CN104046915B - 大截面压铸用高性能热作模具钢及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大截面压铸用高性能热作模具钢及其制备工艺，属合金钢制备工艺技术领域。该钢的特征在于合金化学成分中各主要合金元素的质量百分比为：C？0.35～0.65%，Si？0.30～1.00%，Mn？0.30～1.00%，Cr？3.50～5.50%，Mo？2.00～3.00%，V？0.40～0.80%，P≤0.02%，S≤0.01%，Ni？1.00～2.00%，Nb？≥0.15%，Fe余量。本发明热作模具钢的制备过程如下：配料、冶炼、浇涛，然后电渣重熔；高温扩撒热热处理，然后多向锻造热加工，及锻后控制冷却；再进行二次碳化物细化热处理和等温退火处理；最后进行淬火和回火热处理，即将其加热至950～1100℃进行奥氏体化，经过油冷或水雾冷却后，在540℃～630℃进行两至三次回火。本发明的热作模具钢具有高的淬透性、高热稳定性、高韧性、以及良好的抗热疲劳性能。

Description

大截面压铸用高性能热作模具钢及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种热作模具钢，尤其是涉及一种大截面压铸用高性能热作模具钢，还涉及制备该热作模具钢的制备工艺，属于合金钢技术领域。

背景技术

热作模具钢是在较高温度下使用的模具用钢，其中起到高温热强性和热稳定性作用的通常是Cr、Mo、W、V等合金元素，因此目前的一些研究工作主要是对这些合金元素的调整。研究发现，较高含量的Mo元素的加入可以提高钢的抗热疲劳性能和抗回火软化性能，而一定量的Ni元素的加入可以大大提高钢的淬透性，使该钢的截面有效厚度大大增加，从而用于制造更大截面的热作模具钢，如截面厚度大于400mm的大截面压铸模。另外，微合金元素Nb的加入，能起到细化晶粒的作用，从而进一步提高钢的热稳定性和碳化物的稳定性。

我国目前广泛应用的热作模具钢包括4Cr5MoSiV1、3Cr2W8V以及应用于热锻模的5CrNiMo、5CrMnMo等。钨系的3Cr2W8V虽然具有较高的回火抗力和高的热强性，但其塑韧性、导热性以其热疲劳性能较差；5CrNiMo和5CrMnMo的热强性较差，容易造成模具工作部分的塌陷；我国目前使用的热挤压模具钢采用的是国家标准GB/T1299-2000中钢号为4Cr5MoSiV1。这种热挤压模具钢的化学成分采用C0.32-0.45wt%、Cr4.75-5.50wt%、Mo1.20-1.75wt%、V0.80-1.20wt%、Si0.80-1.2wt%、Mn0.20-0.5wt%、P≤0.03wt%、S≤0.03wt%。4Cr5MoSiV1钢是现在使用最广泛的热作模具钢，但是它的高温强度不是很高，一般使用温度不能超过540℃，而且抗热疲劳性能和热稳定性能不高。由于这种热挤压模具钢的化学成份含有较高的钼、铬和钒元素及一定量的碳元素，属于过共析钢，因此其材料电渣锭的偏析严重，成材后的组织中存在大量的大块液析碳化物，使得材料的韧性不足，容易出现早期开裂失效。由于这种材料含有大量的二次硬化元素，其回火态二次碳化物容易在服役条件下长大粗化和发生类型转变，而且回火马氏体中的合金元素也容易析出而降低钢的强度，从而降低钢的高温性能。这种钢的性能指标为：经1030℃淬火和590～610℃回火后洛氏硬度值为44－46HRC，冲击韧性值（“V”型缺口）Ak为≥8J，这个硬度值和冲击韧性值等性能指标对于高要求的压铸模来说是不够的。另外，抗回火软化能力和热疲劳抗力是热作模具钢的重要性能指标。

上述热作模具钢的冶金制备工艺是采用电炉熔炼加电渣重熔，然后锻造成材的工艺。在其制造工序中，电炉熔炼加电渣重熔工序完成之后获得500Kg－3000Kg的电渣锭，经锻机锻造成材。这种制备工艺存在如下问题：1）电渣锭型较小，小锭型降低了产品的成材率和制造产能；2）电渣锭的原始组织存在大量的大颗粒或大块状液析碳化物和组织偏析，降低了钢锭锻造成材后的性能指标；3）锻后材料晶粒粗大，导致淬回火后材料的冲击韧性低，产品档次低，无法满足市场对大截面、高韧性、高热强性热作模具钢的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大截面、高韧性、高热强性的热作模具钢。

为解决上述技术问题，本发明大截面压铸用高性能热作模具钢所采取的技术方案是：

一种大截面压铸用高性能热作模具钢，其创新点在于：该高性能热作模具钢的化学成分中各主要合金元素的质量百分比为：

C0.45～0.65%，Si0.30～1.00%，

Mn0.30～1.00%，Cr3.50～5.50%，

Mo2.00～3.00%，V0.40～0.80%，

Ni1.00～2.00%，Nb≥0.15%，

P≤0.02%，S≤0.01%

Fe余量。

在此基础上，所述大截面压铸用高性能热作模具钢中的各主要合金元素的质量百分比的为：

C为0.47%，Si为0.30%，Mn为0.4%，Cr为4.80%，Mo为2.40%，V为0.5%，P≤0.007%，S≤0.003%，Ni为1.50%，Nb为0.18%，Fe余量。

本发明要解决的另一个技术问题是提供该大截面压铸用高性能热作模具钢的制备工艺。

所述的大截面压铸用高性能热作模具钢的制备工艺，其创新点在于，该工艺具有以下步骤：

A.冶炼：按大截面压铸用高性能热作模具钢的化学成分及质量百分比进行配料、电弧炉冶炼和精炼、然后进行二次电渣重熔；

B.高温扩散热处理：加热温度为1180～1280℃，保温时间为10～15h；

C.锻造热加工：将经过高温扩散热处理的钢锭降温至1050～1200℃温度范围内进行多向锻造加工，采用两镦两拔锻造方式，总锻造压缩比≥6，终锻温度≥900℃；

D.锻后冷却：锻后采用水冷或雾冷，保证锻件以大于0.05℃/s的冷却速度快速冷却，至温度降到200℃以下装退火加热炉；

E.二次碳化物细化热处理：加热温度为950～1150℃，保温时间为5～10h，然后快速冷却至250℃以下，再送退火炉；

F.等温球化退火处理：第一阶段等温退火温度为830～850℃，退火时间为5～10h；第二阶段等温退火温度为730～750℃，退火时间为5～10h；

G.淬火及回火热处理：加热至950～1100℃，采用油冷或水雾冷却至250℃以下；随后进行540～630℃回火处理，回火2～3次，每次回火保温2～4小时。

在此基础上，所述高温扩散热处理步骤中，升温过程中采用分级升温。

在此基础上，所述淬火及回火热处理步骤中，淬火温度为1030℃，回火两次，每次2h，回火温度为610℃。

本发明的有益效果是：本热作模具钢与通用的H13热作模具钢相比，适当提高了碳含量，同时增加了Mo含量，并加入了提高淬透性的合金元素Ni，增加了微合金化元素Nb。

1）、提高一定量的碳元素有利于提高钢的淬透性和催硬性，提高钢的使用强度；

2）、提高Mo元素的含量有利于提高钢的热稳定性和热强性，同时提高钢的耐热疲劳性能；

3）、Ni是奥氏体稳定化元素，能大大提高钢的淬透性和提高钢的韧性，使该钢加工的模具的有效截面厚度大幅度提高，实现模具截面超大化；

4）、微合金Nb元素的加入，可以细化晶粒和提高钢的热稳定性，从而提高钢的高温使用性能；

5）、锰元素虽然是弱碳化物形成元素，不能够形成碳化物强化作用，但是一定量的锰元素的加入可以促进渗碳体的分解和推迟碳化物的析出与长大，有利于钢的热稳定性。另外，锰元素可以造成钢中的残余奥氏体的含量增加与稳定，这样可以提高钢的韧性和抗热疲劳性能；

6）、硅元素是提高回火抗力的有效元素，提高钢中硅元素的含量主要是可以使得钢在回火的过程中马氏体的分解减缓，硅元素可以在奥氏体到马氏体的转变之后的回火过程中有效阻碍马氏体的分解，这主要是通过抑制ε碳化物质点的长大和扩大ε碳化物稳定区，延迟了ε-碳化物向θ-碳化物的转变。硅推迟ε→θ转变，并能充分减小钢中渗碳体在回火过程中的长大速率，硅原子从θ相析出而在θ相周围形成硅原子的富集区，抑制θ相的长大粗化；另外硅元素有效提高钢的抗回火软化能力；

7）、在回火过程中V可降低马氏体的分解速度，推迟了奥氏体的转变，而且V形成MC型的二次碳化物，细小弥散，不易聚集长大，在回火过程中，增强了二次硬化效果，极大的提高了钢的热稳定性和冲击韧性。因此，将钢中V的含量控制在0.4～0.8%之间，充分发挥V的合金化作用；

8)、Cr在热作工模具钢中主要形成Cr23C6型碳化物，起到强化作用，提高钢的强度；

9)、本热作模具钢在经过上述热处理后，其淬透性、热稳定性、冲击韧性和热疲劳性能优于H13钢。

附图说明

图1所示为实施例1的大截面压铸用高性能热作模具钢在1030℃淬火后的回火特性曲线图。

图2所示为实施例1的大截面压铸用高性能热作模具钢的退火组织图。

图3所示为实施例1的大截面压铸用高性能热作模具钢与H13钢在620℃条件下热稳定性数据对比。

图4所示为实施例1的大截面压铸用高性能热作模具钢的热疲劳表面形貌图。

图5所示为实施例2的大截面压铸用高性能热作模具钢在1030℃淬火后的回火特性曲线图。

图6所示为实施例2的大截面压铸用高性能热作模具钢的退火组织图。

图7所示为实施例2的大截面压铸用高性能热作模具钢与H13钢在620℃条件下热稳定性数据对比。

图8所示为实施例2的大截面压铸用高性能热作模具钢的热疲劳表面形貌图。

图9所示为实施例3的大截面压铸用高性能热作模具钢在1030℃淬火后的回火特性曲线图。

图10所示为实施例3的大截面压铸用高性能热作模具钢的退火组织图。

图11所示为实施例3的大截面压铸用高性能热作模具钢与H13钢在620℃条件下热稳定性数据对比。

图12所示为实施例3的大截面压铸用高性能热作模具钢的热疲劳表面形貌图。

图13所示为对比例H13钢在1030℃淬火后的回火特性曲线图。

图14所示为对比例H13钢的退火组织图。

图15所示为对比例H13钢的热疲劳表面形貌图。

图16所示为对比例H13钢的热疲劳性能测试表面形貌图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，本发明用以下具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但本发明不限于以下具体实施例。

实施例1

本实施例中，大截面压铸用高性能热作模具钢采用的组成成分及其质量百分比如下：

C0.65%，Si1.00%，Mn1.00%，Cr5.50%，

Mo3.00%，V0.80%，P0.015%,S0.007%,

Ni2.00%，Nb0.20%，Fe余量。

用该实施例中的物料来生产热作模具钢的工艺过程和步骤如下：

A电炉冶炼：按上述各实施例中的合金元素配比在电弧炉中进行熔炼，熔炼温度大于1500℃，浇铸成φ400mm～φ450mm电极棒并空冷。

B电渣重熔：将浇涛后的钢锭作为自耗电极放置于电渣重熔装置中，进行电渣重熔，化渣电压56～62V，电流3000～5000A、用电制度的电压57～59V，电流11000～12000A、封顶电压57～59V，电流时间35～50Min，电渣重熔形成电渣锭。

C高温扩散热处理：将电渣重熔后的电渣锭分多级升温，保证电渣锭内外温度均匀，即分别在600℃、800℃和1100℃等温加热，加热至1180-1280℃进行高温扩散热处理，保温10～15小时，均匀组织，改善合金成分偏析和消除液析碳化物；在本步骤中，为了减少由于温度过低使得高温扩散热处理不均匀，且时间过短使得结晶偏析不充分，所以优选的高温扩散热处理温度为1240～1260℃，保温时间15h。

D锻造加工：将上述高温扩撒热处理后的钢锭温度调整至1050-1200℃温度范围内进行多向锻造加工；采用两镦两拔的锻造方式，总锻造压缩比≥6，终锻温度≥900℃。

E锻后冷却：锻后采用水冷或雾冷，保证锻件以大于0.05℃/s的冷却速度快速冷却，至温度降到200℃以下装退火加热炉。

F二次碳化物细化热处理：加热温度为950～1150℃，保温时间为5～10h，然后采用油冷或水冷的方式使电渣锭快速冷却至250℃以下，再送退火炉；为了使细化更充分完全，本步骤中加热温度优选1100℃，保温时间为10h。

G等温球化退火处理：第一阶段等温退火温度为830～850℃，退火时间为5～10h；第二阶段等温退火温度为730～750℃，退火时间为5～10h；然后随炉冷却至室温；为了降低能耗，本步骤的第一阶段的退火时间为6h，第二阶段的退火时间为10h。

H淬火及回火热处理：淬火温度950～1100℃，采用油冷或水冷的方式进行淬火，在540～630℃进行2～3次回火，每次回火保温时间为2～4小时；为了降低能耗同时又能保证淬火及回火效果，本步骤中淬火温度选择1030℃，回火温度为610℃，回火两次，每次时间均为2h。

本发明热作模具钢经过上述冶炼及热加工和热处理后，最终成品规格为500mm*800mm*4000mm模块，取样进行性能测试，分析结果为：

A相变点：

Ac1、Ac3、和Ms点测试结果分别为830℃、960℃和305℃。

B回火特性：

在1030℃淬火后的回火硬度随回火温度变化的特性曲线如附图1所示。

C硬度测试：

淬火硬度：56.2HRC；回火硬度：52HRC。

D退火组织：

本发明热作模具钢的退火组织如附图2所示。

D冲击韧性实验：

根据北美压铸协会标准（NADCA#207-2006）中关于冲击韧性试验的要求，在坯料上取横向冲击试样，试样尺寸为7mm×10mm×55mm。

室温（20℃）时冲击功值：≥280J。

E热稳定性：

本发明热作模具钢在620℃条件下与H13钢进行稳定性对比实验，H13钢经过淬回火处理之后使其硬度值与本发明钢一样，均为50HRC，试验结果如附图3所示。由附图3可见，虽然实验开始前本发明热作模具钢与H13钢硬度值一致，但在620℃下，从进行20个小时热稳定性实验硬度变化情况来看，本发明的热作模具钢优于H13钢。

F热疲劳性能测试：

在室温（20℃）～700℃条件下进行冷热循环，经过3000次冷热循环后，本发明大截面压铸用高性能热作模具钢的热疲劳表面形貌如附图4所示。由图4中可见，本发明热作模具钢热疲劳实验后，表面裂纹十分均匀、细小，在表面上没有看到比较大的主裂纹的形成。二者对比可以看出，本发明热作模具钢的热疲劳性能强于H13钢。

实施例2

本实施例中，大截面压铸用高性能热作模具钢采用的组成成分及其质量百分比如下：

C0.47%，Si0.30%，Mn0.40%，Cr4.80%，

Mo2.40%，V0.50%，P0.007%，S0.003%，

Ni1.50%，Nb0.18%，Fe余量。

采用该实施例中的物料来生产热作模具钢的工艺过程和步骤如下同实施例1，此处不再赘述。

本实施例热作模具钢经过上述冶炼及热加工和热处理后，最终成品规格为500mm*800mm*4000mm模块，取样进行性能测试，分析结果为：

A相变点：

Ac1、Ac3、和Ms点测试结果分别为831℃、957℃和307℃。

B回火特性：

在1030℃淬火后的回火硬度随回火温度变化的特性曲线如附图5所示。

C硬度测试：

淬火硬度：56.5HRC；回火硬度：51.5HRC。

D退火组织：

本发明热作模具钢的退火组织如附图6所示。

D冲击韧性实验：

根据北美压铸协会标准（NADCA#207-2006）中关于冲击韧性试验的要求，在坯料上取横向冲击试样，试样尺寸为7mm×10mm×55mm。

室温（20℃）冲击功值：≥280J。

E热稳定性：

本发明热作模具钢在620℃条件下与H13钢进行稳定性对比实验，H13钢经过淬回火处理之后使其硬度值与本发明钢一样，均为50HRC，试验结果如附图7所示。由附图7可见，虽然实验开始前本发明热作模具钢与H13钢硬度值一致，但在620℃下，从进行20个小时热稳定性实验硬度变化情况来看，本发明的热作模具钢优于H13钢。

F热疲劳性能测试：

在室温（20℃）～700℃条件下进行冷热循环，经过3000次冷热循环后，本发明大截面压铸用高性能热作模具钢的热疲劳表面形貌如附图8所示8。由图8中可见，本发明热作模具钢热疲劳实验后，表面裂纹十分均匀、细小，在表面上没有看到比较大的主裂纹的形成。二者对比可以看出，本发明热作模具钢的热疲劳性能强于H13钢。

实施例3

本实施例中，大截面压铸用高性能热作模具钢采用的组成成分及其质量百分比如下：

C0.45%，Si0.50%，Mn0.70%，Cr3.50%，

Mo2.00%，V0.60%，P0.001%，S0.005%，

Ni1.00%，Nb0.17%，Fe余量。

采用该实施例中的物料来生产热作模具钢的工艺过程和步骤同实施例1，此处不再赘述。

本发明热作模具钢经过上述冶炼及热加工和热处理后，最终成品规格为500mm*800mm*4000mm模块，取样进行性能测试，分析结果为：

A相变点：

Ac1、Ac3、和Ms点测试结果分别为831℃、962℃和306℃。

B回火特性：

在1030℃淬火后的回火硬度随回火温度变化的特性曲线如附图9所示。

C硬度测试：

淬火硬度：56HRC；回火硬度：52HRC。

D退火组织：

本发明热作模具钢的退火组织如附图10所示。

D冲击韧性实验：

根据北美压铸协会标准（NADCA#207-2006）中关于冲击韧性试验的要求，在坯料上取横向冲击试样，试样尺寸为7mm×10mm×55mm。

室温（20℃）冲击功值：≥280J。

E热稳定性：

本发明热作模具钢在620℃条件下与H13钢进行稳定性对比实验，H13钢经过淬回火处理之后使其硬度值与本发明钢一样，均为50HRC，试验结果如附图11所示。由附图11可见，虽然实验开始前本发明热作模具钢与H13钢硬度值一致，但在620℃下，从进行20个小时热稳定性实验硬度变化情况来看，本发明的热作模具钢优于H13钢。

F热疲劳性能测试：

在室温（20℃）～700℃条件下进行冷热循环，经过3000次冷热循环后，本发明大截面压铸用高性能热作模具钢的热疲劳表面形貌如附图12所示。由图12中可见，本发明热作模具钢热疲劳实验后，表面裂纹十分均匀、细小，在表面上没有看到比较大的主裂纹的形成。二者对比可以看出，本发明热作模具钢的热疲劳性能强于H13钢。

对比例

H13组成成分及其质量百分比如下：

C为0.39%，Si为1.00%，Mn为0.40%，Cr为5.20%，Mo为1.40%，V为0.90%，P为0.025%，S为0.003%，Fe余量。

采用常规方法制备，最终成品规格为500mm*800mm*4000mm模块，取样分析：

A相变点：

Ac1、Ac3、和Ms点测试结果分别为820℃、890℃和340℃。

B回火特性：

在1030℃淬火后的回火硬度随回火温度变化的特性曲线如附图13所示。

C硬度测试：

淬火硬度：52HRC；回火硬度：48HRC。

D退火组织：

本发明热作模具钢的退火组织如附图14所示。

D冲击韧性实验：

根据北美压铸协会标准（NADCA#207-2006）中关于冲击韧性试验的要求，在坯料上取横向冲击试样，试样尺寸为7mm×10mm×55mm。

室温（20℃）冲击功值：≥280J。

E热稳定性：

在620℃条件下H13钢进行稳定性对比实验，H13钢经过淬回火处理之后使其硬度值为48HRC，试验结果如附图15所示。

F热疲劳性能测试：

在室温（20℃）～700℃条件下进行冷热循环，经过3000次冷热循环后，H13钢的热疲劳表面形貌如附图16所示。

Claims (3)

1.一种大截面压铸用高性能热作模具钢，其特征在于：所述钢的化学成分中各主要合金元素的质量百分比为：C为0.45~0.47%，Si为0.30~1.00%，Mn为0.30~1.00%，Cr为4.80~5.50%，Mo为2.00~3.00%，V为0.40~0.80%，P≤0.02%，S≤0.01%，Ni为1.50~2.00%，Nb为≥0.15%，余量为Fe；

上述的大截面压铸用高性能热作模具钢的制备工艺，其特征在于：包括冶炼、高温扩散热处理、锻造热加工、锻后冷却、二次碳化物细化热处理、等温球化退火处理、淬火及回火热处理，具体步骤如下：

A.冶炼：按大截面压铸用高性能热作模具钢的化学成分及质量百分比进行配料、电弧炉冶炼和精炼、然后进行二次电渣重熔；

B.高温扩散热处理：加热温度为1180～1280℃，保温时间为10～15h；

C.锻造热加工：将经过高温扩散热处理的钢锭降温至1050～1200℃温度范围内进行多向锻造加工，采用两镦两拔锻造方式，总锻造压缩比≥6，终锻温度≥900℃；

D.锻后冷却：锻后采用水冷或雾冷，保证锻件以大于0.05℃/s的冷却速度快速冷却，至温度降到200℃以下装退火加热炉；

E.二次碳化物细化热处理：加热温度为950～1150℃，保温时间为5～10h，然后快速冷却至250℃以下，再送退火炉；

F.等温球化退火处理：第一阶段等温退火温度为830～850℃，退火时间为5～10h；第二阶段等温退火温度为730～750℃，退火时间为5～10h；

G.淬火及回火热处理：加热至950～1100℃，采用油冷或水雾冷却至250℃以下；随后进行540～630℃回火处理，回火2～3次，每次回火保温2～4小时。

2.根据权利要求1所述的大截面压铸用高性能热作模具钢的制备工艺，其特征在于：所述高温扩散热处理步骤中，升温过程中采用分级升温。

3.根据权利要求1所述的大截面压铸用高性能热作模具钢的制备工艺，其特征在于：所述淬火及回火热处理步骤中，淬火温度为1030℃，回火两次，每次2h，回火温度为610℃。