CN101942606A

CN101942606A - 含氮奥氏体型热作模具钢及其制备方法

Info

Publication number: CN101942606A
Application number: CN 201010291043
Authority: CN
Inventors: 吴晓春; 江浩; 闵娜
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: Shang daxinlan material technology (Shanghai) Co., Ltd.
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: CN101942606B

Abstract

本发明涉及一种含氮奥氏体型热作模具钢材料，属合金钢制造技术领域。本发明的热作模具钢的成分及重量百分比为：C 0.3～0.7％，Si 0.5～1.1％，Mn 10.0～15.0％，Cr 2.0～6.0％，Mo 1.5～3.5％，V 0.5～2.0％，P＜0.02％，S＜0.005％，N0.15～0.30％，Fe余量。本发明热作模具钢的制备方法是配料后熔炼、浇铸、电渣重熔，在1220～1250℃高温均匀化；进行粗锻和毛坯锻造，然后在1140～1220℃固溶处理和680～800℃时效处理。本发明的热作模具钢是一种高热稳定性、高强度、高韧性的含氮奥氏体型热作模具钢。

Description

含氮奥氏体型热作模具钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型的含氮奥氏体型热作模具钢及其制备方法，属合金钢制造技术领域。

背景技术

传统热作模具钢均为马氏体型钢，这些材料虽具有高硬度与耐磨性能，但存在一点致命缺陷，其使用温度大多都在650℃以下，即无法在高温条件下工作。当温度超过650℃时，马氏体基体分解，发生回复软化，导致材料失效。与马氏体型钢的此点不足相比较，奥氏体型热作模具钢不论在常温或是高温工作条件下，基体始终保持单一奥氏体状态，可避免基体分解、回复软化的问题。

奥氏体作为基体，具有良好韧性，但硬度偏低。一般通过加入诸如Cr、Mo、V等合金元素，使其在热处理过程中形成稳定、细小碳化物，依靠这些碳化物的弥散析出强化基体、提高硬度。当在高温条件下工作时，奥氏体钢仍可依靠碳化物保持自身强度和硬度。

发明内容

本发明的目的是提供一种含氮奥氏体型热作模具钢。

本发明的另一目的是提供一种含氮奥氏体型热作模具钢的制备方法。

本发明一种加氮奥氏体型热作模具钢，其特征在于具有以下的成分及重量百分比：

C 0.3～0.7％， Si 0.5～1.1％，

Mn 10.0～15.0％， Cr 2.0～6.0％，

Mo 1.5～3.5％， V 0.5～2.0％，

P ＜0.02％， S ＜0.005％，

N 0.15～0.30％ Fe 余量。

上述的稀土奥氏体型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：按上述配方进行配料并熔炼；将配料置于中频感应炉中，在1500～1700℃温度下进行熔炼，往钢液中先添加氮化铬铁，随后添加氮化锰铁，继续熔炼5～10分钟，然后浇注钢锭；电渣重熔：将上述熔炼浇注所制钢锭作为电渣重熔过程中的自耗电极，进行二次精炼；电流通过电渣层产生产生电阻热，从而熔化作为自耗电极的合金钢，使金属液体以熔滴的形式经过渣池的渣层下落至下方的水冷结晶器中，重新凝固成钢锭；

b.高温均匀化：将上述电渣重熔所制得的钢锭加热至1220～1250℃，并保温8～10小时，之后空冷，以改善材料的凝固组织与成分均匀性；

c.锻造：将上述高温均匀化所制得的钢锭加热至1200～1230℃，随后进行粗锻，终锻温度为950～1000℃，制备得到锻件毛坯；

d.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；

e.热处理工艺：对最终锻件先后采用固溶与时效处理两种热处理方法，固溶温度为1140～1220℃；时效温度为680～800℃，时效时间为2～8小时；最终制得含氮奥氏体型热作模具钢。

本发明钢的理论依据：奥氏体型热作模具钢组织为单一奥氏体和析出相。奥氏体型热作模具钢的性能主要取决于奥氏体晶粒的晶粒度以及钢中析出相的大小、形态以及分布情况。因此，在本发明钢中添加N元素，目的有以下几点：

1.稳定奥氏体组织：氮原子占据面心立方体的八面体位置，能提供较大体积。这个位置上间隙导致的变形不改变立方对称。氮原子半径比碳原子小，然而氮在铁的面心立方体与碳相比晶格膨胀大，金属特性强。晶格的膨胀提高了奥氏体的强度，因此氮可减缓面心结构向体心和密排六方结构马氏体的转变。

2.氮对韧性的作用：氮在基体中的出现，给基体提供了更多的自由电子，在晶格上的置换元素宁可形成含氮化合物，也不愿把它排斥到晶界上，因此氮的弱晶界偏析对韧性有利；另外，氮的加入还会降低铬在奥氏体中的扩散系数，使铬的扩散变慢，从而减少晶界碳化物的析出，提高材料韧性。

3.氮对硬度的作用：以固溶形式存在于奥氏体钢中的氮元素，通过后续时效处理期间有利的二次硬化使钢具有较好的性能，当有稳定合金化的元素时，诸如Ti、V或Nb，形成细小稳定的碳氮化物提供弥散析出强化，提高材料的强硬度。

4.氮对热稳定性的作用：氮对材料的热力学稳定性有显著影响，根据化学成分、热处理温度以及时效时间的不同，可在含氮钢中发现不同类型、大小的碳氮化物，氮会使碳氮化物的沉淀析出的时效时间变得更长，从而推迟析出相的形核。碳氮化物中的氮会减小析出相与奥氏体基体的失配，从而降低界面能，抑制析出相的粗化，氮也可降低碳原子与碳化物形成元素的扩散能力，推迟碳化物的过时效，提高材料的高温稳定性。

本发明钢中10.0～15.0％含量的Mn起到稳定奥氏体组织的作用，0.15～0.30％含量的N元素起到固溶强化作用，并在时效后与V结合形成二次析出相起到析出强化作用，提高本发明钢的强韧性。

本发明热作模具钢经过热处理后，具有较高的洛氏硬度、良好的冲击韧性以及优异的热稳定性能。

附图说明

图1为本发明钢、H13钢、DIEVAR钢在700℃的热稳定性对比曲线图。

图2为本发明钢在700℃与750℃的热稳定性对比曲线图。

具体实施方式

先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：C0.632％，Si0.901％，Mn14.255％，Cr3.158％，Mo1.698％，V1.786％，N0.208％，P0.015％，S＜0.001％，Fe余量。

本实施例中，热作模具钢的工艺过程和步骤如下：

(1)熔炼：安上述配方配料，置于中频感应炉中加热，钢液温度达到1500～1700℃时，先向钢液中添加50Kg氮化铬铁合金，过2分钟后再添加100Kg氮化锰铁合金，继续熔炼8分钟左右，浇注钢锭；

(2)电渣重熔：将上述钢锭放于电渣重熔装置中，进行二次精炼；

(3)高温均匀化：将上述钢锭加热到1230℃，并保温9小时，然后置于空气中冷却；

(4)锻造：将上述钢锭加热到1220℃，然后进行粗锻，终锻温度为980℃，得到钢锻件毛坯；

(5)毛坯锻造：将上述钢锻件毛坯再次加热至1140℃，在1000℃再次进行锻造加工；

(6)热处理工艺：固溶温度为1200℃，固溶时间为30分钟；时效温度为680℃，时效时间为4小时，最终制得含氮奥氏体型热作模具钢。

氮化铬铁与氮化锰铁的化学成分如下表1所示：

表1固体合金氮化锰铁和氮化铬铁的化学成分(wt％)

	Mn/Cr	C	N	Si	P	S	Fe
								氮化锰铁	80.00	0.10	7.00	1.00	0.03	0.02	余量
氮化铬铁	60.00	0.06	8.50	1.50	0.03	0.03	余量

性能测试

将上述热作模具钢样品做性能测试，结果如下：

(1)时效后硬度：HRC47

(2)冲击韧性：沿锻件横向取样：室温冲击功130J；

沿锻件纵向取样：室温冲击功大于250J。

(3)热稳定性：此处热稳定性表达方式为：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。本发明热作模具钢与H13钢及DIEVAR钢在700℃条件下，做热稳定性试验。H13钢及DIEVAR钢成分如下表2所示。本发明钢、H13、DIEVAR钢的热稳定性对比如附图1所示。

表2H13及DIEVAR的成分

成分(wt％)	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	P	S
									H13	0.373	0.990	0.270	5.457	1.234	0.990	0.016	0.005
DIEVAR	0.312	0.240	0.483	5.100	2.400	0.589	0.006	0.0004

用于对比的钢种热处理工艺：

H13：1100℃淬火+600℃回火2小时(2次)。

DIEVAR：1025℃淬火+600℃回火2小时(2次)+560℃回火2小时。

本发明钢：1200℃固溶+680℃时效保温4小时。

为考察本发明热作模具钢的高热强性，在750℃条件下，做热稳定性试验，并与700℃条件下热稳定性数据作对比，如附图中的图2所示。

实验结果

由图1试验曲线可看出，在700℃条件下，H13与DIEVAR的热稳定性能不佳，硬度下降趋势十分明显，性能已完全不能满足工作条件，而本发明热作模具钢在700℃条件下热稳定性能良好，硬度稳定保持在47HRC左右；并且由图2可看出，本发明钢在750℃条件下依然具有优异的热稳定性能，硬度均保持在46HRC左右。

Claims

1.一种含氮奥氏体型热作模具钢，其特征在于该钢具有以下的化学成分及重量百分比：

C 0.3～0.7％， Si 0.5～1.1％，

Mn 10.0～15.0％， Cr 2.0～6.0％，

Mo 1.5～3.5％， V 0.5～2.0％，

P ＜0.02％， S ＜0.005％，

N 0.15～0.30％ Fe 余量。

2.一种含氮奥氏体型热作模具钢的制备方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

a.熔炼：按照上述含氮奥氏体型热作模具钢的化学成分及重量百分比进行配料并熔炼；在钢液温度保持在1500～1700℃时，往钢液中先添加氮化铬铁，随后添加氮化锰铁进行熔炼，然后浇注钢锭；

b.电渣重熔：将上述熔炼浇注所制钢锭作为电渣重熔过程中的白耗电极，进行二次精炼；电流通过电渣层产生电阻热，从而熔化作为自耗电极的合金钢，使金属液体以熔滴的形式经过渣池的渣层下落至下方的水冷结晶器中，重新凝固成钢锭；

c.高温均匀化：将上述电渣重熔所制得的钢锭加热至1220～1250℃，并保温8～10小时，之后空冷，以改善材料的凝固组织与成分均匀性；

d.锻造：将上述高温均匀化所制得的钢锭加热至1200～1230℃，进行粗锻，终锻温度为950～1000℃，制备得到锻件毛坯；

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.热处理工艺：对上述最终锻件先后采用固溶与时效处理两种热处理方法，固溶温度为1140～1220℃；时效温度为680～800℃，时效时间为2～8小时，最终制得含氮奥氏体型热作模具钢。