CN101798661A - 一种热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于热作模具钢技术领域，特别是提供了一种热作模具钢及其制备方法。热作模具钢的成分及其质量百分数为：C：0.30～0.60，Cr：2.7～3.5，Mo：2.0～2.5，Si：0.20～0.80，Mn：0.50～1.0，V：0.60～1.2，Ni：0.60～1.5，Nb：0.05～0.15，B：0.002～0.006，S：≤0.030，P：≤0.030，余量为Fe。采用EAF初炼-LF精炼-VD脱气-电渣重熔-锻造-热处理工艺路线制备。本发明钢合金元素配比合理，具有高的抗热疲劳、热冲击开裂和高的热稳定性，综合性能优良，大幅度提高热作模具寿命。本发明钢可用来制造长寿命挤压模具、锻造模具等。

Description

一种热作模具钢及其制备方法

技术领域

本发明属于热作模具钢技术领域，特别是提供了一种热作模具钢及其制备方法。

背景技术

近终成形用热作模具钢材料是实现制造业现代化的基础与核心技术之一，其发展水平是衡量一个国家制造业水平高低的主要指标。热作模具钢一般是在相当复杂工作条件下运作的，对于模具钢材料的性能要求也相当严格。目前广泛使用的热作模具钢是H13。它强韧兼备，有良好的抗热疲劳性和热稳定性，但在使用温度超过600℃时，H13钢由于耐热性不足就失去了原来的优良性能，而高耐热性的3Cr2W8V钢因其抗热疲劳抗力差，模具常因发生龟裂而早期失效，因而严重限制了其使用寿命。

鉴于上述原因，许多国内外的科研工作者都致力于新型高性能热作模具钢的研究，虽然研制出许多新的钢种，并且不乏有一些性能优良的钢种，但是大多数都是针对某一方面的问题孕育而生，因而其应用领域受到限制。因此，致力于优化合金成分配比，开发性价比高的、综合性能高的、应用范围更广的新型热作模具钢，是科研工作者长期的任务。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高性能(σ_b1400≥MPa，冲击功Ak≥20J)热作模具钢及其制备方法，实现了开发性价比高的、综合性能高的、应用范围更广的新型热作模具钢。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型高性能热作模具钢含有以下合金成分(wt％)：

C：0.30～0.60，Cr：2.7～3.5，Mo：2.0～2.5，Si：0.20～0.80，Mn：0.50～1.0，V：0.60～1.2，Ni：0.60～1.5，Nb：0.05～0.15，B：0.002～0.006，S：≤0.030，P：≤0.030，余量为Fe。

其中优选，C：0.36～0.44，V：0.60～1.0。

本发明的设计依据是：

碳：C是提高钢的硬度和强度最为有效的元素，固溶强化作用显著，回火时析出大量弥散的碳化物具有弥散强化作用，是保证热作模具钢所能达到的强度的必不可少的元素。但C含量过高会造成钢中碳化物数量的增多，降低韧性和焊接性能。国内外研究表明，若要获得较好的综合机械性能，钢中碳量要控制在0.30～0.60％。

铬：Cr是合金工具钢中普遍含有的和价廉的合金元素，主要作用是提高钢的淬透性和抗氧化性，可以提高抗蠕变性能。过高的Cr含量有损于钢的高温强度。适宜的Cr含量为2.7～3.5％。

锰：钢中含有Mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与S有较大的亲合力，可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS，而以具有一定塑性的MnS存在，从而消除硫的有害影响，改善钢的热加工性能。Mn具有固溶强化作用，从而提高铁素体和奥氏体的强度和硬度，锰溶入奥氏体中能强烈增加钢的淬透性，同时强烈减低钢的Ms点，但Mn含量过高有使钢晶粒粗化的倾向。故选择Mn含量为0.5～1.0％。

硅：Si是一个对铁素体进行置换固溶强化非常有效的元素，仅次于磷，但同时在一定程度上降低钢的韧度和塑性。Si也为提高回火抗力的有效元素。一般都将Si限制在钢脱氧需要的范围内。Si易使钢呈现带状组织，使钢的横向性能比纵向性能差，也使钢的脆性转折温度升高；Si还具有促进钢的脱碳敏感性；但Si有利于高温抗氧化性的提高。如果将Si作为合金元素加入钢中，其量一般不小于0.40％。在发明钢中Si含量控制在0.20～0.80％。

钼：Mo是强碳化物形成元素，可提高淬透性和热稳定性，只有当Mo含量超过2.00％时才具有明显的提高热稳定性的作用，但过高的Mo含量也促进了脱碳倾向性并增加了热处理的敏感性，增大热加工变形抗力，降低钢的热加工性能。一般为了产生二次硬化效应，要求Mo的加入量不低于1.0％，加入3％Mo时可取得接近极值的效果。当加入量为2.0％～2.5％时，可获得最经济和有效的效果。

钒：V在钢中的主要作用是细化晶粒，提高钢的强韧性，增加钢的回火稳定性和增强二次硬化效应。马氏体钢中，V含量达到0.5％就可以产生足够的二次硬化效应。V含量过高，在二次硬化温度范围内回火，钢的塑性、韧性将明显下降。

镍：Ni是非碳化物形成元素，可以提高钢的淬透性、韧性和导热性，适宜的Ni含量在1％左右。

铌：Nb在钢中析出极为细小弥散的碳化物，起到钉扎晶界的作用，从而细化晶粒，提高韧性。钢中添加0.05％Nb即可起到提高钢的冲击韧性的作用，Nb含量过高则降低钢的淬透性，因此添加了0.05～0.15％的Nb。

硼：B可以提高晶界强度和淬透性，从而提高高温强度，因此添加了0.002～0.006％的B。

此外，加入钢中的合金元素不仅要提高钢的红硬性、耐磨性、高导热率和抗热疲劳能力，而且还要求有良好的工艺性能，其中在模具工作温度范围内不发生相变仍具有巨大意义，这就要求加入的合金元素能显著提高Ac₁温度，缩小Ac₁与Ac₃温度间距离，从而使本发明钢具有高的热稳定性能的同时减弱热处理工艺的敏感性。

本发明热作模具钢的制备方法为：

(1)冶炼及合金化：电炉或转炉冶炼至化学成分范围符合要求，出钢，炉外精炼，经真空除气处理使气体含量达要求，而后经电渣重熔处理使S、P等非金属杂物含量达要求；

(2)锻造及退火：电渣锭锻造工艺为1140～1160℃加热，始煅温度为1090～1150℃，终煅温度≥900℃；锻造后等温退火：加热温度为830～850℃、保温2～6h，等温温度为720～740℃，保温4～8h，炉冷至500℃以下出炉空冷。

本发明钢已通过某高速模锻压力机用模具的使用考核，并可应用于压铸铝镁铜合金、铝合金挤压等模具。本发明钢具有以下优点：

1、使用寿命优异。用作高速模锻机用模具后，经现场检验表明，使用寿命较H13、3Cr2W8V等有大幅度提高。

2、良好的综合性能，性价比高。综合考虑了各种工况条件对模具性能的要求，与目前工业常用的H13、3Cr2W8V等钢相比，在保证强度不降低情况下，具有良好的热稳定性、导热性，抗疲劳性能优异。

3、钢种的生产准备工艺简单。与传统模具钢准备工艺相比，采用电弧炉+LF精炼+电渣重熔或感应炉+电渣均可生产，热加工等生产工艺易于控制，制品质量及组织性能达到要求。

具体实施方式

下面结合具体实施实例来进一步说明本发明。

1、本发明所述的高性能热作模具钢通过优化合金成分配置和优化制备工艺实现高性能。其制备方法为：(1)冶炼及合金化：电炉或转炉冶炼至化学成分范围符合要求，出钢，炉外精炼，经真空除气处理使气体含量达国际要求，而后经电渣重熔处理使S、P等非金属杂物含量达国标要求；(2)锻造及退火：电渣锭锻造工艺为1140～1160℃加热，始煅温度为1090～1150℃，终煅温度≥900℃；锻造后等温退火：加热温度为830～850℃、保温3h，等温温度为720～740℃，保温6h，炉冷至500℃以下出炉空冷。

2、根据本发明钢种设计成分，采用EAF初炼-LF精炼-VD脱气-电渣重熔-锻造-热处理工艺路线，对试验用钢进行化学成分分析及力学性能检测。

本发明例与对比钢化学成分及比较见表1。

本发明钢与对比钢拉伸性能相比，室温拉伸性能与对比钢相当，高温拉伸性能显著优于对比钢。其具体性能数据对比见表2。

本发明钢热稳定性显著优于对比钢。其具体性能数据对比见表3。

表1本发明钢实施例与对比钢的化学成分，wt％

钢种	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Ni	Nb	B	S、P
											本发明钢1#	0.39	0.26	0.76	2.89	2.23	0.73	1.08	0.10	0.003	＜0.03
本发明钢2#	0.40	0.40	0.70	2.80	2.30	0.80	1.00	0.09	0.004	＜0.03
											对比钢-H13	0.40	0.98	0.30	5.2	1.30	1.00	-	-	-	＜0.03

表2本发明钢实施例与对比钢的拉伸强度对比

表3本发明钢实施例与对比钢的热稳定性对比

Claims (3)

1.一种热作模具钢，其特征是：化学成分及其质量百分比：C：0.30～0.60，Cr：2.7～3.5，Mo：2.0～2.5，Si：0.20～0.80，Mn：0.50～1.0，V：0.60～1.2，Ni：0.60～1.5，Nb：0.05～0.15，B：0.002～0.006，S：≤0.030，P：≤0.030，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的热作模具钢，其特征是：组分中C：0.36～0.44，V：0.60～1.0。

3.一种制备权利要求1所述的热作模具钢的方法，其特征在于，工艺为：

(1)冶炼及合金化：电炉或转炉冶炼至化学成分范围符合要求，出钢，炉外精炼，经真空除气处理使气体含量达要求，而后经电渣重熔处理使S、P非金属杂物含量达要求；

(2)锻造及退火：电渣锭锻造工艺为1140～1160℃加热，始煅温度为1090～1150℃，终煅温度≥900℃；锻造后等温退火：加热温度为830～850℃、保温2～6h，等温温度为720～740℃，保温4～8h，炉冷至500℃以下出炉空冷。