CN101709423A - 一种通过加氮改进h13模具钢性能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过加氮改进H13模具钢性能的方法,属于金属材料领域。本发明是对传统H13钢的化学成分进行改进,通过加入固溶氮元素提高模具钢的强度、硬度和耐磨性,并且不降低韧性。氮元素采用添加氮化铬中间合金的方法加入,其他元素采用常规方法。熔炼时为保证氮元素收得率,减少熔炼过程的溢出和凝固时形成气泡,要严格控制熔炼温度在熔点以上50℃之内,在合金全部溶化后迅速浇铸。含氮H13模具钢的化学成分百分含量如下:碳:0.28~0.40,硅:0.8~1.2,锰:0.2~0.5,铬:4.75~5.5,钼:1.10~1.75,钒:0.8~1.2,氮:0.02~0.08,磷≤0.03,硫≤0.03,余量:铁。经热处理后的锻件达到如下性能:硬度值53~55HRC,抗拉强度1800MPa以上,屈服强度1480MPa以上,冲击吸收功值稳定在15~16J之间。强度、硬度高于H13钢,韧性不低于H13钢。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域,涉及一种H13模具钢,针对H13模具钢的化学成分进行改进,通过加入固溶氮原子提高H13钢强度、硬度和耐磨性。
背景技术
含氮钢由于其高性能、低成本已经引起钢铁行业的的广泛关注[干勇,董瀚,先进钢铁材料技术的进展,中国冶金,2004,(8):1-6]。氮在钢中作为固溶强化元素,不会像碳一样导致晶间碳化物的析出,因此氮在提高钢强度的同时不会降低韧性。目前高氮钢的强度最高可达3600MPa,预计很快达到4000MPa,而其韧性比同等强度的钢要高[M.Milititsky,et al.,Impact toughness properties of nickel-free austenitic stainless steels,Materials Science and EngineeringA,2008,(496):189-199]。氮作为提高强度、奥氏体化和耐点蚀的重要化学元素,已经在不锈钢中广泛应用,如含氮0.1%的UNS S32304(23Cr-4Ni-0.1N),可代替AISI304钢使用,节约贵重金属镍资源;SUS304N是在传统304钢的成分基础上添加N元素,提高了该钢种的综合力学性能和耐蚀性[M.O.Speidle,董瀚,可持续发展的高氮奥氏体不锈钢,不锈,2004,(3):1-7]。
H13钢是使用广泛且最具代表性的铬系热作模具钢,其合金元素含量多,价格昂贵。但目前H13钢,尤其国产H13钢耐磨性、寿命偏低,使得金属热加工产品的生产成本居高不下。对于中等强度的建筑用铝合金金挤压产品,工模具的成本占总成本的30%左右,如将其使用寿命提高5~10倍,则产品的成本可大幅度下降[刘静安,邵莲芬,铝合金挤压工模具典型图册,化学工业出版社,2008]。而对于大型工业型材用工模具,由于其耐磨性、强度、韧性的要求更高,国产模具几乎不能满足使用要求。大幅度提高模具钢的耐磨性、改善其韧性,是提高模具使用寿命、降低产品制造成本的主要途径。热作模具钢主要在室温至600℃之间循环服役,要求优良的高温强度、硬度和韧性,在钢中添加适量的氮可望在提高其高温强度、硬度的同时,获得良好的韧性,从而提高模具的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低廉的提高H13模具钢的强度、硬度并且不降低其韧性的化学成分优化方案。
一种通过加氮改进H13模具钢性能的方法,H13模具钢化学成分及重量百分含量如下:
碳:0.28~0.40,硅:0.8~1.2,锰:0.2~0.5,铬:4.75~5.50,钼:1.10~1.75,钒:0.8~1.2氮:0.02~0.08;
主要夹杂:磷≤0.03,硫≤0.03
余量:铁
氮元素采用添加氮化铬中间合金的方法加入,其他元素采用常规方法。制备方法如下:按钢中各元素所占重量比计算、准备原材料,按下列顺序依次加入真空感应熔炼炉进行熔炼:先加入纯铁、金属钼和1/3氮化铬,抽真空并充入氮气进行保护,熔化后加入硅铁、钒铁和1/3氮化铬,全部熔融后加入最后1/3氮化铬和易挥发的金属锰。为保证氮元素收得率,减少熔炼过程的溢出和凝固时形成气泡,要严格控制熔炼温度在熔点以上50℃之内,在合金全部溶化后迅速浇铸。
熔炼所得铸锭进行电渣重熔、多向锻造、退火、淬火、回火,其工艺制度与常规H13模具钢相同。
本发明的优点:
1.原材料成本低廉,仅在传统H13钢成分基础上添加廉价的氮元素。
2.采用传统的熔铸、加工和热处理设备及工艺制度,无须额外的设备、工艺投入。
3.结合了含氮钢和H13模具钢两者的优点,所开发的新型含氮H13模具钢较传统H13模具钢强度高、硬度高,韧性不降低。
4.由于硬度的提高,可大幅度降低热作模具的磨损。
5.有较强的实际生产用途,可用作新型铝镁合金热挤压模和压铸模用钢。
附图说明
图1为实施例1含氮H13钢回火试样金相图
图2为实施例2含氮H13钢回火试样金相图
具体实施方式
实施例1:采用本发明所述感应熔炼方法,熔炼加氮的H13模具钢,化学成份如下(%)
C | Si | Mn | Cr | Mo | V | P | S | N |
0.31 | 0.89 | 0.30 | 4.90 | 1.25 | 0.92 | 0.0058 | 0.0040 | 0.085 |
实施例2:采用本发明所述感应熔炼方法,熔炼加氮的H13模具钢,化学成份如下(%)
C | Si | Mn | Cr | Mo | V | P | S | N |
0.29 | 0.96 | 0.30 | 5.03 | 1.27 | 0.92 | 0.0050 | 0.0049 | 0.021 |
对以上实施例中的铸锭进行相同工艺的电渣重熔、多向锻造及热处理。锻造时总锻造比≥4,各工序镦粗比≥2。锻造后立即进行等温球化退火,其工艺为:(840~890℃)×(3h)+炉冷至(710~740℃)保温3.5h,之后炉冷至500℃出炉空冷。退火后的试样再经680~720℃和820~850℃分级预热,最终分别加热到1020℃、1080℃保温2h后油淬。油淬后的试样再经560℃和540℃二次回火,回火时间为1小时。
回火后试样的金相组织如图1和图2所示,力学性能如表1所示。
表1含氮H13钢回火试样力学性能
Claims (1)
1.一种通过加氮改进H13模具钢性能的方法,其特征是H13模具钢化学成分及重量百分含量如下:
碳:0.28~0.40,硅:0.8~1.2,锰:0.2~0.5,铬:4.75~5.50,钼:1.10~1.75,钒:0.8~1.2氮:0.02~0.08,磷≤0.03,硫≤0.03,余量:铁
氮元素采用添加氮化铬中间合金的方法加入,其他元素采用常规方法;制备方法如下:按钢中各元素所占重量比计算、准备原材料,按下列顺序依次加入真空感应熔炼炉进行熔炼:先加入纯铁、金属钼和1/3氮化铬,抽真空并充入氮气进行保护,熔化后加入硅铁、钒铁和1/3氮化铬,全部熔融后加入最后1/3氮化铬和易挥发的金属锰;为保证氮元素收得率,减少熔炼过程的溢出和凝固时形成气泡,要严格控制熔炼温度在熔点以上50℃之内,在合金全部溶化后迅速浇铸;
熔炼所得铸锭进行电渣重熔、多向锻造、退火、淬火、回火,其工艺制度与常规H13模具钢相同。
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