CN101709428A - 复合微合金化高热强性热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合微合金化高热强性热作模具钢材料及其制备方法，属模具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：C0.25～0.4％，Si1.0～1.8％，Mn0.01～0.3％，Cr3.5～5.0％，Mo2.0～3.5％，V0.8～1.5％，Nb0.03～0.07％，稀土元素(Ce+La)0.05～0.1％，P＜0.02％，S＜0.02％，Fe余量。本发明热作模具钢的制备过程如下：(1)熔炼后加入稀土、(2)电渣重熔、(3)高温均质化处理、(4)锻造及固溶处理、(5)球化退火、(6)热处理；最终制得热作模具钢。该模具钢的最大优点是：高的纯净度、高的热强性、好的热稳定性，同时具有优异的热疲劳性能。

Description

复合微合金化高热强性热作模具钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合微合金化高热强性热作模具钢及其制备方法，属模具钢制造工艺技术领域。

背景技术

在模具诸多失效因素中，模具材料品质以及模具制造工艺不当而引起的失效约占70％，可见模具用材是决定模具质量的重要因素之一。随着模具产业向高端水平发展，势必要对模具或模具材料的性能(强度及韧性)提出更高更严的要求。

国产合金模具钢的品质低下，热作模具钢的综合性能水平不高。如3Cr2W8V钢的热强性虽高，但韧性不足，模具使用时断裂情况时有发生。4Cr5MoSiV1钢(相当于美国H13钢)韧性虽好，但热强性不理想，模具使用时模腔易于塌陷或者变形。因此，在国内的热作模具钢领域，开发具有良好强韧性、热稳定性及热疲劳性能的新钢种迫在眉睫。

目前，稀土元素在合金模具钢中应用研究的文献报导很少。稀土有很好的化学活性，易于与钢中的硫氧结合生成高熔点稀土硫氧化物，这种物质会在钢液凝固过程中作为非自发结晶核心，促使钢中晶粒细化。同时，稀土元素可以改变合金模具钢内合金碳化物[Mn(Cr，W，V，Mo)Cn]的形态，使得合金碳化物由针状、片状和连续网状变为不连续分布的碳化物网和颗粒状或球状碳化物形态，从而改善钢的组织和性能。

同样，铌作为微合金化元素添加到工模具钢中的应用也少见报导。而铌相对于钒更易形成稳定、细小的MC型碳化物，要达到相同的强化效果，较少的铌含量便可以实现。另外由于铌的MC型碳化物更为稳定细小，因而有助于在提高奥氏体化温度时阻止奥氏体晶粒长大。

针对以上情况，本发明拟将从复合微合金化、电渣重熔工艺和双细化工艺处理等方面来实现合金模具钢的优化，从而获得高质量、高强韧性热作模具钢。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有良好的热稳定性和热疲劳性能的复合微合金化高热强性热作模具钢。

本发明的另一目的是提供一种复合微合金化高热强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     0.25～0.4％，Si    1.0～1.8％，

Mn    0.01～0.3％，Cr    3.5～5.0％，

Mo    2.0～3.5％， V     0.8～1.5％，

Nb    0.03～0.07％，稀土元素  0.05～0.1％，

P     ＜0.02％，    S         ＜0.02％，

Fe    余量。

上述的稀土元素为Ce和La。

上述的复合微合金化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.感应熔炼：按上述的合金元素配比进行电炉熔炼或感应熔炼，加入稀土，浇铸成电极棒；

b.电渣重熔：将熔炼浇铸出的电极棒放到电渣重熔装置中，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.高温均质处理：针对铌的大颗粒伪共晶碳化物，采用温度为1210～1300℃的高温均质化工艺对其进行消除，均质化时间为5～10h，以达到均匀铸态组织，减少偏析，消除铌的伪共晶碳化物的目的；

d.锻造及固溶处理：将上述钢锭在1100～900℃温度范围内进行锻造加工，然后直接进行固溶处理；

e.球化退火：采用880℃和730℃两段进行球化退火，总的退火时间约为10h。

f.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℃，进行二次回火，每次2小时。

本发明的热作模具钢其成分设计的理论依据如下所述：

本发明热作模具钢中的微合金元素为Nb和稀土元素。Nb可以提高奥氏体的再结晶温度而使晶粒细化，还可以与钢中的C、N原子结合形成Nb(CN)析出相，在铁素体中固溶析出，产生沉淀强化作用，从而提高钢的强度和热疲劳性能。稀土元素在钢中的效能是变质作用和净化作用，可以降低金属材料内部存在的裂纹萌生源，控制金属材料内晶粒尺寸、取向和晶粒界面形状，可以改变夹杂物、碳化物的大小、形状和分布。因此，Nb和稀土元素的复合加入可以使钢的晶粒细化、组织纯净，具有良好的使用性能。

本发明热作模具钢的制备方法是在电炉熔炼之后添加适量的稀土元素，能够对合金钢产生很好的净化作用，清除钢中气体、杂质的危害，因此可以省掉常规冶炼中的真空精炼，直接进行电渣重熔处理。该工艺优点是投资少，生产周期短，市场适应性强。另外在钢材的组织控制方面，采用了双细化控制工艺，即锻造前的高温均质化退火处理、停锻时的快速冷却和后续等温球化退火热处理工艺，使得淬火前的组织更加均匀细小。(图1为本发明热作模具钢退火态组织)

本发明热作模具钢经过热处理后，具有良好的热稳定性、较高的硬度、冲击韧性和优异的热疲劳性能。

附图说明

图1为本发明热作模具钢退火态金相组织图。

图2为本发明热作模具钢和H13钢在620℃条件下的热稳定性曲线对比图。

图3为本发明热作模具钢和H13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，(a)试验钢表面裂纹(b)试验钢截面裂纹(c)H13钢表面裂纹(d)H13钢截面裂纹。

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 0.32％，Si 1.53％，Mn 0.23％，Cr 4.25％，Mo 2.92％，V 0.99％，Nb 0.06％，稀土元素(Ce+La)0.086，P 0.011％，S＜0.016％，Fe余量。

本实施例中，热作模具钢的工艺过程和步骤如下：

(1)感应熔炼：按设计的合金元素配比进行感应熔炼，加入稀土，然后浇铸成φ80mm的电极棒；

(2)电渣重熔：将熔炼浇铸出的电极棒放到电渣重熔装置中，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φ160mm约70Kg的钢锭；

(3)高温均质化处理：针对铌的大颗粒伪共晶碳化物，在1250℃进行高温均质化处理，均质化时间为6h，炉冷的冷却速度＜100℃/h，以达到均匀铸态组织，减少偏析，消除铌的伪共晶碳化物的目的；

(4)锻造及固溶处理：将上述钢锭在1100～900℃温度范围内进行锻造，得到钢锻件，随后进行固溶处理；

(5)球化退火：试验钢采用880℃和730℃两段进行球化退火，总退火时间为10h。退火结束后，试验钢随炉冷却；

(6)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℃，进行二次回火，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H13钢进行性能对比，

H13钢的成分如下表所示：

成分(wt％)	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	P	S
									H13钢	0.39	1.02	0.37	5.20	1.34	0.98	0.016	0.015

H13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：

(a)金相组织：附图1即为试验钢的退火态组织，不存在成分偏析的现象，组织细小均匀，基体上弥散分布着小颗粒的碳化物。

(b)试验钢回火硬度：HRC50；H13钢回火硬度：HRC46。

(c)试验钢室温冲击韧性：288J/cm²；H13钢室温冲击韧性：240J/cm²。

(d)热稳定性：在620℃条件下，分别保温4h、6h、8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h，观察试验钢的硬度变化。附图中的图2为本发明热作模具钢与H13钢的热稳定性曲线对比图。

由图可知，本发明热作模具钢在620℃保温过程中，硬度始终高于H13钢。20小时后，其硬度值仍然可以达到40HRC以上，而H13钢在长时间的高温回火条件下硬度值已经降低到32.3HRC。因此本发明热作模具钢的热稳定性优于H13钢。

(e)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次后钢的表面和截面疲劳损伤情况综合反映，附图中的图3为本发明热作模具钢与H13钢试样的热疲劳损伤情况对比图。

从图中可以看出，H13钢的裂纹较宽，形成几条粗大的贯穿试样表面的主裂纹，且裂纹较深；而本发明热作模具钢的热疲劳裂纹细而浅，较稀疏地分布在试样表面，热疲劳性能明显优于H13钢。

Claims (2)

1.一种复合微合金化高热强性热作模具钢，其特征在于该钢具有以下的成分及重量百分比：

C 0.25～0.4％，Si 1.0～1.8％，Mn 0.01～0.3％，Cr 3.5～5.0％，Mo 2.0～3.5％，V 0.8～1.5％，Nb 0.03～0.07％，稀土元素(Ce+La)0.05～0.1％，P＜0.02％，S＜0.02％，Fe余量。

2.一种根据权利要求1所述的复合微合金化高热强性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.熔炼：按复合微合金化高热强性热作模具钢的成分及重量百分比：C 0.25～0.4％，Si1.0～1.8％，Mn 0.01～0.3％，Cr 3.5～5.0％，Mo 2.0～3.5％，V 0.8～1.5％，Nb 0.03～0.07％，稀土元素(Ce+La)0.05～0.1％，P＜0.02％，S＜0.02％，Fe余量进行配料，然后进行电炉熔炼或感应熔炼，加入稀土，浇铸成电极棒；

b.电渣重熔：将熔炼浇铸出的电极棒放到电渣重熔装置中，进行二次精炼；

c.高温均质处理：进行温度为1210～1300℃，时间为5～10h的高温均质化处理；

d.锻造及固溶处理：在1100～900℃温度范围内进行锻造，然后直接进行固溶处理；

e.球化退火：采用880℃和730℃两段进行球化退火，总的退火时间为10h；

f.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℃，进行二次回火，每次2小时。

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