Nástrojová ocel H13 je ocel pro práci za tepla, která se kali na vzduchu, a je jednou z nejpoužívanějších ocelí mezi všemi ocelemi pro práci za tepla. Podobná jako Nástrojová ocel D2 Jako referenční hodnota pro oceli pro práci za studena je H13 referenční hodnotou pro oceli pro práci za tepla. Ve srovnání s Nástrojová ocel H11, Tato ocel má vyšší tepelnou pevnost a tvrdost. Lze ji kalit na vzduchu, takže si klade dobré výsledky z hlediska kalení deformace a zbytkové napětí a má nižší pravděpodobnost povrchové oxidace. Kromě toho může dosáhnout sekundárního kalení, má vynikající tepelnou stabilitu a účinně odolává korozi způsobené roztaveným kovem hliníkové slitiny.

Výrobci tuto jakost oceli široce používají k výrobě forem a trnů pro protlačování za tepla, kovacích forem s bucharem a kovacích nástrojů. Běžně se také používá pro vložky v přesných kovacích strojích a nástrojích pro tlakové lití hliníku, mědi a jejich slitin.

Označení v americkém systému ASTM A681 je H13 a název v americkém systému AISI je ocel AISI H13. Podobně i jiné národní normy používají srovnatelná označení, jako například ISO 40CrMoV5, Japonsko/JIS SKD61, USA/UNS T20813, Německo/DIN X40CrMoV5-1, Německo/W-Nr. 1.2344 a Česká republika (CSN) 19554, BS (BH13), SS (2242), ANFOR (Z40CDV5), UNI (X35CrMoV05KU / X40CrMoV511KU) a Čína GB/T 1299(4Cr5MoSiV1)

1. Aplikace

• Nástroje pro práci za teplaJe to primární volba pro většinu operací tváření za tepla, zejména když nástroje vyžadují chlazení vodou nebo jiným proplachovacím médiem.
• Formy pro tlakové litíMateriál H13 je obzvláště vhodný pro tlakové lití slitin zinku, hliníku a hořčíku, jako jsou tlačné tyče, vyhazovací čepy, jádrové čepy, kluzné části, trysky a vtokové kanály. Bloky materiálu H13 jsou čištěny pomocí elektrostruskové přetavování (ESR) jsou vhodné pro plastové formy, které vyžadují vysokou povrchovou úpravu, jako jsou formy na automobilové čočky, a to díky své vyšší čistotě a uniformitě.
• Zápustky a razníky pro kování za tepla
• Vytlačovací lis za teplaHorké protlačování lehkých kovů, jako je hliník a hořčík, a také pro trny, razníky a matrice.
• Plastové vstřikovací formyToto je nejběžnější aplikace, zejména pro obrábění dutin.
• Stříhací čepeleAplikace pro střihání za tepla.
• Nástroje pro svařování třením s mícháním (FSW)¹Nástroje pro svařování FSW, zejména pro svařování hliníkových plechů, jsou pro lepší výkon často potaženy TiN.
• Konstrukční prvkyOcel H13 má vysokou pevnost a dokáže si udržet tvrdost i při vysokých teplotách, proto se používá v konstrukčních prvcích, které jsou vystaveny vysokému namáhání, jako jsou podvozky letadel, záchytné háky a raketové pláště v leteckém průmyslu.

 2. Složení oceli H13²

C	Cr	Mo	PROTI	Si	Mn	P	S
0,32 – 0,45%	4,75 – 5,50%	1,10 – 1,75%	0,80 – 1,20%	0,80 – 1,25%	0,20 – 0,60%	≤ 0,030%	≤ 0,030%

Složení ekvivalentních jakostí nástrojové oceli H13

Stupeň	Norma	C (%)	Si (%)	Mn (%)	P (%)	S (%)	Cr (%)	Po (%)	V (%)
1.2344	DIN	0.37-0.42	0.90-1.20	0.30-0.50	≤0,030	≤0,030	4.80-5.50	1.20-1.50	0.90-1.10
SKD61	JIS	0.35-0.42	0.80-1.20	0.25-0.50	≤0,030	≤0,030	4.80-5.50	1.00-1.50	0.80-1.15
4Cr5MoSiV1	VB	0.32-0.42	0.80-1.20	0.20-0.50	≤0,030	≤0,030	4.75-5.50	1.10-1.75	0.80-1.20

3. Vlastnosti nástrojové oceli H13

Formovací ocel H13 je celosvětově široce používaná nástrojová ocel pro práci za tepla. Vyznačuje se vysokou pevností, vysokou houževnatostí, vysokou prokalitelností a odolností proti tepelnému praskání. Zejména si dokáže udržet svou pevnost a tvrdost při vysokých teplotách. Kromě toho má vynikající komplexní mechanické vlastnosti a vysokou stabilitu při popouštění.

3.1 Mechanické vlastnosti

Specifické vlastnosti silně závisí na teplotě popouštění. Zde jsou typické podélné mechanické vlastnosti při chlazeno vzduchem od 1025 °C (1875 °F) a temperováno:

Klíčové mechanické vlastnosti (typické hodnoty při pokojové teplotě, dvojnásobné popouštění 2h + 2h)

Vlastnictví	Teplota 527 °C (980 °F)	Teplota 555 °C (1030 °F)	Teplota 575 °C (1065 °F)
Tvrdost	52 HRC	50 HRC	48 HRC
Pevnost v tahu (Rm)	1960 MPa (284 ksi)	1835 MPa (266 ksi)	1730 MPa (251 ksi)
Mez kluzu (Rp0,2)	1570 MPa (228 ksi)	1530 MPa (222 ksi)	1470 MPa (213 ksi)
Prodloužení (ve 4D)	13.0%	13.1%	13.5%
Snížení plochy	46.2%	50.1%	52.4%
Charpyho rázový řez s V-vrubem	16 J (12 ft·lbf)	24 J (18 ft·lbf)	27 J (20 ft·lbf)

3.2 Fyzikální vlastnosti

Vlastnictví	Hodnota
Hustota	7,75 – 7,80 g/cm3
Pevnost v tahu, konečná	1200 – 2050 MPa (174000 – 231000 psi)
Pevnost v tahu, výtěžnost	1000 – 1380 MPa (145000 – 200000 psi)
Tvrdost	45-52 HRC (Tvrdost Rockwell C)
Rázová houževnatost	20-40 J/cm2
Pevnost v tlaku	2550 MPa

3.3 Další důležité vlastnosti:

• Odolnost proti opotřebení: Vynikající odolnost proti opotřebení. Pro další zlepšení odolnosti proti opotřebení lze materiál nitridovat, což může zvýšit jeho povrchovou tvrdost na více než 1000 HV (>70 HRC).
• Houževnatost a rázová pevnost: Vynikající rázová houževnatost a dobrá tažnost.
• Odolnost proti tepelné kontrole: Vynikající odolnost proti tepelnému praskání, přičemž tato vlastnost je ovlivněna jeho rázovou houževnatostí a tvrdostí bez vrubů.
• Odolnost proti únavě: Dobrá odolnost proti únavě a v tomto ohledu má tato ocel výhodu oproti Legovaná ocel 4340.
• Rozměrová stabilita: Když se tato ocel kalí na vzduchu, její objem se obvykle zvětší přibližně o 0,001 palce/palec (0,001 mm/mm).
• Obrobitelnost: Pokud je stupeň obrobitelnosti uhlíkové oceli s obsahem uhlíku 1% nastaven na 100, pak má H13 při správném žíhání stupeň obrobitelnosti 70.

4. Tepelné zpracování

The Tepelné zpracování oceli H13 zahrnuje několik klíčových kroků k dosažení požadovaných vlastností:

4.1 Kování a chlazení po kování

Snadno se kuje a obvykle se kuje při teplotách mezi 1120 a 1150 °C (2050 až 2100 °F)Před kováním doporučujeme předehřát ocel na 790 až 815 °C (1450 až 1500 °F)a následným rovnoměrným zahřátím na požadovanou kovací teplotu.

Během kování nesmí teplota materiálu klesnout pod 925 °C (1700 °F)Pokud teplota klesne pod tuto hodnotu, musí se znovu zahřát na požadovanou kovací teplotu.

Tento materiál je ocel kalitelná na vzduchu, která musí být pomalu ochlazována, aby se zabránilo praskání v důsledku napětí. Po kování musí být materiál umístěn do pece při teplotě 790 °C (1450 °F) a udržovala se, dokud se teplota nestejnoměrně neustálí; poté se pomalu ochladila.

4.2 Žíhání (sféroidizační žíhání)

Po předchozím kroku by měl materiál H13 podstoupit sféroidizační žíhání, jehož cílem je eliminovat pnutí, zvýšit houževnatost a tažnost a vytvořit požadovanou mikrostrukturu.

Konkrétní detaily procesu žíhání jsou následující: ocel se zahřeje na 871 °C (1600 °F), vydrží 1 hodinu na palec (25,4 mm) tloušťky, poté se ochladí rychlostí 14 °C (25 °F) za hodinu na 482 °C (900 °F) a následně se ochladí vzduchem na pokojovou teplotu.

4.3 Normalizace (obecně se nedoporučuje)

Vzhledem k riziku praskání obecně nedoporučujeme normalizační úpravu pro H13, zejména pokud pec s řízenou atmosférou nezabrání oduhličení povrchu. Tato normalizační úprava však může i tak zlepšit uniformitu materiálu. Tento krok musí být proveden ihned po sferoidizačním žíhání.
Konkrétní kroky jsou následující: předehřátí na přibližně 790 °C (1450 °F), pomalé a rovnoměrné zahřátí na 1040 až 1065 °C (1900 až 1950 °F), výdrž 1 hodiny na každých 25 mm (1 palec) tloušťky a poté ochlazení na vzduchu.

4.4 Kalení (austenitizace a kalení)

Teplota kalení je kolem 1030 °C (1885 °F)Jiné zdroje uvádějí rozmezí 1010–1040 °C (1850–1900 °F), konkrétně 1025 °C (1875 °F).

H13 je ocel kalitelná na vzduchu a doporučujeme provést předehřev. Účelem je stabilizovat krystalickou strukturu, snížit tvrdost, zvýšit tažnost, zlepšit obrobitelnost, podpořit jednotnou strukturu zrna a minimalizovat deformaci/praskání. Teplota předehřevu je 815 °C (1500 °F)Krychli o rozměrech 25 mm (1”) je třeba předehřát na 650 °C (1200 °F) a udržovat ji v této teplotě 10 až 15 minut před nastavením pece na krok namáčení. U choulostivých dílů může být nutný dodatečný předehřev.

Po předehřátí zvyšte teplotu pece na austenitizační teplotu 1010 °C (1850 °F). Poté začíná proces namáčení, přičemž doba namáčení se počítá od okamžiku, kdy je teplota materiálu stejná jako teplota pece. Konkrétní podrobnosti jsou následující: U dílů silnějších než 1" (25 mm) je doba namáčení obvykle půl hodiny na palec nejmenšího průřezu. Pro menší díly jsou uvedeny specifické doby namáčení: 1/8" (3,175 mm) po dobu 10–15 minut, 1/4" (6,350 mm) po dobu 15 minut, 1/2" (12,70 mm) po dobu 20 minut, 3/4" (19,05 mm) po dobu 25–30 minut a 1" (25 mm) po dobu 30 minut.

Kalení na vzduchu může minimalizovat zbytkové napětí a snížit tepelný šok. I když je kalení na vzduchu nejběžnější metodou pro H13, v praxi se používá i kalení v oleji, které však zvyšuje vnitřní pnutí. Tvrdost po kalení je 52–54 HRC. Během cyklu kalení materiálu by měl být další krok popouštění proveden ihned při teplotě nejméně 66 °C/150 °F, aby se zabránilo praskání.

4.5 Temperování

Účelem je snížit křehkost, transformovat martenzit do stabilnější mikrostruktury, zlepšit houževnatost, uvolnit napětí a zároveň zachovat tvrdost.

Doporučujeme popouštění H13 dvakrát nebo i třikrát pro dosažení optimální houževnatosti a prodloužení životnosti nástroje. První teplota popouštění je 565 °C (1050 °F), druhá teplota popouštění je 550 °C (1025 °F), s každým cyklem vydrží 2 hodiny na palec (25 mm) tloušťky.

Po popouštění se tvrdost mění s teplotou popouštění. Například kalená ocel H13 má tvrdost 52–54 HRC. Popouštění při 204 °C (400 °F) vede k tvrdosti 51–53 HRC, zatímco popouštění při 538 °C (1000 °F) dává tvrdost 47–48 HRC a při 621 °C (1150 °F) může dosáhnout tvrdosti 36–38 HRC. Typické teploty popouštění se pohybují v rozmezí 540–620 °C (1000–1150 °F), což vytváří stabilní mikrostrukturu, díky níž je materiál nejvhodnější pro aplikace při vysokých teplotách.

Je nezbytné vyhněte se popouštění H13 při teplotě okolo 500 °C (930 °F), protože tato teplota poskytuje nejnižší houževnatost.

Tabulka tvrdosti a teploty popouštění pro ocel H13

Teplota temperování	Rockwell C.
Jak uhašeno	49
1000 °F / 540 °C	51
1050 °F / 565 °C	50
1100 °F / 595 °C	47
605 °C	41
620 °C	36

5. Svařování

Ocel H13 je snadno svařitelná, zejména pro opravy forem, nástrojů a zápustek. Svařování wolframovou elektrodou (GTAW nebo TIG) je nejvhodnější svařovací proces pro formy, nástroje a zápustky H13 a lze jej provádět také v inertním plynu nebo potaženými elektrodami. Při svařování musí být použito minimální doporučené napětí a proud oblouku a elektroda musí být pomalu pohybována v přímé linii, aby se minimalizoval příkon tepla. Často čistěte strusku a zušlechťujte svary, dokud jsou ještě horké (nad 370 °C nebo 700 °F); nikdy nezušlechťujte studený svar.

1. Předehřev. Před svařováním oceli H13 je nezbytný předehřev, protože svařování za studena může snadno způsobit praskání. Teplota předehřevu by měla být mezi 110 °C (230 °F) a 375 °C (707 °F).
2. Přídavný drát. Přídavný drát H13 je preferovanou volbou. Pokud přídavný drát H13 není na místě k dispozici, lze použít univerzální přídavný drát z nástrojové oceli střední tvrdosti, určený speciálně pro nástroje pro tepelné a studené tváření.
3. Ochranný plyn. Argon je standardní svařovací plyn pro TIG svařování H13 a chrání svarový šev před kontaminací. Vodík lze použít jako podkladový ochranný plyn pro spodní stranu svaru, pokud nehrozí riziko výbuchu.
4. Úprava po svařování pro nástrojovou ocel H13. Po svařování by měly být svařované díly H13 (zejména silnostěnné svařované díly) pomalu ochlazovány, buď v peci na teplotu předehřevu, nebo pomocí izolačního média (jako je pecní struska, vápno, slída nebo křemelina). Po pomalém ochlazení by měl svar podstoupit kompletní sferoidizační žíhání.

6. Výhody a nevýhody oceli H13

6.1 Výhody

• Vynikající houževnatost a rázová pevnost
• Vysoká odolnost proti opotřebení. Relativně vysoký obsah vanadu činí H13 velmi odolnou vůči oděru. Je to proto, že vanad podporuje tvorbu velmi tvrdých a stabilních karbidů (jako je V8C7, typ MC), které výrazně zvyšují odolnost proti opotřebení. Nitridace může dále zlepšit odolnost H13 proti opotřebení.
• Vynikající tvrdost za tepla, odolnost proti popouštění a tepelná stabilita
• Vysoká prokalitelnost a rozměrová stabilita
• Dobrá odolnost vůči tepelné únavě (tepelné deformaci)
• Svařitelnost a obrobitelnost. H13 je snadno svařitelný a po vhodném žíhání má dobrou obrobitelnost.

6.2 Nevýhody

• Vysoká cena. Nástrojová ocel H13 je obecně omezena svou vysokou cenou. Vysoký obsah legujících prvků k této ceně přispívá. To je samozřejmě pouze relativní nevýhoda. Naši zákazníci v Číně mají po oceli H13 velmi vysokou poptávku, přesahující 2 000 tun měsíčně, zejména po hliníkových profilech.
• Problémy s výrobou a zpracováním. Proces tepelného zpracování oceli H13 během výroby může být relativně složitý, což představuje výzvu zejména pro výrobce. Navíc je její obrobitelnost obtížnější ve srovnání s nízkolegovanými materiály. Jak již bylo zmíněno v článku, dobrá obrobitelnost oceli H13 je jednou z jejích výhod, takže výhody i nevýhody jsou relativní.
• Problémy s houževnatostí a křehkostí. Je poměrně citlivý na kalící křehnutí, kde precipitace karbidů podél hranic zrn předchozího austenitu může významně snížit houževnatost vytvářením cest pro šíření trhlin, zejména u materiálů s velkým průřezem.
• Náchylnost k praskání a deformaci. Nesprávné kalení, nedostatečná doba popouštění nebo nízké teploty popouštění mohou zvýšit riziko praskání a deformace.
• Omezený výkon při vysokých teplotách. Přestože je H13 ocel pro práci za tepla, její pevnost klesá při teplotách nad 650 °C.

7. Porovnejte s jinými ocelemi

7.1 Ve srovnání s nástrojovou ocelí D2

Ocel H13 se používá ve vysokoteplotních podmínkách, kde vykazuje vynikající odolnost proti měknutí, tepelné únavě a rázu. Ve srovnání s ocelí tvářenou za studena má však nižší odolnost proti opotřebení. Ocel D2 si naopak vede mimořádně dobře v aplikacích tváření za studena a nabízí vysokou odolnost proti opotřebení a vynikající rozměrovou stabilitu. Ve srovnání s H13 má však D2 nižší houževnatost a horší výkon ve vysokoteplotních podmínkách.

Zde je srovnání, které zdůrazňuje jejich klíčové rozdíly a podobnosti:

Funkce/vlastnost	Nástrojová ocel H13 (řada AISI H)	Nástrojová ocel D2 (řada AISI D)
Primární aplikace	Práce za tepla: Ideální pro aplikace zahrnující vysoké teploty a tepelnou únavu, jako jsou formy pro tlakové lití, kování za tepla a protlačování za tepla. Používá se také ve formách pro vstřikování plastů.	Práce za studena: Nejvhodnější pro aplikace vyžadující vysokou odolnost proti opotřebení při pokojové teplotě, jako jsou nástroje pro dlouhodobé řezání, stříhání, děrování a ořezávání.
Klasifikace	Ocel pro práci za tepla, 5%, skupina chromu.	Vysoce uhlíková, vysoce chromová nástrojová ocel pro práci za studena.
Odolnost proti opotřebení	Velmi dobré	Vynikající
Houževnatost	Vysoká rázová houževnatost, dobrá odolnost proti křehkému lomu	Nižší rázová houževnatost a houževnatost ve srovnání s H13
Tvrdost za horka / odolnost proti popouštění	Vynikající, funguje dobře až do 700 °C (1300 °F)	Omezené, není určeno pro použití při vysokých teplotách; obvykle pod 205–260 °C (400–500 °F) kvůli měknutí
Kalitelnost	Hluboké kalení, kalení na vzduchu, minimální deformace. Kalitelná ve velkých úsecích.	Hluboké kalení, kalení na vzduchu, minimální pohyb a deformace během kalení. Lze plně vykalit ve velkých úsecích.
Rozměrová stabilita	Velmi nízké zkreslení; při kalení na vzduchu se roztahuje přibližně o 0,001 palce/palec.	Minimální deformace; při kalení vzduchem se roztahuje/smršťuje přibližně o 0,0005 palce/palec.
Obrobitelnost	Dobrý	Chudý
Kontrola tepla	Velmi dobrá odolnost, zejména v lité formě.	Není to primární vlastnost, protože se obvykle používá v aplikacích za studena.
Svařitelnost	Snadno svařitelný	Obtížně svařitelné (nesvařitelné)

7.2 Ve srovnání s nástrojovou ocelí M2

Nástrojová ocel M2 se používá především pro vysokorychlostní řezání a vyznačuje se vynikající odolností proti opotřebení a tepelnou tvrdostí.

Funkce	Ocel H13	Ocel M2
Klasifikace	Ocel pro práci za tepla (ocel 5% Cr).	Molybdenová rychlořezná ocel (HSS) pro všeobecné použití.
Primární použití	Aplikace zahrnující vysoké teploty a zatížení, jako je tlakové lití, kování za tepla, formy pro horké protlačování a plastové formy.	Obrábění a řezání kovů.
Odolnost proti opotřebení	Vysoký,	Velmi vysoká
Houževnatost	Dobrá, vynikající rázová houževnatost,	Dobrý,
Tvrdost za horka / Odolnost za popouštění	Vynikající odolnost proti popouštění, zachovává si vysokou tvrdost a pevnost i při zvýšených teplotách díky sekundárnímu kalení. Může pracovat až do 700 °C.	Velmi vysoká, lepší než H13, zejména při vyšších teplotách; dosahuje sekundární tvrdosti. Přísady kobaltu dále zvyšují tvrdost za tepla.
Kalitelnost	Hluboká prokalitelnost; lze prokalit ve velkých úsecích chlazením na vzduchu.	Hluboká kalitelnost. Nejtolerantnější rozsah kalení mezi HSS.
Zkreslení	Minimální díky vytvrzování na vzduchu.	Střední.
Obrobitelnost	Docela dobrý žíhaný stav	Střední.
Svařitelnost	Snadno svařitelný	Obtížně svařitelné (nesvařitelné)

8. Dodávkové formy a rozměry

Nástrojová ocel H13, kterou dodáváme, je k dispozici ve třech tvarech: plochá tyč, blok a kulatá tyč. Rozměry ploché tyče se pohybují od: šířka 20–600 mm × tloušťka 20–400 mm × délka 1 000–5 500 mm. Rozměry kruhové tyče se pohybují v rozmezí průměru 20–400 mm × délky 1 000–5 500 mm. Rozměry bloku se získají řezáním ploché tyče.

Pro menší rozměry, jako jsou kulaté tyče o průměru menším než 70 mm, používáme proces válcování za tepla. Pro rozměry větší než 70 mm nabízíme kované výrobky.

Nabízíme také proces ESR (elektrostruskové přetavování), který je přizpůsoben požadavkům zákazníka. Výhodou je lepší vnitřní mikrostruktura, ale je to za vyšší cenu. V případě specifických požadavků nás prosím kontaktujte.

Testování UT: září 1921-84 D/d, E/e. 

Povrchová úprava: původní černá, loupaná, obráběná/soustružená, leštěná, broušená nebo frézovaná povrchová úprava.

Stav zásob: Nemáme skladem nástrojovou ocel H13. Výrobu zajišťujeme na základě objednávek zákazníků.

Dodací lhůta: Materiály pro elektrické obloukové pece (EAF) jsou 30–45 dní. Materiály pro ESR jsou přibližně 60 dní. 

Mnoho našich zákazníků volí procesy bez ESR s ohledem na nákladovou efektivitu. Prodiskutujte prosím své specifické požadavky přímo s námi.

1. Totten, GE a MacKenzie, DS (eds.). (2003). Příručka hliníku: Svazek 2: Výroba slitin a materiálů (str. 581). ↩︎
2. Bringas, JE (ed.). (2002). Příručka srovnávacích světových ocelářských norem (2. vydání, s. 434). ASTM International. ↩︎

FAQ