule la durabilité sans créer de carbures grossiers qui affaiblissent l'acier à des températures élevées)
• Contenu en silicium: 0.15-0.35% (SIDA dans la désoxydation pendant la fabrication et améliore la stabilité à haute température, Réduction de la distorsion thermique)
• Contenu molybdène: 1.10-1.75% (renforcer dureté chaude et résiste à la fatigue thermique - clé pour les outils exposés à des cycles de chauffage / refroidissement répétés)
• Contenu de vanadium: 0.80-1.10% (affine la taille des grains, améliore la ténacité, et forme des carbures de vanadium dur qui stimulent la résistance à l'usure à des températures élevées)
• Contenu du phosphore: ≤0,03% (strictement contrôlé pour empêcher la fragilité froide, en particulier dans les outils utilisés dans le stockage à basse température après le traitement)
• Teneur en soufre: ≤0,03% (ultra-faible pour maintenir la ténacité et éviter de craquer pendant la formation ou l'usinage à chaud)

Propriétés physiques

L'acier à outils H13 a des caractéristiques physiques cohérentes qui simplifient la conception pour les applications à haute température:

Propriétés mécaniques

Après un traitement thermique standard (recuit + éteinte + tremper), H13 offre des performances fiables pour les applications de travail à froid chaud et modéré:

• Résistance à la traction: ~ 1800-2000 MPA (à égalité avec des aciers à travail à chaud haute performance, Convient pour les matrices de forge à chaud à haute charge)
• Limite d'élasticité: ~ 1400-1600 MPA (Assure que les outils résistent à la déformation permanente sous des charges de travail à chaud, comme la pression de forge)
• Élongation: ~ 10-15% (dans 50 mm - une haute ductilité pour un acier à chaud, Permettre le remodelage mineur des matrices sans craquer)
• Dureté (Échelle Rockwell C): 58-62 HRC (après un traitement thermique - réglable à 52-56 HRC pour une ténacité maximale dans les outils chauds à fort impact)
• Force de fatigue: ~ 700-800 MPA (à 10⁷ cycles - les aciers upites à froid comme D2, Idéal pour les outils sous chauffage / refroidissement répété)
• Résistance à l'impact: Modéré à élevé (~ 45-55 J / cm² à température ambiante)- plus solide que la plupart des aciers à travail à chaud, Réduire le risque de fissuration de la fatigue thermique

Autres propriétés critiques

• Excellente résistance à l'usure: Les carbures de chrome et de vanadium résistent à l'abrasion même à 500 ° C, Le rendre idéal pour le forge à chaud d'acier ou d'aluminium.
• Bonne ténacité: Équilibré avec la force, il peut donc résister à l'impact des marteaux de forgeage ou d'une pression d'extrusion sans se fissurer.
• Dureté chaude élevée: Conserve ~ 48 HRC à 550 ° C (bien plus élevé que les aciers à travail à froid comme A2)- Critique pour maintenir la forme de la matrice pendant le travail chaud.
• Machinabilité: Bien (Avant le traitement thermique)—Anuisé H13 (dureté ~ 220-250 Brinell) est facile à machine avec des outils en carbure; Évitez l'usinage après durcissement (58-62 HRC).
• Soudabilité: Contenu équitable en carbone et en alliage augmente le risque de fissuration; préchauffage (300-400° C) et la trempe après les soudages est nécessaire pour restaurer la ténacité et empêcher la fragilité.

2. Applications réelles de l'acier à outils H13

Le mélange de H13 de dureté chaude élevée, Excellente résistance à l'usure, Et la ténacité le rend idéal pour le travail à chaud et les applications à haute température dans toutes les industries. Voici ses utilisations les plus courantes:

Outils de travail chaud

• Dies à forage chaud: Décède pour forger des pièces automobiles (Par exemple, vilebrequin, cannes de connexion) Utilisez H13—dureté chaude conserve la forme pendant la forge de 500 à 550 ° C, Et la ténacité résiste à l'impact des marteaux forgés.
• Dies à l'extrusion chaude: Décède pour extruder les profils en aluminium (Par exemple, cadres de fenêtre, chauffer) Utiliser H13 - Gireaux de résistance aux vêtements de frottement de l'aluminium fondu, et la résistance à la fatigue thermique prolonge la durée de vie.
• Outils d'estampage à chaud: Outils pour l'estampillage à chaud en acier à haute résistance (Par exemple, panneaux de carrosserie automobiles) Utiliser H13 - Retain dureté à 500 ° C, Assurer une forme de panneau cohérente sur 80,000+ tirettes.

Exemple de cas: Une usine de forgeage automobile a utilisé un acier à chaud standard (H11) pour le vilebrequin meurt mais faisait face à une fissure fréquente après 10,000 cycles. Ils sont passés à H13, Et les matrices ont duré 15,000 cycles (50% plus long) sans cracking - la réduction des coûts de remplacement de la matrice par $25,000 annuellement.

Outils de coupe

• Frappeurs: Coupes pour l'usinage des alliages résistants à la chaleur (Par exemple, titane, Décevoir) Utilisez H13—dureté chaude maintient la netteté à 400-500 ° C, Surperformant les coupeurs HSS standard.
• Outils de virage: Les outils de tour pour tourner les métaux à haute température utilisent H13 - la résistance aux vêtements réduit les modifications de l'outil, Amélioration de l'efficacité de la production par 30%.
• Broches: Broaches pour façonner les composants aérospatiaux (Par exemple, lames de turbine) Utiliser H13 - la tâche résiste à l'écaillage, Et la dureté chaude maintient la précision pendant les longues courses d'usinage.

Outils de formation & Moulage en plastique

• Coups de poing et matrices: Coups de poing à chaud pour les feuilles de métal épaisses (Par exemple, pièces de châssis automobiles) Utiliser H13 - Horaire des charges élevées, et la résistance à la fatigue thermique évite la fissuration du chauffage répété.
• Outils de moulage par injection: Moules pour les plastiques à haute température (Par exemple, nylon, Jeter un coup d'œil) Utiliser H13 - Usissts usurs à partir de l'écoulement en plastique et conserve la forme à des températures de moulage à 300 ° C, Assurer une qualité de partie cohérente.
• Outils de moulage par soufflage: Outils pour mouler des grandes pièces en plastique (Par exemple, réservoirs de carburant, bouteilles d'eau) Utiliser H13 - la légèreté résiste à la pression, et la résistance à l'usure maintient la précision des moisissures sur 100,000+ cycles.

Aérospatial & Industries automobiles

• Industrie aérospatiale: Composants à haute température (Par exemple, Turbine Blade Forging Dies, boucliers de chaleur du moteur) Utilisez H13—dureté chaude Traitement des températures du moteur 550 ° C, et la force prend en charge les charges structurelles.
• Industrie automobile: Composants haute performance (Par exemple, vannes de moteur de course, collecteurs d'échappement) Utiliser H13 - La résistance à la tête résiste à 500 ° C + Températures d'échappement, et la résistance à l'usure réduit la dégradation des composants.

3. Techniques de fabrication pour l'acier à outils H13

La production d'acier à outils H13 nécessite une précision pour maintenir son équilibre chimique et optimiser les performances à haute température. Voici le processus détaillé:

1. Processus métallurgiques (Contrôle de la composition)

• Fournaise à arc électrique (EAF): La méthode principale - acier de crap, chrome, molybdène, vanadium, et d'autres alliages sont fondus à 1 650-1,750 ° C. Moniteur des capteurs composition chimique Pour conserver les éléments dans les gammes fixes de H13 (Par exemple, 4.75-5.50% chrome et 1.10-1.75% molybdène), critique pour la dureté chaude.
• Fournaise de base à l'oxygène (BOF): Pour la production à grande échelle - le fer mouillé d'un haut fourneau est mélangé avec de la ferraille en acier, puis l'oxygène est soufflé pour ajuster la teneur en carbone. Alliages (molybdène, vanadium) sont ajoutés après le soufflage pour éviter l'oxydation.

2. Procédés de roulement

• Roulement chaud: L'alliage fondu est jeté dans les lingots, chauffé à 1 100-1,200 ° C, et roulé dans des bars, assiettes, ou draps. Le roulement chaud décompose les gros carbures et façonne le matériau en blancs d'outils (Par exemple, forger des blocs de matrices).
• Roulement froid: Rarement utilisé - H13 est principalement pour les outils à chaud épais; Le roulement à froid n'est utilisé que pour les feuilles minces (Par exemple, petits outils de coupe) Pour améliorer la finition de surface.

3. Traitement thermique (Critique pour les performances chaudes)

Le traitement thermique de H13 est adapté pour maximiser la dureté et la ténacité chaudes:

• Recuit: Chauffé à 850-900 ° C et maintenu pour 2-4 heures, Puis refroidi lentement (50° C / heure) à ~ 600 ° C. Réduit la dureté à 220-250 Brinell, le rendre machinable et soulager le stress interne.
• Éteinte: Chauffé à 1 020-1,080 ° C (austénidation) et tenu pour 30-60 minutes (en fonction de l'épaisseur de partie), puis éteint dans l'huile ou l'air. La trempe d'huile durcit l'acier pour 62-64 HRC; extinction de l'air (Ralentissez) réduit la distorsion mais abaisse la dureté à 58-60 HRC.
• Tremper: Réchauffé à 500-550 ° C (Pour les outils de travail à chaud) ou 300-400 ° C (pour un usage à froid) et tenu pour 1-2 heures, puis refroidi à l'air. Tempérer à 500-550 ° C dureté chaude et ténacité - critique pour forger des matrices; Les températures de tempérament plus bas se privilégient la résistance pour les outils de coupe.
• Recuit de soulagement du stress: Facultatif - chauffé à 600-650 ° C pour 1 heure après l'usinage (Avant le traitement thermique final) Pour réduire le stress de coupe, ce qui pourrait provoquer la fissuration pendant la trempe.

4. Formage et traitement de surface

• Méthodes de formation:
• Press Forming: Utilise des presses hydrauliques (5,000-10,000 tonnes) Pour façonner les plaques H13 en gros blocs de matrices de forge - placés avant le traitement thermique, Lorsque l'acier est doux.
• Flexion: Rarement utilisé - H13 est pour épais, outils lourds; La plupart des formes se font via l'usinage ou la formation d'appui.
• Usinage: Les moulins CNC avec des outils en carbure façonnent H13 en cavités de matrice ou des géométries de l'outil de coupe (Par exemple, dents de broyeur) Lorsqu'il est recuit. Le liquide de refroidissement est nécessaire pour empêcher la surchauffe - les vitesses de localisation sont 10-15% plus lentement que les aciers à alliage faible.
• Affûtage: Après un traitement thermique, broyage de précision (avec des roues en diamant) affine des cavités de mort ou des bords d'outil à des tolérances étroites (Par exemple, ± 0,001 mm pour les matrices d'extrusion).
• Traitement de surface:
• Durcissement: Traitement thermique final (éteinte + tremper) est suffisant pour la plupart des applications - aucun durcissement de surface supplémentaire nécessaire.
• Nitrative: Pour les outils chauds à haute époque (Par exemple, Dies à extrusion)—Hatal à 500-550 ° C dans une atmosphère d'azote pour former une couche de nitrure dure (5-10 μm), Boîtement de la résistance à l'usure par 30% sans réduire la ténacité à base.
• Revêtement (PVD / CVD): Des revêtements minces comme le nitrure d'aluminium en titane (PVD) sont appliqués aux outils de coupe - réduit la friction et prolonge la durée de vie de l'outil par 2x, Surtout pour l'usinage des alliages à haute température.

5. Contrôle de qualité (Assurance de performance chaude)

• Test de dureté: Utilise des testeurs Rockwell C pour vérifier la dureté post-température (58-62 HRC) et dureté chaude (≥48 HRC à 550 ° C)—Critique pour les performances de travail à chaud.
• Analyse de microstructure: Examine l'alliage au microscope pour confirmer la distribution uniforme des carbures (Pas de gros carbures qui provoquent des fissures thermiques) et correctement (Pas de martensite fragile).
• Inspection dimensionnelle: Utilise des machines de mesure de coordonnées (Cmm) Pour vérifier les cavités de mat.
• Test de fatigue thermique: Simule les cycles de chauffage / refroidissement répétés (500-550° C à température ambiante) Pour vérifier la résistance à la fissuration - essentiel pour les outils à chaud.
• Tests de traction: Vérifie la force de traction (1800-2000 MPA) et la limite d'élasticité (1400-1600 MPA) Pour répondre aux spécifications H13.

4. Étude de cas: H13 L'acier à outils en aluminium décède

Une entreprise d'extrusion en aluminium a utilisé un acier à outils D2 pour les matrices d'extrusion qui produisent des profils d'évite thermique. Les matrices D2 ont échoué après 3,000 cycles dus à la fissuration thermique et à l'usure, exigeant $20,000 Remplacements mensuels. Ils sont passés à l'acier à outils H13, avec les résultats suivants:

• Fatigue thermique & Se résistance à l'usure: H13 Dies a duré 8,000 cycles (167% plus long que d2) sans cracking - la réduction des coûts de remplacement par 60%.
• Qualité du profil: H13 DIES MAINTENANT DES DIMENSIONS DU ÉTAUILLE COORD (± 0,02 mm) Tout au long de leur durée de vie, tandis que D2 meurt a montré une dérive dimensionnelle après 1,500 cycles - réduisant les parties défectueuses par 90%.
• Économies de coûts: Tandis que H13 meurt 30% plus d'avance, La durée de vie plus longue et les défauts inférieurs ont sauvé l'entreprise $120,000 annuellement.

5. H13 Tool Steel vs. Autres matériaux

Comment H13 se compare-t-il aux autres aciers à outils à chaud et aux matériaux haute performance? Décomposons-le avec une table détaillée:

Adéabilité de l'application

• Dies à forage chaud: H13 est plus rentable que H11 (10% moins cher) et a une meilleure ténacité - idéal pour le forgeage à fort impact des pièces automobiles.
• Dies à extrusion d'aluminium: H13 surpasse D2 (Pas de fissuration thermique) et A2 (meilleure dureté chaude)—Suible pour une extrusion à volume élevé.
• Outils de moulage en plastique: H13 équilibre la résistance et le coût de la chaleur que le titane - parfait pour les plastiques à haute température comme un aperçu.
• Outils de coupe à haute température: H13 est supérieur à A2 / D2 (meilleure dureté chaude) Pour l'usinage des alliages résistants à la chaleur - réduit les modifications de l'outil.

Vue de la technologie Yigu sur l'acier à outils H13

À la technologie Yigu, Nous considérons H13 comme un polyvalent, Solution rentable pour les applications de travail à chaud. C'est dureté chaude élevée, ténacité équilibrée, et Excellente résistance à l'usure Rendez-le idéal pour nos clients dans le forgeage automobile, extrusion d'aluminium, et moulage en plastique. Nous recommandons souvent H13 pour les matrices de forge à chaud, outils d'extrusion, et moules d'injection - où il surpasse D2 (Pas de fissuration thermique) et est plus abordable que H11. Bien qu'il ait une dureté chaude légèrement inférieure à H11, sa meilleure ténacité et ses coûts moins élevés offrent une meilleure valeur globale, s'aligner sur notre objectif de durable, solutions haute performance.

FAQ

1. L'acier à outils H13 peut-il être utilisé pour les applications de travail à froid (