Автор:Pедактор сайта Время публикации: 2026-10-07 Происхождение:Работает
H13, H11 и H21 — это три инструментальные стали для горячей обработки, наиболее часто используемые для штампов, работающих при температуре 400 °C и выше. Все три соответствуют стандарту ASTM A681, но они используют три разных металлургических пути к одной и той же цели — сохранению твердости и сопротивлению термической усталости при циклическом нагреве и давлении. H13 — это марка Cr-Mo-V с содержанием хрома 5%, которая доминирует в современном литье под давлением; H11 — вариант с низким содержанием ванадия, более прочный и немного менее износостойкий; H21 — это марка с содержанием вольфрама 9 %, традиционный выбор для очень высоких рабочих температур, когда горячетвердость вольфрама превосходит сопротивление термической усталости хрома. Правило выбора в одну строку: литье под давлением и наиболее общие горячие работы → H13; высокопрочная горячая обработка и авиакосмические поковки → H11; экструзия латуни и высокотемпературная ковка, где необходим вольфрам → H21.
| Свойство | H13 (T20813) | H11 (T20811) | H21 (T20821) |
|---|---|---|---|
| Класс ASTM A681 | H (горячая обработка Cr-Mo-V) | H (Cr-Mo-V, нижний V) | H (горячие работы на основе W) |
| Эквивалентные оценки | 1.2344, SKD61, 4Cr5MoSiV1 | 1.2343, СКД6, 4Cr5MoSiV | 1.2581, СКД5, 3Кр2В8В |
| Углерод, % | 0,32–0,45 | 0,33–0,43 | 0,26–0,36 |
| Хром, % | 4,75–5,25 | 4,75–5,25 | 3.00–4.00 |
| Молибден, % | 1,10–1,75 | 1,10–1,60 | 0,40 макс. |
| Вольфрам, % | — | — | 8.50–10.00 |
| Ванадий, % | 0,80–1,20 | 0,30–0,60 | 0,30–0,60 |
| Кремний, % | 0,80–1,20 | 0,20–0,50 | максимум 0,50 (часто 0,20–0,40) |
| Аустенитизация, °С | 995–1040 | 980–1040 | 1100–1200 (тип. 1150) |
| закалка | Воздух (или масло для больших) | Воздух | Масло (или воздух для тонких) |
| Температура, °С | 595–650 (двойной) | 540–650 (двойной) | 595–675 (двойной) |
| Рабочая твердость, HRC | 44–52 (тип. 46–48) | 40–50 (тип. 46–48) | 44–52 (тип. 46–50) |
| Твердость в горячем состоянии при 600 °С, HRC | ~36–40 | ~32–36 | ~ 42–46 (лучший) |
| Сопротивление термической усталости | Высокий | Высокий | Середина |
| Прочность (по Шарпи, комнатная температура, рабочая твердость) | Самый высокий (~ 20–28 Дж при 46 HRC) | Высокий (~ 22–30 Дж при 46 HRC) | Самый низкий (~ 10–18 Дж при 48 HRC) |
| Максимальная рабочая температура, °С | ~540–595 | ~510–540 | ~600–650 |
| Относительная стоимость | Середина | Середина | Высокий (доплата за вольфрам) |
Считайте таблицу компромиссной кривой: H13 и H11 являются близкими родственниками — обе стали Cr-Mo-V, которые получают горячую твердость от карбидов хрома и молибдена, причем более высокое содержание ванадия в H13 обеспечивает лучшую износостойкость и сопротивление термической усталости. H21 с металлургической точки зрения отличается от других: карбиды вольфрама придают ему лучшую твердость в горячем состоянии при температуре выше 600 °C, но высокое содержание вольфрама снижает ударную вязкость и сопротивление термической усталости ниже H13 в каждой температурной точке.
| Элемент (%) | H13 | H11 | H21 |
|---|---|---|---|
| Углерод | 0,32–0,45 | 0,33–0,43 | 0,26–0,36 |
| Марганец | 0,20–0,50 (часто максимум 0,60) | 0,20–0,50 | 0,10–0,40 |
| Кремний | 0,80–1,20 | 0,20–0,50 | 0,50 макс. |
| Хром | 4,75–5,25 | 4,75–5,25 | 3.00–4.00 |
| Молибден | 1,10–1,75 | 1,10–1,60 | 0,40 макс. |
| вольфрам | — | — | 8.50–10.00 |
| Ванадий | 0,80–1,20 | 0,30–0,60 | 0,30–0,60 |
| Фосфор | 0,030 макс. | 0,030 макс. | 0,030 макс. |
| Sulfur | 0,030 макс. | 0,030 макс. | 0,030 макс. |
Три химических различия определяют все остальное. Во-первых, более высокое содержание ванадия в H13 (0,80–1,20%) является единственным наиболее важным отличием от H11. Ванадий образует мелкие карбиды MC, которые устойчивы к укрупнению при высоких температурах, поэтому H13 сохраняет твердость в горячем состоянии и противостоит термической усталости лучше, чем H11, несмотря на то, что оба сплава содержат почти идентичные хром и молибден. Во-вторых, содержание кремния в H11 ограничено ниже (0,20–0,50%), чем в H13 (0,80–1,20%). H11 был разработан для поковок аэрокосмических конструкций, где высокое содержание кремния может ухудшить ударные свойства; Более высокое содержание кремния в H13 улучшает стойкость к окислению при температурах литья под давлением и является одной из причин, почему он доминирует в этой области применения. В-третьих, 9% вольфрама в H21 — это наследие металлургии: карбиды вольфрама стабильны при температурах, при которых карбиды хрома начинают грубеть, поэтому H21 сохраняет твердость выше 600 °C лучше, чем H13. Цена — прочность: при комнатной температуре H21 при 48 HRC имеет значения Шарпи около 12 Дж, а H13 при той же твердости — 22–28 Дж.
| Шаг | H13 | H11 | H21 |
|---|---|---|---|
| Разогреть | 650 °С, затем 850 °С | 650 °С, затем 850 °С | 650 °С, затем 900 °С |
| Аустенизировать | 995–1040 °C (тип. 1020 °C) | 980–1040 °C (тип. 1010 °C) | 1100–1200 °C (тип. 1150 °C) |
| Время выдержки, мин/мм | 0,5–1,0 | 0,5–1,0 | 0,8–1,2 (длиннее, диффузия с высоким W медленная) |
| закалка | Воздух (предпочтительно) или масло для больших секций. | Воздух | Масло (предпочтительно) или воздух для тонких срезов. |
| Твердость закалки, HRC | 50–54 | 50–54 | 54–58 |
| Первый характер | 595 °C × 2 ч, медленное охлаждение до комнатной температуры | 540 °С × 2 ч | 595 °С × 2 ч |
| Второй характер | 595–650 °C × 2 ч до заданной твердости | 540–650 °C × 2 ч до целевого значения | 595–675 °C × 2 ч до целевого значения |
| Диапазон рабочей твердости, HRC | 44–52 (тип. 46–48, литье под давлением) | 40–50 (тип. 46–48) | 44–52 (тип. 46–50) |
| Нулевая обработка | Опционально, преобразует остаточный аустенит, улучшает стабильность размеров. | Необязательный | Реже (меньший остаточный аустенит) |
Для выбора важны две особенности термообработки. Во-первых, закалка на воздухе H13 и H11 — вакуумная печь с закалкой газом под высоким давлением (6–10 бар азота) — это стандартный метод термообработки вставок для литья под давлением премиум-класса, а медленная закалка сохраняет геометрию штампа. H21 традиционно закаливается маслом, хотя современные вакуумные печи могут закаливать H21 газом в тонких срезах; более высокая температура аустенизации (1150 °C) означает, что обезуглероживание поверхности представляет собой серьезный риск, и необходима защитная атмосфера. Во-вторых, двойное закаливание не подлежит обсуждению для всех троих. Первый отпуск превращает остаточный аустенит в свежий мартенсит; второй закаляет этот мартенсит. Пропуск второго отпуска оставляет в структуре неотпущенный мартенсит, и матрица выходит из строя из-за хрупкого растрескивания в течение первых нескольких сотен циклов.
H13 — наиболее часто используемая инструментальная сталь для горячих работ в мире. Комбинация 5% хрома, 1,4% молибдена и 1% ванадия обеспечивает наилучший баланс твердости в горячем состоянии, сопротивления термической усталости, ударной вязкости и износа при температурах примерно до 540 °C — что как раз соответствует рабочему диапазону литья алюминия под давлением, горячей ковки стали, а также экструзии латуни и меди. H13 доминирует:
Литье под давлением алюминия и магния , самое крупное применение. Температура поверхности штампа 400–500 °C с циклическим тепловым ударом от расплавленного металла при температуре 670–720 °C делает термическую усталость доминирующим видом разрушения, а карбиды ванадия H13 противостоят инициированию поверхностного контроля, который прекращает срок службы штампа.
Штампы и вставки для горячей штамповки стали и сплавов. Температура ковки выше, чем при литье под давлением (заготовка 1100 °C, поверхность матрицы 300–500 °C), но контакт прерывистый — прочность H13 поглощает удар, а карбиды Cr-Mo-V удерживают детали оттиска.
Матрицы для горячей экструзии, держатели и вкладыши для алюминиевых и медных сплавов. H13 сохраняет геометрию подшипника матрицы при высокотемпературном скользящем контакте.
Пластиковые литьевые формы для высокотемпературных технических полимеров (PEEK, PPS, стеклонаполненный нейлон), где форма работает при температуре 150–200 °C. Полируемость и теплопроводность H13 делают его стандартным обновлением P20.
Стержни и вставки для литья под давлением из латуни и меди, где температура поверхности штампа достигает 600–700 °C — хотя выше 600 °C вольфрамовая сталь для горячей обработки H21 начинает превосходить H13.
Инструментальная сталь H13 является металлургическим стандартом для любого нового инструмента для горячей обработки, если только область применения специально не требует более высокой ударной вязкости (H11), более высокой твердости в горячем состоянии выше 600 ° C (H21), более высокой износостойкости (модифицированные марки H13, Amodie или премиум-модифицированные марки V) или специальные марки, такие как H11, для ударной ковки. Марка H13 премиум-класса, подвергнутая вакуумно-дуговому переплаву (VAR) или электрошлаковому переплаву (ESR), с очень жесткими ограничениями по содержанию серы и фосфора и контролем микроструктуры на предмет термической усталости, является рекомендованной маркой для вставок для литья под давлением в автомобильных конструкционных отливках.
По химическому составу H11 находится между H13 (больше ванадия, больший износ) и более старым H12 (который добавляет вольфрам). Более низкий уровень ванадия (0,30–0,60% по сравнению с 0,80–1,20%) в H13 означает меньшее количество карбидов ванадия MC, что означает более мягкую и жесткую матрицу при той же твердости. H11 является стандартным классом для:
Детали аэрокосмической конструкции, изготовленные из кованого прутка. H11 (и ее европейский вариант 1.2343) изначально был разработан для компонентов шасси и несущего винта самолетов, где сочетание сквозной закалки в масле, высокой ударной вязкости и хорошей усталостной прочности сделало ее подходящей инструментальной сталью для высоконагруженных кованых деталей конструкций. Более низкое содержание кремния (максимум 0,50% по сравнению с 0,80–1,20%) в H13 является одной из причин, почему H11 имеет немного более высокие значения Шарпи, чем H13 при той же твердости.
Штампы для горячей ковки для высокоударных применений, где требуется сопротивление термической усталости H13, но ударные нагрузки выше, чем при литье под давлением. Ковочные молотки и машины для высокоэнергетической ковки (HERF) обычно имеют класс H11.
Штампы для литья под давлением для умеренного количества циклов, когда значение H13 завышено. H11 обычно на 10–15% дешевле, чем H13 в эквивалентном слитке.
Пластиковые компоненты пресс-форм для умеренно абразивных наполненных полимеров.
Инструментальную сталь H11 чаще всего назначают в качестве замены H13, когда либо (а) ударная вязкость является доминирующим видом разрушения, а преимущество H13 в отношении износа, содержащееся в ванадии, не используется, либо (b) стоимость имеет значение, а H13 выходит за рамки технических требований. Для литья под давлением современная тенденция заключается в том, чтобы пропустить H11 и сразу перейти к H13 — небольшая надбавка к стоимости окупается за счет более длительного срока службы штампа — но для операций штамповки с ударной нагрузкой H11 остается лучшим металлургическим выбором.
H21 — это металлургия более ранней эпохи. 9% вольфрама образуют карбиды вольфрама, которые устойчивы к укрупнению при температурах, при которых карбиды хрома начинают размягчаться, что дает H21 единственное определяющее преимущество: твердость в горячем состоянии выше 600 °C . При 600 °C H13 сохраняет примерно 36–40 HRC; H21 имеет 42–46 HRC. При 650 °C разрыв еще больше увеличивается — H13 падает ниже 30 HRC, H21 все еще держит 38–42 HRC.
H21 – это выбор для:
Литейные штампы из латуни и меди , где температура поверхности штампа достигает 700 °C, а стали на основе хрома размягчаются и быстро подвергаются испытаниям. Структура карбида вольфрама сохраняет твердость при температурах, превосходящих H13.
Матрицы и оправки для горячей экструзии для латуни, меди и титановых сплавов — секции подшипников, которые подвергаются наибольшему сочетанию температуры и давления скольжения.
Штампы для горячей ковки жаропрочных сплавов и нержавеющих сталей , где температура заготовки превышает 1100°C, а температура поверхности штампа превышает 600°C.
Штампы для производства стекла — формы для стеклянной тары и детали подачи, работающие непрерывно при температуре 700–900 °С.
Сталь для инструментов для горячей обработки H21 имеет два штрафа за свою твердость в горячем состоянии. Во-первых, резко падает прочность . При комнатной температуре и 48 HRC значение Шарпи H21 без надреза составляет 10–18 Дж; H13 при той же твердости достигает 22–28 Дж. Карбиды вольфрама имеют крупные размеры и при ударе служат очагами зарождения трещин. Во-вторых, сопротивление термической усталости хуже, чем у H13 . Карбиды вольфрама имеют коэффициент теплового расширения, отличный от матрицы, а циклические термические напряжения при литье под давлением приводят к тому, что проверка поверхности начинается раньше на H21, чем на H13. Эмпирическое правило: H21 заслужил свое место только тогда, когда рабочая температура превышает 600 °C; ниже этого H13 выигрывает по всем остальным осям. Устаревшая альтернативная вольфрамовая сталь для горячей обработки H12 находится между H13 и H21 — Cr-Mo-V плюс 1,5% W — и сегодня в основном представляет собой нишевую марку.
| Свойство | H13 | H11 | H21 |
|---|---|---|---|
| Рабочая твердость, HRC | 44–52 | 40–50 | 44–52 |
| Твердость в горячем состоянии при 540 °С, HRC | ~42 | ~40 | ~45 |
| Твердость в горячем состоянии при 600 °С, HRC | ~36–40 | ~32–36 | ~ 42–46 (лучший) |
| Твердость в горячем состоянии при 650 °С, HRC | ~28–32 | ~26–30 | ~38–42 |
| Сопротивление термической усталости (циклическая проверка поверхности) | Высокий (лучший из трех) | Высокий | Середина |
| Прочность, Шарпи без насечек, J при рабочей твердости | 22–28 (лучший) | 22–30 (лучше всего) | 10–18 |
| Износостойкость, горячая | Высокий | Середина | Высокая (при температуре) |
| Устойчивость к окислению при 600 °C | Хорошо (Си помогает) | Середина | Середина |
| Сквозная прокаливаемость в сечении | ~150 мм (воздух), ~300 мм (масло) | ~150 мм (воздух), ~300 мм (масло) | ~75 мм (масло) |
| Класс обрабатываемости (отжиг, % B1112) | 55–65 | 60–70 | 45–55 |
| Теплопроводность при 400 °С, Вт/м·К | ~28 | ~30 | ~25 |
| Стоимость (бар, премиум СОЭ) | 1,0 базовый уровень | 0,85–0,95× Н13 | 1,3–1,6× Н13 |
Матрица решений: H13 является правильным ответом, когда рабочая температура остается ниже 540 °C, а термическая усталость является доминирующим отказом. H11 — правильный ответ, когда ударные нагрузки важнее износа. H21 является правильным ответом только в том случае, когда рабочая температура превышает 600 °C и горячая твердость вольфрама окупает потери ударной вязкости.
| Применение | Рабочая температура | Рекомендуемый класс | Обоснование |
|---|---|---|---|
| Литье алюминия под давлением, корпус матрицы | 400–500 °С | H13 (премиум СОЭ) | Лучшее сопротивление термической усталости; отраслевой дефолт |
| Литье под давлением алюминия, стержни, направляющие | 500–580 °С | H13 (премиум, с азотным охлаждением) | Более высокая местная температура; премиум-класс позволяет избежать проверки |
| Литье магния под давлением | 450–550 °С | H13 (премиум) | Та же логика термической усталости, аналогичная Al |
| Литье латуни под давлением | 650–750 °С | H21 (или H13 при интенсивном охлаждении) | H21 сохраняет твердость при температуре выше 600 °C. |
| Горячая ковка, стальная заготовка | Поверхность матрицы 300–500 °C | H13 или H11 | H13 по износу; H11 для ударных молотков |
| Горячая ковка, жаропрочные сплавы | 500–700 °С | H21 | Выше диапазона термической усталости H13. |
| Горячая экструзия алюминия | 450–550 °С | H13 | Стандарт для алюминиевых экструзионных матриц |
| Горячая экструзия, медь/латунь | 600–800 °С | H21 | Вольфрамовая горячая твердость необходима |
| Горячая экструзия, титан | 700–900 °С | H21 или специальные классы | Очень высокие температуры превышают H13. |
| Инъекция пластика, стеклонаполненные полимеры | Форма 150–200 °C | H13 (или P20 для низкого напряжения) | Полируемость + теплопроводность |
| Инъекция пластика, высокотемпературные полимеры (PEEK) | форма 200 °C | H13 (или H11) | Сохраняет геометрию формы при повышенной температуре |
| Прессовая закалка (лист 22МнБ5) | Поверхность матрицы 600–700 °C | H11 или H13 (премиум) | Сильное воздействие + высокая температура; H11: прочность побеждает |
| Пробка для прокалывания медной трубки | 700–900 °С | H21 | Критическая твердость вольфрама в горячем состоянии |
| Аэрокосмическое кованое шасси | комнатная температура | Н11 (1,2343) | Стандартный сорт для аэрокосмической поковки |
Схема: H13 охватывает нижние 80% операций по огневым работам. H11 охватывает подмножество, где ударная вязкость является определяющим фактором. H21 охватывает нишу высоких температур выше 600 °C. Самой распространенной ошибкой при выборе является использование H21 при температуре ниже 600 °C: прибавка вольфрама тратится впустую, а снижение прочности вполне реально.
Самая распространенная ошибка — указание H21 для литья под давлением, потому что «вольфрам лучше при высоких температурах». Литье латуни под давлением — одно из немногих применений, где это верно; для алюминия и магния рабочая температура находится в пределах оптимальной температуры H13, а худшее сопротивление термической усталости H21 сокращает срок службы штампа. Вторая ошибка — указание H11 вместо H13 для экономии 10 % стоимости материала — разница в сроке службы штампа для приложений, где преобладает термическая усталость, обычно составляет 15–25 % в пользу H13, поэтому экономия средств после первой перешлифовки иллюзорна.
Третья ошибка — занижение качества H13 для литья под давлением премиум-класса. Обычная электропечь H13 имеет более высокое содержание серы и фосфора, более крупные первичные карбидные кластеры и меньшую термоусталостную долговечность, чем ESR или VAR премиум-класса H13. Для штампа, выдержавшего более 100 000 выстрелов при литье алюминиевых конструкций, премиум-класс H13 получает надбавку к цене в 20–30%; для прототипа матрицы, рассчитанной на 5000 выстрелов, подойдет обычный H13.
Четвертая ошибка – пропуск второго темперамента. При первом отпуске H13 остается 5–10% остаточного аустенита, который при втором отпуске превращается в свежий мартенсит. Пропуск второго отпуска оставляет в структуре неотпущенный мартенсит, и матрица выходит из строя из-за хрупкого растрескивания в течение первых нескольких сотен циклов — отказ, которого можно полностью избежать.
Вопрос: H13 — это то же самое, что SKD61?
Да, по сути. SKD61 — это обозначение JIS G4404 того же состава, что и ASTM A681 H13. DIN 1.2344 и GB 4Cr5MoSiV1 также эквивалентны. Межсортовая замена является обычной практикой в отрасли.
Вопрос: Могу ли я использовать H13 для литья под давлением из латуни вместо H21?
Да, но с интенсивным внутренним охлаждением и меньшим сроком службы матрицы. Проверка поверхности H13 начинается раньше, чем H21, при температуре выше 600 °C. Если латунное литье производится в больших объемах, стандартным ответом является H21 (или H21, модифицированный ниобием).
Вопрос: Почему H21 требует более высокой температуры аустенизации, чем H13?
Карбиды вольфрама растворяются медленнее и при более высоких температурах, чем карбиды хрома. Чтобы получить достаточное количество углерода и сплава в растворе для полной реакции закалки, H21 требует аустенизации при температуре 1100–1200 °C по сравнению с 995–1040 °C для H13. Компромиссом является риск обезуглероживания поверхности, поэтому для термообработки H21 необходима защитная атмосфера.
Вопрос: Что такое «Премиум H13» и когда он мне нужен?
Премиум H13 — это материал ESR (электрошлаковый переплав) или VAR (вакуумно-дуговой переплав) с очень низким содержанием серы (обычно <0,005%), низким содержанием фосфора (<0,015%), плотной микроструктурой (без кластеризации первичных карбидов, ASTM E45, метод A ≤ 2 для включений) и контролируемой кривой отпуска. Для вставок для литья под давлением алюминия, выдерживающих 100 000 и более выстрелов, премиум-класс H13 продлевает срок службы термической усталости на 30–50 % по сравнению с обычной электропечью H13 и является стандартом для штампов для литья автомобильных конструкций. Для штампов прототипов или мелкосерийных работ подойдет обычный H13.
Вопрос: H11 или H13 для ковки — что лучше?
Для ковочных молотков и ударных прессов H11 (или европейский стандарт 1.2343) имеет тенденцию превосходить H13, поскольку его немного более низкая твердость при той же температуре отпуска компенсируется лучшей ударной вязкостью. Для штампованных поковок с высокими температурами заготовки, но умеренными ударами износостойкость и термоусталостная стойкость H13 продлевают срок службы матрицы. Многие магазины имеют в наличии оба варианта и меняют их по типу поковки.
Вопрос: Можно ли закалить H21 на воздухе?
В тонких срезах (до 25 мм) и с закалкой газом под высоким давлением в вакуумной печи - да. Для больших сечений стандартом является закалка маслом, поскольку прокаливаемость H21 ниже, чем у H13. Риск закалки в масле связан с растрескиванием секций с острыми углами или сменой секций — немедленно выполните предварительный нагрев и последующий отпуск.
Если вы выбираете инструмент для горячей обработки и хотите получить второе мнение по H13, H11 или H21 для литья под давлением, ковки или экструзии — или вам следует обратить внимание на высококачественные марки H13 (ESR/VAR), модифицированные H13 или специальные вольфрамовые марки — пришлите чертеж, диапазон рабочих температур и количество циклов. Qilu Metal поставляет плоские прутки, круглые прутки и кованые блоки H13, H11 и H21 в соответствии с ASTM A681, DIN EN ISO 4957 (1.2344 / 1.2343 / 1.2581) и JIS G4404 (SKD61 / SKD6 / SKD5), с традиционными маршрутами качества, ESR и VAR, полными протоколами заводских испытаний и отслеживаемостью. Отправьте электронное письмо по электронной почте enquiry@qilumetal.com, и наша команда металлургов сообщит вам размер, уровень качества и рекомендации по термообработке, соответствующие вашей рабочей температуре и геометрии штампа.
