CN101280394A - 一种高硅低碳型高热强性热作模具钢 - Google Patents

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吴晓春
谢豪杰
佟倩
闵永安
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Abstract

本发明涉及一种新型高硅低碳型高热强性热作模具钢材料，属合金钢制造工艺技术领域，其特征在于具有以下的成分及重量百分比：C 0.30～0.35％，Si 1.40～1.60％，Mn 0.30～0.40％，Cr 3.50～4.50％，Mo 0.80～1.20％，V 0.80～1.20％，P＜0.03％，S＜0.02％，Fe余量。本发明热作模具钢的制备过程如下：(1)熔炼、(2)电渣重熔、(3)高温均匀化、(4)粗锻、(5)毛坯锻造、(6)退火、(7)热处理；最终制得热作模具钢。该模具钢的最大优点是：具有一定的冲击韧性；优异的热稳定性，可以在620℃条件下保持较高硬度，保温22h后硬度在HRC 36以上；优异的热疲劳性能。

Description

一种高硅低碳型高热强性热作模具钢
技术领域
本发明涉及一种高硅低碳型高热强性热作模具钢，属合金钢制造工艺技术领域。
背景技术
热作模具钢的服役条件相当复杂，对模具材料的性能要求也很严格。热作模具钢的种类很多，如：3Cr2W8V、H13、8407以及1.2888钢。国家标准中列出的12种热作模具钢中有8种属于高热强性热作模具钢。
H13钢是常用的热作模具钢，具有较高的热强度和硬度，在中温条件下具有良好的韧性、热疲劳性能，但其服役温度一般低于600℃。高于此使用温度，模具的寿命会很低。
1.2888钢是一种高钴、高合金热作模具钢，具有极其优良的热稳定性(在回火温度为750℃下钢的硬度可以保持在HRC40～42)。模具的使用寿命高，可以应用在高温下(700℃以上)，可以应用于镁合金、铝合金压铸模具等产品。其缺点是价格昂贵。
因此，目前在热作模具钢领域，利用成分均匀设计，在保证常规力学性能的基础上，开发出一种价格低廉，同时又有较高热稳定性和热疲劳性能的钢种，具有十分重要意义，可以带来巨大经济效益。
发明内容
本发明的目的是提供一种高硅低碳型高热强性热作模具钢及其制备方法。
本发明涉及一种高硅低碳型高热强性热作模具钢，其特征在于具有以下的成分及重量百分比：
C      0.30～0.35％，    Si    1.40～1.60％，
Mn     0.30～0.40％，    Cr    3.50～4.50％，
Mo     0.80～1.20％      V     0.80～1.20％，
P      ＜0.03％，        S     ＜0.02％，
Fe     余量。
上述的一种高硅低碳型高热强性热作模具钢的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：
a.熔炼：按传统常规方法熔炼；按照成分含量要求称量配合料，在1500～1700℃温度下进行熔炼，然后浇注；
b.电渣重熔：将上述所得钢锭作为自耗电极放于电渣重熔装置中，进行二次精炼；利用电流通过电渣层产生电阻热来熔化自耗电极合金钢母材，液体金属以熔滴形式经渣池的渣层下落至下面的水冷结晶器中，再重新凝固成钢锭；
c.高温均匀化：将上述钢锭加热到1200～1240℃，并保温8～10小时，使钢成分均匀化，防止成分偏析，改善钢的凝固组；然后埋砂冷却；
d.锻造：将上述钢锭加热室1200～1230℃，随后进行粗锻，终锻温度为950℃，得到钢锻件；
e.毛坯锻造：将上述钢锻件毛坯再次加热至1100～1150℃，在950～1100℃温度范围内再次进行锻造加工；
f.退火：然后在860℃温度下退火8小时，以清除锻造过程中产生的应力；随后随炉冷却；制得热作模具钢；
g.热处理：将上述热作模具钢最后经淬火、回火处理；淬火温度为1040～1080℃；回火温度为560～600℃，二次回火，每次2小时。
本发明的热作模具钢其设计成分配方的理论依据如下所述：
常规的热作模具钢的成分特点主要是利用碳以及碳与碳化物形成元素生成碳化物来保证钢的强度和韧性。
为了提高钢在较高温度下的使用性能，国内外研究人员进行了大量的研究，并由此形成了一条改进思路：降碳、降硅、增钼。
本钢种是一种新型高热强性热作模具钢，加入了较高的硅，利用硅在钢的基体中的固溶来保证钢的强度和硬度，同时由于硅在回火过程中并不会析出，仍然固溶于基体，这样就保证了钢的热稳定性。而较低的碳可以保证钢的韧性和塑性。较低的钼在一定程度上可以保证二次硬化的效果。所以本钢种可以在保证具有一定韧性的基础上，具有相对较高的热稳定性和热疲劳性能。
本发明工艺方法上的特点是采用了电渣重熔工艺，这是优质钢生产的二次精炼技术；利用电渣重熔装置，将钢锭母材作为自耗电极，利用电流通过电渣层产生电阻热来熔化自耗电极合金钢母材，其液体金属以熔滴形式经渣池的渣层下落至下面的水冷结晶器熔池中，再重新凝固成钢锭。钢锭由下而上逐步结晶。电渣重熔工艺可降低钢锭中气体的夹杂物的含量，可有效地脱氧脱硫，并且可以控制凝固，改善重熔钢锭的宏观和微观组织。因此电渣重熔工艺可获得成分均匀、组织致密、质量优良的钢锭。
本发明方法制得的热作模具钢具有一定的韧性、良好的热稳定性和热疲劳性能。
附图说明
图1为本发明热作模具钢(简称SDH3钢)和8407钢在620℃条件下的热稳定性曲线对比图。
图2为本发明热作模具钢(简称SDH3钢)和8407钢在20℃～700℃曲线冷热循环3000次后试样钢的热疲劳损伤情况对比图。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例1：本实施例中，采用热作模具钢的组成成分及其重量百分比如下：
C 0.31％，Si 1.51％，Mn 0.35％，Cr 3.99％，Mo 1.02％，V 0.91％，P 0.011％，S＜0.016％，Fe 余量。
本实施例中，热作模具钢SDH3的工艺过程和步骤如下：
(1)熔炼：按传统常规方法熔炼；按照成分含量要求称量配合料，在1600℃温度下进行熔炼，然后浇注；
(2)电渣重熔：将上述所得钢锭作为自耗电极放于电渣重熔装置中，进行二次精炼；利用电流通过电渣层产生电阻热来熔化自耗电极合金钢母材，液体金属以熔滴形式经渣池的渣层下落至下面的水冷结晶器中，再重新凝固成钢锭；
(3)高温均匀化：将上述钢锭加热到1230℃，并保温9小时，使钢成分均匀化，防止成分偏析，改善钢的凝固组；然后埋砂冷却；
(4)锻造：将上述钢锭加热至1220℃，随后进行粗锻，终锻温度为950℃，得到钢锻件；
(5)毛坯锻造：将上述钢锻件毛坯再次加热至1140℃，在1000℃温度下再次进行锻造加工；
(6)退火：然后在860℃温度下退火8小时，以清除锻造过程中产生的应力；随后随炉冷却；制得热作模具钢；
(7)热处理：将上述热作模具钢最后经淬火处理；淬火温度为1060℃；回火温度为580℃，二次回火，每次2小时。
性能测试
对上述热作模具钢样品作性能测试，同时与8407钢进行性能对比，
8407钢的成分如下表所示：
  成分(wt％)   C   Si   Mn   Cr   Mo   V   P   S
  8407钢   0.39   0.99   0.40   5.20   1.50   0.90   0.016   0.015
8407钢取推荐热处理工艺：1040℃淬火+610℃回火2小时(2次)
对比结果如下：
(1)SDH3钢回火硬度：HRC50；8407钢回火硬度：HRC47。
(2)SDH3钢室温冲击韧性：255J/cm2；8407钢室温冲击韧性：296J/cm2。
(3)热稳定性：在620℃保温条件下，进行热稳定性试验，附图中的图1为本发明热作模具钢(SDH3钢)与8407钢的热稳定性曲线对比图。
此处的热稳定性的表达方式为：合金钢材料在高温条件下保温一段时间，其硬度保持不变即不下降的能力，所以用材料保温后的硬度来反映。
(4)热疲劳性能：采用UDDEHOLM自约束冷热疲劳试验方法，使得试样温度在20℃～700℃区间循环，进行热疲劳性能测试，热疲劳性能以试样冷热循环3000次后钢的表面疲劳损伤情况来反映，附图中的图2为本发明热作模具钢(SDH3钢)与8407钢试样的热疲劳损伤情况对比图。
试验结果
从图1试验对比曲线中可看出，8407钢在620℃保温条件下，热稳定性很差，而本发明热作模具钢(SDH3钢)在620℃条件热稳定性很好。
从图2试验对比图片中可以看出，8407钢在热疲劳循环后表面几乎没有出现大的裂纹，而8407钢表面则出现了多条贯穿主裂纹，其表面破坏的已经十分严重，这说明本发明热作模具钢(SDH3钢)的热疲劳性能比8407钢的热疲劳性能好。

Claims (2)

1.一种高硅低碳型高热强性热作模具钢，其特征在于具有以下的成分及重量百分比：
C     0.30～0.35％，    Si      1.40～1.60％，
Mn    0.30～0.40％，    Cr      3.50～4.50％，
Mo    0.80～1.20％      V       0.80～1.20％，
P     ＜0.03％，        S       ＜0.02％，
Fe    余量。
2.一种根据权利要求1的一种高硅低碳型高热强性热作模具钢的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：
a.熔炼：按传统常规方法熔炼；按照成分含量要求称量配合料，在1500～1700℃温度下进行熔炼，然后浇注；
b.电渣重熔：将上述所得钢锭作为自耗电极放于电渣重熔装置中，进行二次精炼；利用电流通过电渣层产生电阻热来熔化自耗电极合金钢母材，液体金属以熔滴形式经渣池的渣层下落至下面的水冷结晶器中，再重新凝固成钢锭；
c.高温均匀化：将上述钢锭加热到1200～1240℃，并保温8～10小时，使钢成分均匀化，防止成分偏析，改善钢的凝固组；然后埋砂冷却；
d.锻造：将上述钢锭加热室1200～1230℃，随后进行粗锻，终锻温度为950℃，得到钢锻件；
e.毛坯锻造：将上述钢锻件毛坯再次加热至1100～1150℃，在950～1100℃温度范围内再次进行锻造加工；
f.退火：然后在860℃温度下退火8小时，以清除锻造过程中产生的应力；随后随炉冷却；制得热作模具钢；
g.热处理：将上述热作模具钢最后经淬火、回火处理；淬火温度为1040～1080℃；回火温度为560～600℃，二次回火，每次2小时。
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