CN105803314B - 一种具有高性能的高级热作模具钢及其制造方法 - Google Patents

一种具有高性能的高级热作模具钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有高性能的高级热作模具钢，该模具钢主要由重量百分比为C 0.32‑0.41％，Si 0.2‑0.6％，Mn 0.6‑0.9％，Cr 2.5‑4.5％，Mo 2.5‑3.5％，V 0.5‑1.1％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe的各成分组成，该模具钢具有优异高温强度、回火稳定性和热传导性能，可获得NADCA#229‑2011标准中组织AS1级，氧硫含量小于10ppm，在高硬度下冲击功比H13模具钢高出30％。

Description

一种具有高性能的高级热作模具钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种钢材锻造及热处理工艺技术，特别涉及一种具有优异高温强度、回火稳定性和热传导性能的高级热作模具钢及其制造方法。
背景技术
用模具加工成型零件具有生产效率高、质量好、节约材料和成本等一系列优点，应用范围及其广泛。热锻模具钢是一类重要的模具材料，由于热锻服役时与1000℃的金属坯料接触较长时间，承受巨大的挤压力、冲压力、弯曲力、摩擦力及热冲击交变应力等复杂作用，这就要求热锻模具钢具有良好的强韧性、冷热疲劳性以及高温热稳定性等。
H13模具钢是最常用的热锻模具钢之一，最早由美国在上世纪下半叶开发，其化学成分如下(按重量百分比计算)：C0.32-0.45％、Si0.8-1.2％、Mn0.2-0.5％、Cr4.75-5.5％、Mo1.10-1.75％，V0.8-1.2％，P≤0.03％，S≤0.03％，由于其具有淬透性、韧性好、耐磨性高、热疲劳好等特点，在热作模具钢中，H13的综合性能十分突出，因此，它迅速成分世界主流的热作模具钢。H13模具钢主要特点：1)具有中等的耐磨损能力；2)硬度低；3)采用常规的渗碳或渗氮工艺会提高其表面硬度，但是其抗热裂能力降低；4)其含碳量低，导致其二次应化能力差；5)在中等温度下具有抗软化能力，但使用温度高于540℃(1000℉)，硬度出现迅速下降(即能耐的工作温度为540℃)；6)热处理的变形小；(7)切削加工性一般；8)抗脱碳能力一般。
随着高速、强负荷、高精密模锻设备和高强韧性锻件普遍应用，热锻模具服役条件更加恶劣，H13模具钢在生产过程中因种种原因造成多种失效形式，例如高温强度变化大、回火稳定差、热传导性能低、淬透性、冲击韧性等低，因此需要对H13模具钢的成分进行改进，以解决H13模具钢存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种新的模具钢，该模具钢具有优异的高温强度、回火稳定性和热传导性能，退火组织达到NADCA#229-2011标准中组织AS1级，在高硬度下冲击功比H13模具钢高出30％。
本发明具体技术方案如下：
本发明提供一种具有高性能的高级热作模具钢，该模具钢包括如下重量百分比的各成分：C 0.32-0.41％，Si 0.2-0.6％，Mn 0.6-0.9％，Cr 2.5-4.5％，Mo 2.5-3.5％，V0.5-1.1％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。
进一步的改进，该模具钢包括如下重量百分比的各成分：C 0.34-0.40％，Si 0.3-0.5％，Mn 0.7-0.9％，Cr 2.8-4.2％，Mo 3.0-3.4％，V 0.7-0.9％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。
进一步的改进，该模具钢包括如下重量百分比的各成分：C 0.38％，Si 0.4％，Mn0.9％，Cr 3.0％，Mo 3.2％，V 0.9％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。
本发明通过对H13模具钢各成分的用量进行改进，将Si的重量百分比降低到0.2-0.6％，将Mn的重量百分比升高到0.6-0.9％、将Cr的含量降低到2.5-4.5％，将Mo重量百分比升高到2.5-3.5％；进而使得制备的模具钢具有优异的高温强度、回火稳定性和热传导性能，同时在高硬度下冲击功比H13模具钢高出30％。
进一步的改进，该模具钢还包括如下重量百分比的成分：Al-Sc合金0.02-0.06％。
优选地，Al和Sc的重量比为1:1.2-1.4。
本发明通过在模具钢中加入Al-Sc合金，不但能够起到脱氧定氮的作用，由于本发明加入的是Al-Sc合金，其可显著提高模具钢的抗蠕变能力和淬透性及其表征数据。
进一步的改进，该模具钢还包括如下重量百分比的成分：Zr 0.01-0.02％，Gd0.06-0.09％。
本发明通过在模具钢中加入Zr和Gd两种成分后，可进一步提高高模具钢的冲击韧性及其表征数据。
进一步的改进，该模具钢还包括如下重量百分比的成分：Ti 0.001％-0.002％，W0.02-0.05％。
本发明通过在模具钢内加入Ti和W两种成分后，可显著提高模具钢的抗回火软化性能，提高了20％，同时还能够提高模具钢的热疲劳性能、抗脱碳能力及二次应化能力。
本发明涉及的各元素的名称为：C：碳，Si：硅，Mn：锰，Cr：铬，Mo：钼，V：钒，P：磷，S：硫，Fe：铁，Al：铝，Sc：钪，Zr：锆，Gd：钆，Ti：铊，W：钨。
本发明另一方面提供一种具有高性能的高级热作模具钢的制备方法，该方法包括如下步骤：
S1：熔炼：按照模具钢的成分及重量百分比，选材进行熔炼，浇注成电极棒；
S2：电渣重熔：将浇铸成的电极棒在保护气氛下进行电渣重熔精炼；
S3：高温均质处理：进行温度为1200-1270℃，时间6-9h的高温均质化处理；
S4：锻造处理：开锻温度为1110℃-1170℃，终锻温度为850-900℃，压缩比为8以上；压缩比优选为10-15；
S5：超细化处理：加热至1030-1060℃保温3-8h，雾冷；
S6：球化退火：840-870℃保温13-16h，730-750℃保温10-13h，降温至400℃以下，降温速度小于20℃/h，出炉空冷。
本发明提供的模具钢的制备方法简单，制备的模具钢具有很好的高温强度、回火稳定性和热传导性能。
进一步的改进，步骤S1所述的熔炼具体工艺为：熔炼温度为1550-1610℃，保温，待合金成分符合要求并且达到均匀，在氩气保护下浇注成电极棒。
优选地，步骤S3中高温均质处理温度为1250℃，时间7h；步骤S4开锻温度为1140℃，终锻温度为870℃，压缩比为12；步骤S5超细化处理加热至1050℃保温5h；步骤S6球化退火：850℃保温15h，735℃保温12h，降温至50℃，降温速度为15℃/h，出炉空冷。
本发明所提供的具有高性能的高级热作模具钢，其具有以下优点：
1.利用本发明技术方案可获得NADCA#229-2011标准中组织AS1级，氧硫含量小于10ppm，在高硬度下冲击功比H13模具钢高出30％。
2.本发明的突出优点是在H13模具钢基础上通过优化合金成分，所得热作模具钢具有优异高温强度、回火稳定性和热传导性能。
附图说明
图1为本发明模具钢的退火组织图；
图2为不同温度下各组模具钢的抗拉强度；
图3为不同温度下各组模具钢的屈服强度；
图4为500℃各组模具钢随时间变化的硬度值；
图5为550℃各组模具钢随时间变化的硬度值；
图6为600℃各组模具钢随时间变化的硬度值。
具体实施方式
实施例1
本发明各实施例和对照例提供的具有高性能的高级热作模具钢的成分及各成分的重量百分比分别见表1和表2。
表1各实施例模具钢成分的重量百分比(％)
表2各对照例模具钢成分的重量百分比(％)
实施例2
本发明提供的模具钢的制备方法如下：
S1：熔炼：按照模具钢的成分及重量百分比，选材进行熔炼，浇注成电极棒；
S2：电渣重熔：将浇铸成的电极棒在保护气氛下进行电渣重熔精炼；
S3：高温均质处理：进行温度为1200℃，时间6h的高温均质化处理；
S4：锻造处理：开锻温度为1110℃，终锻温度为850℃，压缩比为8；
S5：超细化处理：加热至1030℃保温3h，雾冷；
S6：球化退火：球化退火温度为860℃，保温15h；740℃保温12h，降温至400℃以下，降温速度小于20℃/h，出炉空冷。
实施例3
本发明提供的模具钢的制备方法如下：
S1：熔炼：按照模具钢的成分及重量百分比，选材进行熔炼，浇注成电极棒；
S2：电渣重熔：将浇铸成的电极棒在保护气氛下进行电渣重熔精炼；
S3：高温均质处理：进行温度为1250℃，时间7h的高温均质化处理；
S4：锻造处理：开锻温度为1140℃，终锻温度为870℃，压缩比为12；
S5：超细化处理：加热至1050℃保温5h，雾冷；
S6：球化退火：球化退火温度为850℃，保温15h；735℃保温12h，降温至50℃，降温速度为15℃/h，出炉空冷。
实施例4
本发明提供的模具钢的制备方法如下：
S1：熔炼：按照模具钢的成分及重量百分比，选材进行熔炼，熔炼温度为1550℃，保温，在氩气保护下浇注成电极棒；
S2：电渣重熔：将浇铸成的电极棒在保护气氛下进行电渣重熔精炼；
S3：高温均质处理：进行温度为1270℃，时间9h的高温均质化处理；
S4：锻造处理：开锻温度为1170℃，终锻温度为900℃，压缩比为15；
S5：超细化处理：加热至1060℃保温8h，雾冷；
S6：球化退火：870℃保温16h，750℃保温13h，降温至400℃以下，降温速度小于20℃/h，出炉空冷。
模具钢力学性能考察
试验例1退火态组织
从图1中可以看出，本发明提供的模具钢偏析已解基本消除，组织细小均匀，基体上弥散分布着小颗粒的碳化物。
试验例2高温强度的考察
取实施例2-4和对照例1-5的模具钢及H13模具钢，分别置于不同的温度下，测各模具钢的抗拉强度(Rm)和屈服强度(Rp0.2)，检测结果分别见图2和图3。
从图2和图3中可以看出本发明提供的模具钢具有很高的抗拉强度和屈服强度，与对照例和H13模具钢存在显著差异，说明只有将H13模具钢按照本发明的范围进行调整后，才具有更优异的高温强度。
试验例3回火稳定性的考察
取实施例1-4和对照例1-5的模具钢及H13模具钢，分别置于500℃、550℃和600℃，测各模具钢在不同的回火时间内的硬度值(HRC)，检测结果分别见图4、图5和图6。
从图4-6中可以看出本发明提供的模具钢具有很高的回火稳定性，与对照例和H13模具钢存在显著差异，说明只有将H13模具钢按照本发明的范围进行调整后，才具有更优异的回火稳定性。
试验例4热传导性能的考察
取实施例1-4和对照例1-5的模具钢及H13模具钢，分别测各模具钢在20℃、400℃和600℃的热传导系数，检测结果见表1。
表1各组模具钢的热传导系数
从表中可以看出，本发明的模具钢具有更优异的热传导性能。
试验例5冲击功的考察
取实施例1-4和对照例1-5的模具钢及H13模具钢，分别测各模具钢在45HRC硬度下的冲击功，检测结果见表2。
表2各组模具钢的冲击功
从表中可以看出，与对照例和H13相比，本发明的冲击功提供了30％。
试验例6淬透性试验
取实施例2、实施例5和对照例6的模具钢及H13模具钢，在距各磨具钢如下距离的情况下，测各模具钢的硬度，检测结果见表3。
表3各组模具钢距表面不同距离的硬度
从表3中可以看出，H13模具钢的淬透性大约为60mm，而本发明的模具钢的淬透性能够达到200mm。
试验例7冲击韧性的考察
取实施例2、实施例6-7和对照例7、对照例9的模具钢及H13模具钢，在硬度为50HRC的模具钢坯料上取横向冲击试验，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，开V2型缺口，检测结果见表4。
表4各组模具的冲击韧性
从表中可以看出，本发明提供的模具钢具有很高的冲击韧性，并且只有同时加入Zr和Gd后才能够提高其冲击韧性，换成别的元素或者缺少其一，冲击韧性没有改善。
试验例8热疲劳性能的考察
采用UDDWIIOLM自约束冷热疲劳试验方法，使得试验温度在100-700℃区间循环，对实施例2、实施例8和实施例9及对照例8、H13的模具钢进行热疲劳性能测试，热疲劳性能以试样冷热循环3000次后钢的表面疲劳损伤情况综合反映，结果见表5。
表5各组模具钢的热疲劳性能测试实验结果(主裂纹长度mm)
经过3000次冷热循环后，本发明所述的模具钢表面裂纹均匀、细小，无明显主要裂纹，实施例2的主裂纹长度才为0.87mm，还不到H13模具钢裂纹长度的一半；抗热疲劳性能优于对照例和H13模具钢，由此得出只有同时加入Ti和W后才能够提高其热疲劳性能，缺少其一，热疲劳性能没有改善。
以上所述实施例仅仅是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精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有高性能的高级热作模具钢，其特征在于，所述模具钢包括如下重量百分比的各成分：C 0.32-0.41%，Si 0.2-0.6%，Mn 0.6-0.9%， Cr 2.5-4.5%，Mo 2.5-3.5%，V 0.5-1.1%，P<0.02%，S<0.0005%，余量为Fe，所述模具钢是通过如下方法制备得到的：
S1：熔炼：按照模具钢的成分及重量百分比，选材进行熔炼，浇注成电极棒；
S2：电渣重熔：将浇铸成的电极棒在保护气氛下进行电渣重熔精炼；
S3：高温均质处理：进行温度为1200-1270℃，时间6-9h的高温均质化处理；
S4：锻造处理：开锻温度为1110℃-1170℃，终锻温度为850-900℃，压缩比为8以上；
S5：超细化处理：加热至1030-1060℃保温3-8h，雾冷；
S6：球化退火：840-870℃保温13-16h，730-750℃保温10-13h，降温至400℃以下，降温速度小于20℃/h，出炉空冷。
2.根据权利要求1所述的具有高性能的高级热作模具钢，其特征在于，所述模具钢包括如下重量百分比的各成分：C 0.34-0.40%，Si 0.3-0.5%，Mn 0.7-0.9%，Cr 2.8-4.2%，Mo3.0-3.4%，V 0.7-0.9%，P<0.02%，S<0.0005%，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的具有高性能的高级热作模具钢，其特征在于，所述模具钢包括如下重量百分比的各成分：C 0.38%，Si 0.4%，Mn 0.9%，Cr 3.0%，Mo 3.2%，V 0.9%，P<0.02%，S<0.0005%，余量为Fe。
4.根据权利要求1-3任一所述的具有高性能的高级热作模具钢，其特征在于，所述模具钢还包括如下重量百分比的成分：Al-Sc合金0.02-0.06%。
5.根据权利要求4所述的具有高性能的高级热作模具钢，其特征在于，所述Al和Sc的重量比为1:1.2-1.4。
6.根据权利要求4所述的具有高性能的高级热作模具钢，其特征在于，所述模具钢还包括如下重量百分比的成分：Zr 0.01-0.02%，Gd 0.06 -0.09%。
7.根据权利要求6所述的具有高性能的高级热作模具钢，其特征在于，所述模具钢还包括如下重量百分比的成分：Ti 0.001%-0.002%，W 0.02-0.05%。
8.一种权利要求1所述的具有高性能的高级热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：熔炼：按照模具钢的成分及重量百分比，选材进行熔炼，浇注成电极棒；
S2：电渣重熔：将浇铸成的电极棒在保护气氛下进行电渣重熔精炼；
S3：高温均质处理：进行温度为1200-1270℃，时间6-9h的高温均质化处理；
S4：锻造处理：开锻温度为1110℃-1170℃，终锻温度为850-900℃，压缩比为8以上；
S5：超细化处理：加热至1030-1060℃保温3-8h，雾冷；
S6：球化退火：840-870℃保温13-16h，730-750℃保温10-13h，降温至400℃以下，降温速度小于20℃/h，出炉空冷。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤S1所述的熔炼具体工艺为：熔炼温度为1550-1610℃，保温，在氩气保护下浇注成电极棒。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中高温均质处理温度为1250℃，时间7h；步骤S4开锻温度为1140℃，终锻温度为870℃，压缩比为12；步骤S5超细化处理加热至1050℃保温5h；步骤S6球化退火：850℃保温15h，735℃保温12h，降温至50℃，降温速度为15℃/h，出炉空冷。
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