CN104213044B - 一种铜合金压铸模具钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铜合金压铸模具钢及其制备方法，属于钢铁材料技术领域。本发明为一种单一奥氏体相基体上分布有高硬度、高热稳定性的硬质硼化物强化相的热作模具钢，不含W、Mo、V、Co等金属，其化学组成及重量百分比为：0.3wt％～0.6wt％C，0.1wt％～1.2wt％Si，6.0wt％～14.0wt％Mn，8.0wt％～16.0wt％Cr，3.0wt％～8.0wt％Ni，0.5wt％～1.0wt％Cu，0.1wt％～0.8wt％B，P<0.015wt％，S<0.015wt％，余量为Fe。本发明将原材料进行熔炼，并在氩气气氛保护下浇铸铸锭，热处理及锻造处理之后得到铜合金压铸模具钢。本发明铜合金压铸模具钢的高温力学性能为：850℃高温抗拉强度为200MPa～210MPa，屈服强度为160MPa～200MPa；850℃高温抗压强度为270MPa～310MPa，屈服强度为170MPa～210MPa。相同试验条件下高温抗拉强度和高温抗压强度均显著高于H13钢。
Description
技术领域
本发明属于钢铁制备技术领域，具体涉及一种铜合金压铸模具钢及其制备方法。
背景技术
热作模具钢是制造热锻模、热顶锻模、热挤压模和压铸模等热作模具的金属材料。由于热作模具服役条件非常恶劣，如承受各种应力，承受金属熔液对模具工作表面的溶蚀，在工作中反复被高温金属交替加热与冷却，由此产生的表层压应变与拉应变作用，很容易产生热疲劳等。因此热作模具材料应该具有高热强度、高温硬度、冲击韧性、淬透性、良好的热稳定性和抗冷热疲劳性能等。总之，热作模具钢应该具有优异的综合力学性能。
压铸模的服役条件非常苛刻，压铸模的型腔表面主要承受高温高压的金属液的压力、冲刷、侵蚀和高温的作用，每次压铸脱模后，还要对型腔表面进行冷却、润滑，使模具承受频繁的急热、急冷作用。由于被压铸的金属材料不同，其熔化的温度差别很大，使得压铸模的工作条件和使用寿命有很大的差别。相对于其他有色金属来说，铜合金压铸模的服役条件更加苛刻。液态铜合金的温度一般高达900～1100℃，铜合金的浇铸温度为940～980℃，以10-20m/s的速度压入模腔，压射比压大约为40～100MPa，持压时间大约为2～10s，铸件在铸型中的停留时间大约为8～20s，模具型腔温度可高达750～850℃，因此铜合金压铸模的使用寿命非常低。如果使用不当、模具材料质量劣、机加工或热处理工艺不良，模具的使用寿命会更低。
目前，铜合金压铸模具钢一般选用3Cr2W8V、4Cr3Mo3SiV等高热强热作模具钢材料。为改善铜合金压铸模具钢的使用性能，国内也有针对性地开发了新型热作模具钢Y4，但这类钢在使用过程中仍然存在使用寿命提高不多，成本较高等缺点。
针对铜合金压铸模具钢存在的问题，本发明提出将高抗冷热疲劳性能、高热强性、高抗氧化性能的高温热作模具钢和硼化物的特点融合起来，以高硬度、高耐热冲击性能的硼化物替代模具钢中的碳化物，即在具有很高强韧性的模具钢基体上分布有形态可控的硼化物，发挥两者各自的优势，开发出一种新型的适合于铜合金压铸模具要求的新型热作模具钢。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本较低，以具有高热稳定性和高硬度特性的硼化物为耐磨硬质相和高抗冷热疲劳性能、高热强性、高抗氧化性能的奥氏体为基体的铜合金压铸模具钢及其制备方法。
所述铜合金压铸模具钢的化学组成及重量百分比如下：
C0.3wt％～0.6wt％，
Si0.1wt％～1.2wt％，
Mn6.0wt％～14.0wt％，
Cr8.0wt％～16.0wt％，
Ni3.0wt％～8.0wt％，
Cu0.5wt％～1.0wt％，
B0.1wt％～0.8wt％，
P<0.015wt％，
S<0.015wt％，
余量为Fe。
上述铜合金压铸模具钢的制造方法为，将原材料进行熔炼，并在氩气气氛保护下浇铸铸锭，热处理及锻造处理之后得到铜合金压铸模具钢。
上述铜合金压铸模具钢的制备方法，包括以下具体步骤：
1)将熔炼用原材料，经过表面除锈和除油污处理后，称量并进行钢液熔炼；炉料熔清后，立即加入碳含量为0.05％wt％～0.15wt％的石墨颗粒进行精炼；
2)精炼结束后加入市售粒径为3～5mm的石墨颗粒增碳剂调节钢液的碳含量；
3)加入硼铁，然后加大功率对钢液进行搅拌1min～2min；
4)出炉前3min～5min在钢液中加入锰铁；
5)出炉前充入氩气，之后将钢液浇铸在钢锭模中获得铸锭，或者采用树脂砂铸型浇铸Y型试块；
6)待铸锭或Y型试块冷却后取出，进行热处理和锻造处理，经保温油淬后得到铜合金压铸模具钢。
优选地，步骤1)中，熔炼用原材料为低碳钢、硅铁、铬铁、纯镍、纯铜。
优选地，步骤1)中，精炼期的熔炼温度控制在1600℃～1700℃，真空度控制在0.5Pa～10Pa，保温时间为30min～60min。
优选地，步骤5)中，浇铸温度控制在1580℃～1600℃，氩气压力为5000Pa～10000Pa。
优选地，步骤6)中具体操作为，待铸锭或Y型试块冷却后取出，切割浇冒口后按以下工艺进行热处理，1000℃～1050℃下进行均匀化扩散退火，保温时间为1h～3h；之后进行锻造处理，1050℃～1150℃始锻，950℃～1000℃终锻；然后在1000℃～1150℃保温0.5h～2h，油淬，得到铜合金压铸模具钢。
本发明铜合金压铸模具钢主要组份确定的理由如下：
为保证基体为单一奥氏体，可以添加足量的Mn作为奥氏体稳定相元素；但Mn含量过高则会导致钢的热强性、高温抗氧化性降低，因而必须添加适当的其他元素加以改善：
(1)Cr含量较高时，使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性腐蚀的作用，提高Cr含量还有助于改善硼化物的结构形态；
(2)Ni可以提高钢对疲劳的抗力，适度的Ni含量能提高钢的强度而不显著降低其韧性，Ni加入钢中不仅能耐酸，而且也能抗碱，对大气及盐都有抗蚀能力；
(3)Cu能提高钢的屈强比，能提高奥氏体钢的抗应力腐蚀性能。
因此最终确定本发明铜合金压铸模具钢的主要合金元素为Cr、Ni、Cu、Mn，但不添加W、Mo、V、Co等贵重金属。
本发明与现有技术相比较具有以下优点：1)本发明铜合金压铸模具钢的显微组织为奥氏体基体+硼化物。在铜合金压铸模具钢服役过程中，奥氏体基体不发生相变，从而避免了合金材料相变产生的内应力，提高了模具钢的使用寿命；2)本发明铜合金压铸模具钢采用奥氏体基体，可以保证基体保持良好的回火稳定性，在650℃以上不发生分解软化；而传统模具钢在铜合金压铸时通常会出现马氏体分解，硬度下降等严重影响模具钢使用性能和寿命的现象；3)本发明采用硼化物替代碳化物，可显著降低铜合金压铸模具钢的含碳量，从而提高基体的强韧性；在降低合金含碳量的同时，能够减少其他铜合金压铸模具钢服役过程中第二相碳化物逐渐析出并聚集长大的现象；4)本发明通过添加B形成高抗冷热疲劳性能、高热强性、高热稳定性的硼化物来提高铜合金压铸模具钢的高温力学性能；而传统模具钢在铜合金压铸时由于基体组织分解、碳化物聚集长大，其抗热疲劳性能、热强性均有大幅度下降；5)本发明采用廉价的B替代W、Mo、V、Co等贵金属元素，可大幅度降低材料的成本；6)本发明采用硼化物作为增强相，其稳定性好，不用经过复杂的热处理工艺即可获得铜合金压铸模具钢，可降低热模钢成本、节约资源、降低能耗；7)由于硼在奥氏体基体中的溶解度很低，因而本发明铜合金压铸模具钢中硼化物的数量与奥氏体基体的性能可以分别通过添加不同含量的硼与碳来实现独立控制。
附图说明
图1铜合金压铸模具钢的金相显微组织图；
图2是经自约束法热疲劳试验(GB/T15824-2008)后的金相显微组织图；
图3是经自约束法热疲劳试验(GB/T15824-2008)后X射线衍射谱。
具体实施方式
本发明提供了一种铜合金压铸模具钢及其制造方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
一种铜合金压铸模具钢，其化学组成及重量百分比为0.45wt％C，0.11wt％Si，13.7wt％Mn，10.8wt％Cr，3.36wt％Ni，1.09wt％Cu，0.12wt％B，0.009wt％P，0.013wt％S，其余为Fe。具体制备步骤为：将经过表面除锈和油污后的低碳钢、硅铁、铬铁、纯镍、纯铜称重计量后置入真空感应电炉中进行钢液熔炼。炉料熔清后，立即加入碳含量为0.15wt％的石墨颗粒进行精炼，精炼期的熔炼温度控制在1650℃，真空度控制在5Pa，保温时间为60min；精炼期结束后用石墨颗粒增碳剂调节碳含量；加入硼铁，然后加大功率对钢液搅拌1min；加入锰铁5min后出炉；出炉前冲入氩气，氩气压力为8000Pa，浇铸温度控制在1585℃，直接将钢液浇铸在钢锭模中获得铸锭；铸锭冷却后取出，采用线切割去除浇冒口后用于锻造和热处理。具体锻造和热处理工艺为：1020℃下进行均匀化扩散退火，保温时间为1h；之后进行锻造处理，1130℃始锻，950℃终锻；然后在1080℃保温0.5h后油淬。
获得的铜合金压铸模具钢的基体单相奥氏体组织，奥氏体基体上分布有颗粒状硼化物(见图1)。铜合金压铸模具钢的力学性能如下：硬度为30HRC，线切割加工的10mm×10mm×55mm标准冲击试样冲击功Ak为35J；采用Gleeble3500热模拟试验机对模具钢的高温力学性能进行测试：700℃高温抗拉强度为579MPa，屈服强度为552MPa；700℃高温抗压强度为460MPa，屈服强度为270MPa；850℃高温抗拉强度为201MPa，屈服强度为162MPa；850℃高温抗压强度为277MPa，屈服强度为180MPa。相比较而言，H13钢在850℃高温抗拉强度为130MPa，屈服强度为90MPa；850℃高温抗压强度为184MPa，屈服强度为116MPa。
实施例2
一种铜合金压铸模具钢，其化学组成及重量百分比为0.60wt％C，1.15wt％Si，9.71wt％Mn，12.4wt％Cr，5.56wt％Ni，0.51wt％Cu，0.22wt％B，0.012wt％P，0.013wt％S，其余为Fe。具体制备步骤为：将经过表面除锈和油污后的低碳钢、硅铁、铬铁、纯镍、纯铜称重计量后置入真空感应电炉中进行钢液熔炼。炉料熔清后，立即加入0.05wt％的石墨颗粒进行精炼，精炼期的熔炼温度控制在1600℃，真空度控制在10Pa，保温时间为30min；精炼期结束后用石墨颗粒增碳剂调节碳含量；加入硼铁，然后加大功率对钢液搅拌2min；加入锰铁3min后出炉；出炉前冲入氩气，氩气压力为5000Pa，浇铸温度控制在1580℃，直接将钢液浇铸在钢锭模中获得铸锭；铸锭冷却后取出，采用线切割去除浇冒口后用于锻造和热处理。具体锻造和热处理工艺为：1000℃下进行均匀化扩散退火，保温时间为3h；之后进行锻造处理，1050℃始锻，950℃终锻；然后在1000℃保温0.5h后油淬。
获得的铜合金压铸模具钢的基体单相奥氏体组织，奥氏体基体上分布有颗粒状硼化物，其力学性能如下：硬度为31HRC；采用Gleeble3500热模拟试验机对模具钢的高温力学性能进行测试：700℃高温抗拉强度为380MPa，屈服强度为325MPa；700℃高温抗压强度为493MPa，屈服强度为315MPa；850℃高温抗拉强度为205MPa，屈服强度为190MPa；850℃高温抗压强度为308MPa，屈服强度为204MPa。以上高温力学性能均比H13钢大幅度提高。
实施例3
一种铜合金压铸模具钢，其化学组成及重量百分比为0.29wt％C，0.11wt％Si，6.71wt％Mn，8.86wt％Cr，8.06wt％Ni，0.49wt％Cu，0.75wt％B，0.012wt％P，0.010wt％S，其余为Fe。具体制备步骤为：将经过表面除锈和油污后的低碳钢、硅铁、铬铁、纯镍、纯铜称重计量后置入真空感应电炉中进行钢液熔炼。炉料熔清后，立即加入0.1wt％的石墨颗粒进行精炼，精炼期的熔炼温度控制在1700℃，真空度控制在0.5Pa，保温时间为40min；精炼期结束后用石墨颗粒增碳剂调节碳含量；加入硼铁，然后加大功率对钢液搅拌2min；加入锰铁3min后出炉；出炉前冲入氩气，氩气压力为10000Pa，浇铸温度控制在1600℃，直接在树脂砂铸型中浇注Y型试块；Y型试块冷却后取出，采用线切割去除浇冒口后用于锻造和热处理。具体锻造和热处理工艺为：1050℃下进行均匀化扩散退火，保温时间为1.5h；之后进行锻造处理，1150℃始锻，1000℃终锻；然后在1150℃保温1h后油淬。
获得的铜合金压铸模具钢的基体单相奥氏体组织，奥氏体基体上分布有颗粒状硼化物，其力学性能如下：硬度为31HRC，线切割加工的10mm×10mm×55mm标准冲击试样冲击功Ak为19J；采用Gleeble3500热模拟试验机对模具钢的高温力学性能进行测试：850℃高温抗拉强度为208MPa，屈服强度为193MPa；850℃高温抗压强度为287MPa，屈服强度为177MPa。
实施例4
一种铜合金压铸模具钢，其化学组成及重量百分比为0.32wt％C，0.71wt％Si，8.89wt％Mn，15.6wt％Cr，4.65wt％Ni，0.87wt％Cu，0.26wt％B，0.009wt％P，0.011wt％S，其余为Fe。具体制备步骤为：将经过表面除锈和油污后的低碳钢、硅铁、铬铁、纯镍、纯铜称重计量后置入真空感应电炉中进行钢液熔炼。炉料熔清后，立即加入0.1wt％的石墨颗粒进行精炼，精炼期的熔炼温度控制在1650℃，真空度控制在5Pa，保温时间为30min；精炼期结束后用石墨颗粒增碳剂调节碳含量；加入硼铁，然后加大功率对钢液搅拌2min；加入锰铁4min后出炉；出炉前冲入氩气，氩气压力为10000Pa，浇铸温度控制在1585℃，直接在树脂砂铸型中浇注Y型试块；Y型试块冷却后取出，采用线切割去除浇冒口后用于锻造和热处理。具体锻造和热处理工艺为：1030℃下进行均匀化扩散退火，保温时间为2h；之后进行锻造处理，1150℃始锻，980℃终锻；然后在1100℃保温2h后油淬。
获得的铜合金压铸模具钢的基体单相奥氏体组织，奥氏体基体上分布有颗粒状硼化物。依GB/T15824-2008(Uddeholm法)方法对制备的高硼热作模具钢进行热疲劳性能测试，经室温～800℃循环加热300次后，对疲劳裂纹进行评级，确定热疲劳裂纹为2级(见图2)，而作为对比试验的H13钢在相同测试条件下的热疲劳裂纹级别为8级。采用D/max-IIIA型X射线衍射仪对热作模具钢热疲劳试验后的试样进行了组织分析，除奥氏体和硼化物外，未发现有其他类型的碳化物或硼化物析出(见图3，图中M表示Cr、Fe、Mn)，表明基体的热稳定性非常优异。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，任何对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应在本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种铜合金压铸模具钢，其特征在于，所述铜合金压铸模具钢的化学组成及重量百分比如下：
2.如权利要求1所述的铜合金压铸模具钢的制备方法，其特征在于，将原材料进行熔炼，并在氩气气氛保护下浇铸铸锭，热处理及锻造处理之后得到铜合金压铸模具钢。
3.如权利要求2所述的铜合金压铸模具钢的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
1)将熔炼用原材料，经过表面除锈和除油污处理后，称量并进行钢液熔炼；炉料熔清后，立即加入碳含量为0.05％wt％～0.15wt％的石墨颗粒进行精炼；
2)精炼结束后加入市售粒径为3～5mm的石墨颗粒增碳剂调节钢液的碳含量；
3)加入硼铁，然后加大功率对钢液搅拌1min～2min；
4)出炉前3min～5min在钢液中加入锰铁；
5)出炉前充入氩气，之后将钢液浇铸在钢锭模中获得铸锭，或者采用树脂砂铸型浇铸Y型试块；
6)待铸锭或Y型试块冷却后取出，进行热处理和锻造处理，经保温油淬后得到铜合金压铸模具钢。
4.如权利要求3所述的铜合金压铸模具钢的制备方法，其特征在于，步骤1)中，熔炼用原材料为低碳钢、硅铁、铬铁、纯镍、纯铜。
5.如权利要求3所述的铜合金压铸模具钢的制备方法，其特征在于，步骤1)中，精炼期的熔炼温度控制在1600℃～1700℃，真空度控制在0.5Pa～10Pa，保温时间为30min～60min。
6.如权利要求3所述的铜合金压铸模具钢的制备方法，其特征在于，步骤5)中，浇铸温度控制在1580℃～1600℃，氩气压力为5000Pa～10000Pa。
7.如权利要求3所述的铜合金压铸模具钢的制备方法，其特征在于，步骤6)中具体操作为，待铸锭或Y型试块冷却后取出，切割浇冒口后按以下工艺进行热处理，1000℃～1050℃下进行均匀化扩散退火，保温时间为1h～3h；之后进行锻造处理，1050℃～1150℃始锻，950℃～1000℃终锻；然后在1000℃～1150℃保温0.5h～2h，油淬，得到铜合金压铸模具钢。
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