CN101392353A

CN101392353A - 高锰低铬型高强韧性热作模具钢及其制备方法

Info

Publication number: CN101392353A
Application number: CNA2008102019793A
Authority: CN
Inventors: 吴晓春; 陈英伟; 吕广奇; 闵永安; 张伟
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2009-03-25

Abstract

本发明涉及一种高锰低铬型高强韧性热作模具钢，属合金钢制造工艺技术领域。该钢的成分及重量百分比为：C 0.3～0.6％，Si 0.1～0.5％，Mn 0.5～ 1.5％，Cr 1.5～ 4.0％，Mo 1.0～3.0％，V 0.4～1.3％，W 0.5～2.0％，P＜ 0.02％，S＜0.02％，Fe余量。本发明热作模具钢的制备过程如下：配料、感应熔炼、浇涛，然后电渣重熔；在1200～ 1280℃，匀质化处理8～10h，然后锻造、退火，将其加热至1000～1100℃进行奥氏体化，经过油淬或高压气淬后，在580℃～640℃进行两次回火。本发明的热作模具钢具有高的热稳定性、高的热强性、以及良好的热疲劳性能。

Description

高锰低铬型高强韧性热作模具钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高锰低铬型高强度热作模具钢及其制备方法，该模具钢不仅具有高的热稳定性，而且有良好的韧性和热疲劳性能，属合金钢制造工艺技术领域。

背景技术

热作模具钢的工况条件复杂，在工作时需长时间与加热的坯料甚至液态金属相接触，当炽热的金属放入热作模具型腔时，型腔表面急剧升温，表层产生压应力和压应变；当金属件取出时，型腔表面由于急剧降温而受到拉应力和拉应变作用，极易产生热疲劳等，并且热作模具钢在服役过程中，还要受到较大冲击载荷。因此要求模具材料具有高的热强度、高温硬度、冲击韧性、淬透性和好的热稳定性和抗冷热疲劳性能等。目前被广泛应用的热作模具钢包括钨系3Cr2W8V、铬系H13以及应用于热锻模的5CrNiMo、5CrMnMo等。钨系的3Cr2W8V虽然具有较高的回火抗力和高的热强性，但其塑韧性、导热性以其热疲劳性能较差；5CrNiMo和5CrMnMo的热强性较低，容易造成模具工作部分的塌陷。由于热作模具钢的工作条件的特殊性以及当前模具钢的发展现状，在目前国内外对高强韧性和优良热疲劳性能模具钢需求不断提高的基础上，本发明开发了具有高热稳定性、良好冲击韧性和热疲劳性能的热作模具钢。

该热作模具钢通过加热至1000℃—1100℃奥氏体化后，促使合金元素大量溶入基体，提高合金度，增强固溶强化效果。同时，在进行回火过程中，弥散析出的第二相粒子通过沉淀强化，提高材料强韧性。

发明内容

本发明的目的是提供一种高锰低铬型高强韧性热作模具钢。

本发明的另一目的是提供一种高锰低铬型高强韧性热作模具钢的制备方法。

本发明热作模具钢的特征在于具有以下的成分及重量百分比：

C 0.3～0.6％， Si 0.1～0.5％，

Mn 0.5～1.5％， Cr 1.5～4.0％，

Mo 1.0～3.0％， V 0.4～1.3％，

W 0.5～2.0％， P <0.02％，

S <0.02％， Fe 余量。

上述高锰低铬型高强度热作模具钢的制备方法，其特征在于该方法具有以下的工艺过程和步骤：

a.采用感应熔炼或电弧炉熔炼：按高锰低铬型高强韧性热作模具钢的化学成分及重量百分比：C 0.3～0.6％，Si 0.1～0.5％，Mn 0.5～1.5％，Cr 1.5～4.0％，Mo 1.0～3.0％，V 0.4～1.3％，W 0.5～2.0％，P<0.02％，S<0.02％，Fe余量，配料后放入熔炼炉中，进行熔炼。

b.电渣重熔：将熔炼浇涛出的电渣锭放到电渣重熔装置中，进行电渣重熔。

c.高温均质化处理：将电渣重熔后的钢锭加热至1200～1280℃进行高温均质化处理，保温8～10小时，均匀组织，消除成分偏析，然后埋砂冷却。

d.锻造：将上述钢锭加热至1100～1150℃温度范围内进行锻造加工；终锻温度≥850℃。

e.退火：材料在锻造后，在830～850℃下进行退火，退火时间为6～10小时。

f.淬回火热处理：加热至1000～1100℃进行奥氏体化，采用油淬或高压气淬；

随后进行580～640℃两次回火，每次回火时间为2～4h。

本发明的热作模具钢其成分设计的理论依据如下所述：

本热作模具钢与传统铬系热作模具钢相比，降低了Cr的含量，增加了Mn的含量，Mn作为一种弱碳化物形成元素，在奥氏体化的过程中，大部分溶入到了基体当中，提高了基体中的合金含量，加强了固溶强化作用，从而提高基体的强度，更好的抵抗材料的热循环应力，提高了热疲劳抗力，剩余的一小部分形成了M₃C型的碳化物，同样强化了基体。由于V与碳的亲和力强，有效的降低了碳的活度，在回火过程中降低了马氏体的分解速度，推迟了奥氏体的转变，而且V形成MC型的碳化物，细小弥散，不易聚集长大，在回火过程中，增强了二次硬化效果，极大的提高了钢的热稳定性和冲击韧性。Cr在热作模具钢中主要形成Cr₂₃C₆型碳化物，这类碳化物极易粗化长大，大块的碳化物降低材料的热稳定性，同时容易成为疲劳裂纹源，有可能在晶界产生偏聚，降低材料的热疲劳抗力，本热作模具钢的铬含量较低，减少了大块碳化物的生成，同时锰的加入提高材料的淬透性，使得材料不会因铬的降低而降低淬透性。

本发明热作模具钢在经过淬回火处理后，其热稳定性高于目前应用广泛的具有良好热强性的热作模具钢3Cr2W8V，并且具有良好的冲击韧性和热疲劳性能。

附图说明

图1为本发明热作模具钢在620℃下与3Cr2W8V钢热稳定性数据对比。

图2为本发明热作模具钢经过1050℃淬火后，回火温度与硬度关系曲线。

图3为本发明热作模具钢与3Cr2W8V钢的热疲劳裂纹照片对比。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于下。

实施例1

本实例中，采用热作模具钢的组成成分及其重量百分比如下：

C 0.41％， Si 0.33％， Mn 0.99％， Cr 2.36％， Mo 1.61％，

V 1.02％， W 1.53％ P 0.01％， S 0.01％， Fe 余量。

本实施例中，热作模具钢的工艺过程和步骤如下：

a.感应熔炼：按上述的合金元素配比在感应炉中进行熔炼，熔炼温度大于1500

℃，而后浇铸成Φ80mm钢锭并空冷；

b.电渣重熔：将浇涛后的钢锭作为自耗电极放置于电渣重熔装置中，进行电渣重熔，液体金属经过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.高温匀质化：将电渣重熔后的钢锭加热至1250℃进行高温均质化处理，保温10小时，均匀组织，消除成分偏析；

d.锻造：将上述钢锭加热至1100～1150℃温度范围内进行锻造加工；终锻温度≥850℃。锻造成80mm×80mm的方料和Φ20mm的圆料；

e.退火：将锻造后的钢料放入加热炉中退火，退火温度为840℃，退火时间为8h。

f.淬回火处理：淬火温度1050℃，采用油淬，在600℃进行两次回火，每次回火2小时。

本发明热作模具钢经过上述热处理后，进行性能测试：

(1)淬火硬度：54.5HRC；回火硬度：50.5HRC

(2)冲击韧性实验：

在坯料上取横向冲击试样，试样尺寸为7mm×10mm×55mm(采用北美压铸协会标准)。

室温冲击功值：270J。

(3)热稳定性：

本发明热作模具钢在620℃条件下与3Cr2W8V进行稳定性对比实验，3Cr2W8V钢经过淬回火处理之后使其硬度值与本发明钢一样，均为50.5HRC，试验结果如附图1所示。由附图1可见，虽然实验开始前本发明热作模具钢与3Cr2W8V硬度值一致，但在620℃下，从进行20个小时热稳定性实验硬度变化情况来看，本发明的热作模具钢从热稳定实验开始，直至实验结束，其硬度值均高于传统的热作模具钢3Cr2W8V。经过20小时之后，本发明热作模具钢的硬度保持在44HRC，而3Cr2W8V的硬度值39.2HRC，高出3Cr2W8V约5个HRC，其热稳定性优于3Cr2W8V。

(4)热疲劳性能测试：

在700℃条件下进行冷热循环，经过3000次后，对比本发明热作模具钢与3Cr2W8V钢的热疲劳表面形貌(如附图3所示)。由图中可见，本发明热作模具钢热疲劳实验后，表面裂纹十分均匀、细小，在表面上没有看到比较大的主裂纹的形成。而3Cr2W8V的表面裂纹成网状，且其中存在几条宽度较大的的主裂纹，裂纹之间相互贯通，呈开裂状。二者对比可以看出，本发明热作模具钢的热疲劳性能强于3Cr2W8V钢。

Claims

1.一种高锰低铬型高强韧性热作模具钢，其特征在于该钢的化学成分及重量百分比为：C 0.3～0.6％，Si 0.1～0.5％，Mn 0.5～1.5％，Cr 1.5～4.0％，Mo 1.0～3.0％，V 0.4～1.3％，W 0.5～2.0％，P<0.02％，S<0.02％，Fe余量。

2.一种用于如权利要求1所述的高锰低铬型高强韧性热作模具钢的制备方法，该方法具有以下的工艺过程和步骤：

1)按高锰低铬型高强韧性热作模具钢的化学成分及重量百分比：C 0.3～0.6％，Si0.1～0.5％，Mn 0.5～1.5％，Cr 1.5～4.0％，Mo 1.0～3.0％，V 0.4～1.3％，W 0.5～2.0％，P<0.02％，S<0.02％，Fe余量，配料、感应熔炼或电弧炉熔炼、然后进行电渣重熔；

2)高温均质化处理：均质化温度为1200～1280℃，匀质化时间为8～10h；然后锻造：加热至1100～1150℃温度范围内进行锻造加工，终锻温度≥850℃；退火：退火温度为830～850℃，退火时间为6～10h；

3)淬火回火热处理：加热至1000～1100℃进行奥氏体化，采用油淬或高压气淬；随后进行580～640℃两次回火，每次回火时间为2～4h。