CN102534391A - 一种挤压轮用热作模具钢及其制造方法 - Google Patents

一种挤压轮用热作模具钢及其制造方法 Download PDF

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刘宏玉
汪圣锋
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本发明涉及一种挤压轮用热作模具钢及其制造方法。其技术方案是:将废钢或铁水与废钢经电炉冶炼、电渣重熔或真空感应熔炼后进行热锻,然后在700~880℃球化退火;1020~1120℃淬火和530~650℃回火处理,其硬度可达40~52HRC,抗拉强度达1850~1955MPa。该模具钢的化学成分及质量百分含量是:C为0.30~0.50wt%,Si为0.80~1.20wt%,Mn为0.2~0.5wt%,Cr为3.00~5.00wt%,Mo为1.00~1.50wt%,V为0.70~1.20wt%,N为0.005~0.03wt%,P<0.030wt%,S<0.030wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。本发明钢具有成本低廉、热疲劳性能好、热稳定性高和综合性能优良的特点,可用于制作连续挤压成型包覆机挤压轮及其它热作模具。

Description

一种挤压轮用热作模具钢及其制造方法
技术领域
本发明属于热作模具钢技术领域,涉及一种连续挤压成型包覆机的挤压轮用热作模具钢及其制造方法。
背景技术
热作模具在工作中承受很大的压力和冲击载荷,而且冲击频率很高,模具和高温金属接触,还要经受反复的加热和冷却,在时冷时热的状态下,容易使模具的工作表面产生热疲劳裂纹(朱宗元.我国热作模具钢性能数据集(续)[J].机械工程材料,2001,25(8):38-42.)。挤压轮是连续挤压成型包覆机的主要工作部件之一,其工作寿命直接影响到连续挤压的生产成本和生产效率。在其服役过程中,由于时冷时热的工作条件及与被加工材料的强烈挤压与摩擦,很容易造成挤压轮的过早失效。挤压轮一般在室温~590℃循环温度下工作,其主要失效形式是脆性断裂和热疲劳破坏(王颖,樊志新,宋宝韫.TLJ400型连续挤压机挤压轮温度场测定与模拟[J].有色金属加工,2007,36(4):42-45.;王春亮,杨 力,陆 慧.H13钢铜材挤压轮开裂分析[J].理化检验-物理分册,2009,第45卷增刊:89-92.)。目前一般选择H13钢作为挤压轮用钢,但使用寿命不高。为了提高使用寿命,降低成本,开发新型高性能挤压轮用热作模具钢是最根本的方法。主要有以下几种方法:
(1)在H13钢的基础上增加Cr含量。“一种新型铬系热作模具钢及其热处理工艺”(CN101403074)和“—新型变质热作模具钢”(ZL 200410010656.8)专利技术,Cr含量增至7.00~11.00 wt%,其比H13钢晶粒更细小,耐热性、韧性和抗压强度都有所提高,但上述专利技术中未公开耐热性、韧性和抗压强度的具体数据,且其成本高,主要用于特殊工作条件。
(2)在H13钢的基础上降低Cr含量,增加Mo含量。“一种热作模具钢及其制备方法”(CN101798661A)和“一种具有良好热强性及高韧性的热作模具钢”(CN101440456)专利技术,这类钢的Mo含量为2.00~3.00wt%,高温强度高、热稳定性和抗热疲劳性能优良,但生产成本过高。
(3)在H13钢的基础上加入微量元素如Ni、Nb和RE等。“铌微合金化高强度热作模具钢及其制备方法”(CN101302599)和“复合微合金化高热强性 热作模具钢及其制备”(CN101709428A)专利技术,这类技术提高了钢的热强性和热稳定性,但会形成大颗粒伪共晶碳化物,同时由于加入了较高Mo和稀土元素,使成本增加。
(4)在H13钢的基础上增加Mn、Si含量。“高热稳定性高强度的热作模具钢”(CN1012220422)和“一种高硅低碳型高热强性热作模具钢”(CN101280394)专利技术,前者Mn含量高达10.5~14.5 wt%,后者Si含量为1.4~1.6 wt%,这类钢的最大优点是热稳定性好,可以在700℃条件下保持较高硬度,但其生产成本较高且在400-600℃下的综合性能比H13没有明显提高,主要用于高温条件下工作。
(5)在H13钢的基础上开发奥氏体热作模具钢。如“含氮奥氏体热作模具钢及其制备方法”(CN101942606A)专利技术,虽具有高热稳定性、高强度和高韧性,但其生产成本偏高(含Mn 10.0-15.0 wt%, Mo 1.5-3.5 wt%),主要用于高温条件下工作。
发明内容
本发明旨在克服现有技术权项,目的是提供一种成本低廉,热稳定性和热疲劳性好的挤压轮用热作模具钢及其制造方法。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:将废钢或铁水与废钢经电炉冶炼,电渣重熔或真空感应熔炼后进行热锻和热处理,即得挤压轮用热作模具钢。
所述挤压轮用热作模具钢的化学成分及质量百分含量是:C为0.30~0.50wt%,Si为0.80~1.20wt%,Mn为0.2~0.5wt%,Cr为3.00~5.00wt%,Mo为1.00~1.50 wt %,V为0.70~1.20wt%,N为0.005~0.03wt%,P<0.030wt%,S<0.030wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
所述热锻的工艺为:将电渣重熔或真空感应熔炼后的钢锭加热至1150~1250℃,均热1.5~2.5h,始锻温度1100~1150℃,终锻温度>900℃,锻造比≥5,自然冷却至室温。
所述热处理的工艺为:
(1)锻坯球化退火:加热温度到700~730℃,保温1~3h,在860~880℃条件下保温1~3h,随炉冷却至500℃以下,出炉自然冷却。
(2)淬火及回火:淬火温度为1020~1120℃,保温10~30min;回火温度为530~650℃,二次回火,每次保温1.5~2.5h。
由于采用上述技术方案,本发明与H13钢相比,具有如下有益效果:
(1)Cr能提高钢的淬透性,但Cr与C易形成M23C6型合金碳化物,这种碳化物不稳定、易粗化,会降低钢的抗回火软化性能,同时也是导致热疲劳过程中出现循环软化的主要原因。降低Cr元素含量,M23C6型碳化物析出量减少,同时能使弥散、稳定、不易粗化的V、Mo的碳化物析出量增加,提高模具钢的热疲劳性能。
(2)V含量过高,淬火中存在大量的V的未溶碳化物,在二次硬化温度范围内回火,会导致钢的韧性和塑性明显下降。本发明加入适量V元素,可细化晶粒、降低钢的过热敏感性、提高钢的强韧性和回火稳定性,增强钢的二次硬化效果。
(3)本发明加入适量N元素,在淬火过程中能抑制奥氏体晶粒长大;同时N与V具有较强的亲和力,N含量提高了碳氮化钒的析出驱动力,使原本处于固溶态的V转变成析出状态,充分发挥了V的沉淀强化作用,同时与V形成更细小稳定的碳氮化物增强弥散强化效果,并能细化晶粒,提高材料的热稳定性及热疲劳性。
因此,本发明制造的挤压轮用热作模具钢与现有的H13钢比较,减少了大量的Cr含量,加入廉价的N,其原料成本比H13钢低。由于充分了发挥V和N的作用,弥散析出细小稳定的碳氮化钒,故具有成本低廉、热疲劳性能、热稳定性高和综合性能优良的特点。
附图说明
1、图1是本发明制造的一种挤压轮用热作模具钢的表面热疲劳裂纹金相照片;
2、图2是本发明制造的另一种挤压轮用热作模具钢的表面热疲劳裂纹金相照片;
3、图3是本发明制造的又一种挤压轮用热作模具钢的表面热疲劳裂纹金相照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述,并非对其保护范围的限制。
实施例1
一种挤压轮用热作模具钢及其制造方法。该方法是将废钢经电炉冶炼,电渣重熔后进行热锻和热处理,制得挤压轮用热作模具钢。
所述挤压轮用热作模具钢的化学成分及质量百分含量是:C为0.30~0.41wt%,Si为0.80~1.05wt%,Mn为0.4~0.5wt%,Cr为3.0~4.0wt%,Mo为1.20~1.40wt%,V为0.70~0.95wt%,N为0.005~0.010wt%,P<0.028wt%,S<0.010wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例1热锻的工艺为:将电渣重熔后的钢锭加热至1150~1200℃,均热1.5~2.0h,始锻温度1100~1150℃,终锻温度>920℃,锻造比≥5,自然冷却至室温。
本实施例1热处理的工艺为:
(1)锻坯球化退火:加热温度到700~720℃,保温2~3h,在860~870℃条件下保温1~2h,随炉冷却至500℃以下,出炉自然冷却。
(2)淬火及回火:淬火温度为1050~1080℃,保温10~20min;回火温度为530~580℃,二次回火,每次保温1.5~2.0h。
本实施例1所制造的挤压轮用热作模具钢,经检测,室温状态下的力学性能是:伸长率为10.0~10.6%,断面收缩率为34.0~37.0%,屈服强度为1640~1680MPa,抗拉强度为1830~1870MPa;
本实施例1所制造的一种挤压轮用热作模具钢,其热稳定性与H13钢相比如表1所示,该挤压轮用热作模具钢在相同的保温温度和保温时间条件下,硬度高;随保温时间延长,硬度下降稍缓,热稳定性好于H13钢。
表1  本实施例1所制造的一种挤压轮用热作模具钢与H13钢热稳定性对比 (HRC)
保温时间(h) 4 6 8 10 12 14 16 18 20
本实施例1 42.0 40.6 40.3 39.6 39.1 38.6 38.3 38.1 37.9
H13 40.0 39.2 38.5 37.8 37.3 36.4 35.6 35.1 34.8
本实施例1所制造的一种挤压轮用热作模具钢如图1所示,其表面没有出现明显裂纹且腐蚀斑面积小,热疲劳性能优于H13钢。
实施例2
一种挤压轮用热作模具钢及其制造方法。该方法是将铁水与废钢经电炉冶炼,电渣重熔后进行热锻和热处理,即得挤压轮用热作模具钢。
所述挤压轮用热作模具钢的化学成分及质量百分含量是:C为0.40~0.45wt%,Si为1.0~1.10wt%,Mn为0.30~0.40wt%,Cr为3.50~4.50wt%,Mo为1.30~1.50wt%,V为0.90~1.10wt%,N为0.010~0.020wt%,P<0.025wt%,S<0.021wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例2热锻的工艺为:将电渣重熔后的钢锭加热至1180~1220℃,均热2.0~2.5h,始锻温度1100~1150℃,终锻温度>910℃,锻造比≥5,自然冷却至室温。
本实施例2热处理的工艺为:
(1)锻坯球化退火:加热温度到710~720℃,保温1~2h,在860~875℃条件下保温2~3h,随炉冷却至500℃以下,出炉自然冷却。
(2)淬火及回火:淬火温度为1080~1120℃,保温15~25min;回火温度为600~650℃,二次回火,每次保温1.5~2.0h。
本实施例2所制造的挤压轮用热作模具钢,经检测,室温状态下的力学性能是:伸长率为13.2~13.8%,断面收缩率为44.4~47.4%,屈服强度为1528~1568MPa,抗拉强度为1895~1935MPa;
本实施例2所制造的一种挤压轮用热作模具钢,其热稳定性与H13钢相比如表2所示,该挤压轮用热作模具钢在相同的保温温度和保温时间条件下,硬度高;随保温时间延长,硬度下降稍缓,热稳定性好于H13钢。
表2  本实施例2所制造的一种挤压轮用热作模具钢与H13钢热稳定性对比 (HRC)
保温时间(h) 4 6 8 10 12 14 16 18 20
本实施例2 41.0 39.7 39.0 38.1 37.8 36.9 36.1 36.0 35.9
H13 40.0 39.2 38.5 37.8 37.3 36.4 35.6 35.1 34.8
本实施例2所制造的一种挤压轮用热作模具钢如图2所示,其表面没有出现明显裂纹且腐蚀斑面积小,热疲劳性能优于H13钢。
实施例3
一种挤压轮用热作模具钢及其制造方法。该方法是将废钢经电炉冶炼,真空感应熔炼后进行热锻和热处理,制得挤压轮用热作模具钢。
所述挤压轮用热作模具钢的化学成分及质量百分含量是:C为0.43~0.50wt%,Si为1.10~1.20wt%,Mn为0.2~0.3wt%,Cr为4.00~5.00wt%,Mo为1.00~1.20wt%,V为1.00~1.20wt%,N为0.020~0.030wt%,P<0.029wt%,S<0.028wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例3热锻的工艺为:将真空感应熔炼后的钢锭加热至1200~1250℃,均热2.0~2.5h,始锻温度1100~1150℃,终锻温度>915℃,锻造比≥5,自然冷却至室温。
本实施例3热处理的工艺为:
(1)锻坯球化退火:加热温度到720~730℃,保温2~3h,在870~880℃条件下保温2~3h,随炉冷却至500℃以下,出炉自然冷却。
(2)淬火及回火:淬火温度为1020~1050℃,保温20~30min;回火温度为580~600℃,二次回火,每次保温2.0~2.5h。
本实施例3所制造的挤压轮用热作模具钢,经检测,室温状态下的力学性能是:伸长率为10.0~10.6%,断面收缩率为34.0~37.0%,屈服强度为1640~1680MPa,抗拉强度为1830~1870MPa;
本实施例3所制造的一种挤压轮用热作模具钢,其热稳定性与H13钢相比如表3所示,该挤压轮用热作模具钢在相同的保温温度和保温时间条件下,硬度高;随保温时间延长,硬度下降稍缓,热稳定性好于H13钢。
表3  本实施例3所制造的一种挤压轮用热作模具钢与H13钢热稳定性对比 (HRC)
保温时间(h) 4 6 8 10 12 14 16 18 20
本实施例3 43.0 41.5 41.1 39.8 39.5 39.2 39.0 38.9 38.8
H13 40.0 39.2 38.5 37.8 37.3 36.4 35.6 35.1 34.8
本实施例3所制造的一种挤压轮用热作模具钢如图3所示,其表面没有出现明显裂纹且腐蚀斑面积小,热疲劳性能优于H13钢。
本具体实施方式与H13钢相比,具有如下有益效果:
(1)Cr能提高钢的淬透性,但Cr与C易形成M23C6型合金碳化物,这种碳化物不稳定、易粗化,会降低钢的抗回火软化性能,同时也是导致热疲劳过程中出现循环软化的主要原因。降低Cr元素含量,M23C6型碳化物析出量减少,同时能使弥散、稳定、不易粗化的V、Mo的碳化物析出量增加,提高模具钢的热疲劳性能。
(2)V含量过高,淬火中存在大量的V的未溶碳化物,在二次硬化温度范围内回火,会导致钢的韧性和塑性明显下降。本具体实施方式加入适量V元素,可细化晶粒、降低钢的过热敏感性,提高钢的强韧性和回火稳定性,增强钢的二次硬化效果。
(3)本具体实施方式加入适量N元素,在淬火过程中能抑制奥氏体晶粒长大;同时N与V具有较强的亲和力,N含量提高了碳氮化钒的析出驱动力,使原本处于固溶态的V转变成析出状态,充分发挥了V的沉淀强化作用,同时与V形成更细小稳定的碳氮化物增强弥散强化效果,并能细化晶粒,提高材料的热稳定性及热疲劳性。
因此,本具体实施方式制造的挤压轮用热作模具钢与现有的H13钢比较,减少了大量的Cr含量,加入廉价的N,其原料成本比H13钢低。由于充分了发挥V和N的作用,弥散析出细小稳定的碳氮化钒。故具有成本低廉、热疲劳性能、热稳定性高和综合性能优良等特点。

Claims (4)

1.一种挤压轮用热作模具钢的制造方法,其特征在于将废钢或铁水与废钢经电炉冶炼,电渣重熔或真空感应熔炼后进行热锻和热处理,即得挤压轮用热作模具钢;
所述挤压轮用热作模具钢的化学成分及质量百分含量是:C为0.30~0.50wt%,Si为0.80~1.20wt%,Mn为0.2~0.5wt%,Cr为3.00~5.00wt%,Mo为1.00~1.50 wt %,V为0.70~1.20wt%,N为0.005~0.03wt%,P<0.030wt%,S<0.030wt%,余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的挤压轮用热作模具钢的制造方法,其特征在于所述热锻的工艺为:将电渣重熔或真空感应熔炼后的钢锭加热至1150~1250℃,均热1.5~2.5h,始锻温度1100~1150℃,终锻温度>900℃,锻造比≥5,自然冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的挤压轮用热作模具钢的制造方法,其特征在于所述热处理的工艺为:
(1)锻坯球化退火:加热温度到700~730℃,保温1~3h,在860~880℃条件下保温1~3h,随炉冷却至500℃以下,出炉自然冷却;
(2)淬火及回火:淬火温度为1020~1120℃,保温10~30min;回火温度为530~650℃,二次回火,每次保温1.5~2.5h。
4.根据权利要求1~3项中任一项所述的挤压轮用热作模具钢的制造方法所制造的挤压轮用热作模具钢。
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