Acier à outils H21: Propriétés, Applications, Guide de fabrication

L'acier à outils H21 est un acier à outils à chaud fiable évalué pour son équilibre dureté chaude, dureté, et la résistance à l'usure - faire un choix incontournable pour les applications qui exigent la durabilité des cycles répétés à haute température. C'est soigneusement réglé composition chimique (avec chrome contrôlé, molybdène, et vanadium) Permet de conserver la dureté jusqu'à 500 ° C tout en résistant à la fatigue thermique, Surperformant de nombreux aciers à travail à froid dans des environnements chauds comme le forgeage et l'extrusion. 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 où la résistance à la chaleur et l'activité s'alignent.

1. Propriétés des matériaux clés de l'acier à outils H21

Les performances de H21 Tool Steel sont enracinées dans son étalonnage précisément composition chimique, qui façonne son robuste propriétés mécaniques, cohérent propriétés physiques, et caractéristiques remarquables à haute température.

Composition chimique

La formule de H21 est optimisée pour la fiabilité du travail à chaud, avec des gammes fixes pour les éléments clés:

• Teneur en carbone: 0.35-0.45% (équilibre la force et la ténacité - suffisamment en hausse pour la résistance à l'usure, suffisamment bas pour éviter la fragilité pendant les cycles de chauffage / refroidissement)
• Teneur en chrome: 4.00-5.00% (forme des carbures résistants à la chaleur pour Excellente résistance à l'usure et améliore la durabilité, Assurer des résultats uniformes de traitement thermique)
• 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: 1.00-1.50% (renforcer dureté chaude et résiste à la fatigue thermique - critique pour les outils exposés au chauffage / refroidissement répété)
• Contenu de vanadium: 0.50-0.80% (affine la taille des grains, améliore la ténacité, et forme de petits carbures de vanadium 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 pour les outils stockés ou utilisés dans des environnements à basse température)
• 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 H21 a des traits physiques cohérents qui simplifient la conception pour les applications à haute température:

Propriétés mécaniques

Après un traitement thermique standard (recuit + éteinte + tremper), H21 offre des performances fiables pour les tâches de travail à froid chaud et modéré:

• Résistance à la traction: ~ 1700-1900 MPA (Convient pour les matrices de forge à chaud à haute charge, bien que légèrement inférieur à H13)
• Limite d'élasticité: ~ 1300-1500 MPA (Assure que les outils résistent à la déformation permanente sous des charges de travail à chaud, comme une pression d'extrusion)
• Élongation: ~ 10-15% (dans 50 mm - une haute ductilité pour un acier à chaud, permettant à un dé-dé-dé-déménager 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: ~ 650-750 MPA (à 10⁷ cycles - les aciers upites à froid comme A2, Idéal pour les outils sous chauffage / refroidissement répété)
• Résistance à l'impact: Modéré à élevé (~ 40-50 J / cm² à température ambiante)- plus solide que de nombreux 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 de l'aluminium ou de l'acier doux.
• Bonne ténacité: Équilibré avec la force, Il peut donc résister à l'impact des marteaux de forge.
• Dureté chaude élevée: Conserve ~ 45 hrc à 500 ° C (bien plus haut que les aciers à travail à froid comme d2)- Critique pour maintenir la forme de la matrice pendant le travail chaud.
• Machinabilité: Bien (Avant le traitement thermique)—Anuisé H21 (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 H21

Le mélange de H21 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 en acier doux (Par exemple, boulons automobiles, matériel) Utilisez H21—dureté chaude conserve la forme lors de la forge de 450 à 500 ° 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 porte, garniture décorative) Utiliser H21 - 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 faible teneur en carbone (Par exemple, pièces de l'appareil) Utiliser H21 - Retain dureté à 450 ° C, Assurer une forme de partie cohérente sur 60,000+ tirettes.

Exemple de cas: Un fabricant de matériel a utilisé un acier à outils A2 pour les matrices de forge à chaud qui produisent des boulons en acier. Les matrices A2 ont échoué après 5,000 cycles dus à la fissuration thermique. Ils sont passés à H21, Et les matrices ont duré 12,000 cycles (140% plus long) sans cracking - la réduction des coûts de remplacement de la matrice par $18,000 annuellement.

Outils de coupe

• Frappeurs: Coupes pour l'usinage en aluminium ou en acier doux à des températures modérées (300-400° C) Utilisez H21—dureté chaude maintient la netteté, Surperformant les coupeurs HSS standard.
• Outils de virage: Outils de tour pour tourner en acier à chaud Utilisation de H21 - La résistance aux vêtements réduit les modifications de l'outil, Amélioration de l'efficacité de la production par 25%.
• Broches: Broaches pour façonner les alliages non résistants à la chaleur (Par exemple, supports aérospatiaux en aluminium) Utiliser H21 - la tâche résiste à l'écaillage, Et la dureté chaude maintient la précision pendant les longues courses.

Outils de formation & Moulage en plastique

• Coups de poing et matrices: Coups de poing à chaud pour les feuilles de métal minces (Par exemple, supports en tôle) Utiliser H21 - 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 température moyenne (Par exemple, polypropylène, Abs) Utiliser H21 - Usissts usurs à partir de l'écoulement en plastique et conserve la forme à 250 ° C des températures de moulage, Assurer une qualité de partie cohérente.
• Outils de moulage par soufflage: Outils pour mouler des petites pièces en plastique (Par exemple, bouchons de bouteille, composants jouets) Utiliser H21 - Toughness résiste à la pression, et la résistance à l'usure maintient la précision des moisissures sur 80,000+ cycles.

Aérospatial & Industries automobiles

• Industrie aérospatiale: Composants aérospatiaux à faible coque (Par exemple, support en aluminium qui mettant les matrices) Utilisez H21—dureté chaude Poignées à 450 ° C Forge, et la force prend en charge les charges structurelles.
• Industrie automobile: Composants à mi-performance (Par exemple, supports de moteur non racultuels, cintres d'échappement) Utiliser H21 - La résistance à la tête résiste à 400 ° C +, et la résistance à l'usure réduit la dégradation.

3. Techniques de fabrication pour l'acier à outils H21

La production d'acier à outils H21 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 H21 (Par exemple, 4.00-5.00% chrome et 1.00-1.50% 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 - H21 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 H21 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 1 000 à 1 050 ° 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 480-530 ° 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 480-530 ° 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 (5,000-8,000 tonnes) Pour façonner les plaques H21 en grands blocs de matrice de forge, Lorsque l'acier est doux.
• Flexion: Rarement utilisé - H21 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 H21 dans des 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 480-530 ° C dans une atmosphère d'azote pour former une couche de nitrure dur (5-10 μm), Boîtement de la résistance à l'usure par 25% sans réduire la ténacité à base.
• Revêtement (PVD / CVD): Des revêtements minces comme le nitrure de titane (PVD) sont appliqués aux outils de coupe - réduit le frottement et prolonge la durée de vie de l'outil de 1,5x, Surtout pour l'usinage en aluminium ou en acier doux.

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 (≥45 HRC à 500 ° 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 (450-500° 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 (1700-1900 MPA) et la limite d'élasticité (1300-1500 MPA) Pour répondre aux spécifications H21.

4. Étude de cas: H21 L'acier à outils en aluminium décède

Un fabricant de fenêtres a utilisé un acier à outils D2 pour des matrices d'extrusion qui produisent une garniture de fenêtre en aluminium. Les matrices D2 ont échoué après 4,000 cycles dus à la fissuration thermique et à l'usure, exigeant $15,000 Remplacements mensuels. Ils sont passés à l'acier à outils H21, avec les résultats suivants:

• Fatigue thermique & Se résistance à l'usure: H21 Dies a duré 10,000 cycles (150% plus long que d2) sans cracking - la réduction des coûts de remplacement par 60%.
• Qualité de garniture: H21 décède des dimensions de finition cohérentes (± 0,02 mm) Tout au long de leur durée de vie, tandis que D2 meurt a montré une dérive dimensionnelle après 2,000 cycles - réduction des garnitures défectueuses par 85%.
• Économies de coûts: Tandis que H21 meurt 25% plus d'avance, La durée de vie plus longue et les défauts inférieurs ont sauvé l'entreprise $90,000 annuellement.

5. H21 Tool Steel Vs. Autres matériaux

Comment H21 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 de forge à température moyenne: H21 est plus rentable que H13 (15% moins cher) et mieux que d2 (Pas de fissuration thermique)—Idéal pour forger un acier doux ou en aluminium.
• Dies à extrusion d'aluminium: H21 surpasse D2 (Pas de fissuration thermique) et A2 (meilleure dureté chaude)—Assuible pour l'extrusion à mi-volume de profils comme les garnitures ou les cadres.
• Outils de moulage en plastique: H21 équilibre mieux la résistance à la chaleur et le coût que le titane - parfait pour les plastiques à température moyenne comme l'ABS ou le polypropylène.
• Outils de coupe modérés: H21 est supérieur à A2 / D2 (meilleure dureté chaude) Pour l'usinage de l'aluminium ou de l'acier doux - réduit les modifications de l'outil.

Vue de la technologie Yigu sur l'acier à outils H21

À la technologie Yigu, Nous considérons H21 comme un, Solution rentable pour les applications de travail à chaud à température à la température. C'est dureté chaude élevée, ténacité équilibrée, et Excellente résistance à l'usure Rendez-le idéal pour nos clients dans l'extrusion d'aluminium, forgeage en acier doux, et moulage en plastique à la température à la température. Nous recommandons souvent H21 pour les matrices d'extrusion, outils de forge, et moules en plastique - où il surpasse D2 (Pas de fissuration thermique) et est plus abordable que H13. Bien qu'il ait une dureté chaude légèrement inférieure à H13, Son coût inférieur et ses performances fiables offrent une grande valeur, s'aligner sur notre objectif de durable, Solutions axées sur les applications.

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