CN105950962B - 一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢及其制法 - Google Patents

一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢及其制法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢及其制法，该热作模具钢主要由下列质量百分含量的化学成分组成：C 0.50‑0.65％，Si 0.7‑1.3％，Mn 0.6‑1.0％，Cr 2.5‑4.5％，Mo 2.7‑4.5％，V 0.5‑1.1％，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C的重量百分比提高到0.50‑0.65％，Mn升高到0.6‑1.0％、将Cr的含量降低到2.5‑4.5％，将Mo重量百分比升高到2.7‑4.5％；四种化学成分同时调整，得到最佳配比，使得制备的模具钢具有优异的硬度、耐高温形成和高韧性。

Description

一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢及其制法
技术领域
本发明属于钢材锻造及热处理工艺技术，特别涉及一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢及其制法。
背景技术
用模具加工成型零件具有生产效率高、质量好、节约材料和成本低等一系列优点，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％，由于其具有十分优异的淬透性，以及韧性好、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，它迅速成为世界主流的热做模具钢。H13钢的主要特点是：(1)具有高的淬透性和高的韧性；(2)优良的抗热裂能力，在工作场合可予以水冷；(3)具有中等耐磨损能力，还可以采用渗碳或渗氮工艺来提高其表面硬度，但要略为降低抗热裂能力；(4)因其含碳量较低，回火中二次硬化能力较差；(5)在较高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)中等和高的切削加工性；(8)中等抗脱碳能力。
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，因为种种原因产生开裂、磨损、热疲劳、塑性变形。这就对热锻模具钢的强度和韧性提出更高的要求。
发明内容
本发明的特征在于提供一种兼有极高高温强度和韧性的高级热作模具钢及其制备方法，解决当改善热作模具钢的高温强度和抗回火能力，会伴随出现脆性增大、韧性下降，抗疲劳性能降低等问题，增加模具使用寿命。
为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：
一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢，主要由下列质量百分含量的化学成分组成：C 0.50-0.65％，Si 0.7-1.3％，Mn 0.6-1.0％，Cr 2.5-4.5％，Mo 2.7-4.5％，V 0.5-1.1％，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C的重量百分比提高到0.50-0.65％，Mn的重量百分比升高到0.6-1.0％、将Cr的含量降低到2.5-4.5％，将Mo重量百分比升高到2.7-4.5％；四种化学成分同时调整，相辅相成得到最佳配比，进而使得制备的模具钢具有优异的硬度、耐高温形成和高韧性。
优选地，所述热作模具钢的化学成分质量百分含量为：C 0.51-0.55％，Si 0.81-0.95％，Mn 0.82-0.98％，Cr 2.8-4.2％，Mo 3.0-4.0％，V 0.7-0.9％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。
优选地，所述热作模具钢的化学成分质量百分含量为：C0.52％，Si1.1％，Mn0.9％，Cr 3％，Mo3.5％，V0.8％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。
进一步地，所述热作模具钢还包括如下质量百分含量的化学成分，Nb 0.1-0.3％，Ga 0.02-0.08％。
本发明通过在模具钢中加入化学成分Nb和Ga，在不影响本发明提供的热作模具钢的耐高温和高韧性的优异性能的前提下，大大提高热作模具钢的淬透性，有效增加钢整体力学性能的均一性，降低钢的变形和开裂的几率。
更进一步地，所述热作模具钢还包括质量百分含量为0.01-0.04％Cd。。
本发明通过进一步在模具钢内加入Cd后，可显著提高模具钢的热传导性能，减小钢的热疲劳性。
优选地，所述热作模具钢的化学成分质量百分含量为：C 0.55％，Si 1.0％，Mn0.7％，Cr 3％，Mo 3.5％，V 0.9％，Nb 0.24％，Ga 0.05％,Cd 0.03％,P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。
另一方面，本发明还提供了所述兼有耐高温和高韧性的热作模具钢的制备方法，该方法包括如下步骤：
1)冶炼和铸造，按照所述兼有耐高温和高韧性的热作模具钢的化学成分及质量百分比进行配料，采用常规方法熔炼和铸造，得到钢锭；
2)锻造，将步骤1)得到的钢锭进行锻造，锻造参数为：钢锭的加热温度为：1200-1250℃，保温时间大于6h，优选为6-9h；开锻温度为1100℃-1150℃，终锻温度为850-900℃，锻造压缩比大于7，优选为7-10；
3)正火，于1020-1050℃正火，保温12-16h；
4)球化退火，于840-860℃下保温15h，然后再于740-760℃下保温12h，球化退火后，降温至400℃以下，出炉空冷，得到所述热作模具钢。
优选地，所述步骤4)的降温速度为小于20℃/h，优选为12-20℃/h。
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、热稳定性和冲击韧性。
进一步地，本发明所提供的所述兼有耐高温和高韧性的热作模具钢的制备方法，在步骤所述方法在步骤1)与步骤2)之间还包括钢锭的电渣重熔的步骤，所述电渣重熔步骤的具体条件为：
(1)渣系配比：氧化铝20-30％、氧化镁5-10％、氧化钙20-30％、氟化钙30-60％、氧化硅2％；
(2)电压：50-70V；电流10000-12000A；熔炼填充比0.60-0.75；溶速600-700kg/h。
优选地，所述渣系配比为：氧化铝20％、氧化镁5％、氧化钙25％、氟化钙48％、氧化硅2％。
增加电渣重熔步骤，采用上述实验条件，有效去除杂物，尤其是能有效的将所述热作模具钢的含硫量降低到0.0005％以下，可进一步提高钢的性能。
本发明所提供的兼有耐高温和高韧性的热作模具钢，综合考虑了化学成分及制备方法对其性能及使用寿命的影响，通过大量试验得到最佳的化学成分及其含量配比，钢制纯净、组织均匀，具有较高的洛氏硬度、较佳的耐高温性能，同时也具有优良的冲击韧性和抗疲劳性能，是一种新型的优质热作模具钢。
附图说明
图1为550℃各组模具钢随时间变化的硬度值；
图2为800℃各组模具钢随时间变化的硬度值。
具体实施方式
实施例1
一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢，由下列质量百分含量的化学成分组成：C0.52％，Si1.1％，Mn0.9％，Cr3％，Mo3.5％，V0.8％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。
实施例2
一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢，由下列质量百分含量的化学成分组成：C0.51％，Si 0.81％，Mn 0.82％，Cr 2.8％，Mo 3.0％，V 0.7％，Nb 0.2％，Ga 0.05％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。
实施例3
一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢，由下列质量百分含量的化学成分组成：C0.55％，Si 1.0％，Mn 0.7％，Cr 3％，Mo 3.5％，V 0.9％，Nb 0.24％，Ga 0.05％,Cd0.03％,P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。
实施例4
一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢，由下列质量百分含量的化学成分组成：C0.55％，Si 0.95％，Mn 0.98％，Cr 4.2％，Mo 4.0％，V 0.9％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。
制备方法：
1)冶炼和铸造，按照上述化学成分及质量百分比进行配料，采用常规方法熔炼和铸造，得到钢锭；
2)锻造，将步骤1)得到的钢锭进行锻造，锻造参数为：钢锭的加热温度为：1200℃，保温时间6h，开锻温度为1100℃℃，终锻温度为850℃，锻造压缩比7；
3)正火，于1020℃正火，保温12h；
4)球化退火，于840℃下保温15h，然后再于740℃下保温12h，球化退火后，降温至400℃，出炉空冷，得到所述热作模具钢。
实施例5
一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢，由下列质量百分含量的化学成分组成：C0.51％，Si 1.1％，Mn 0.6％，Cr 2.8％，Mo 3.0％，V 0.6％，Nb 0.2％，Ga 0.07％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。
制备方法：
1)冶炼和铸造，按照上述化学成分及质量百分比进行配料，采用常规方法熔炼和铸造，得到钢锭；
2)电渣重熔，将步骤1)得到的钢锭作为自耗电极进行电渣重熔，具体参数为：a、渣系配比：氧化铝20％、氧化镁5％、氧化钙30％、氟化钙60％、氧化硅2％；b、具体参数：电压：70V；电流10000A；熔炼填充比0.6；溶速600kg/h；
3)锻造，将步骤1)得到的钢锭进行锻造，锻造参数为：钢锭的加热温度为：1210℃，保温时间8h，开锻温度为11200℃，终锻温度为880℃，锻造压缩比8；
4)正火，于1030℃正火，保温15h；
5)球化退火，于855℃下保温15h，然后再于755℃下保温12h，球化退火后，以18℃/h的速度降温至250℃，出炉空冷，得到所述热作模具钢。
实施例6
一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢，由下列质量百分含量的化学成分组成C0.65％，Si 1.3％，Mn 1.0％，Cr 4.5％，Mo 4.5％，V 1.1％，Nb 0.3％，Ga 0.08％，Cd0.04％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。制备方法：
1)冶炼和铸造，按照上述化学成分及质量百分比进行配料，采用常规方法熔炼和铸造，得到钢锭；
2)电渣重熔，将步骤1)得到的钢锭作为自耗电极进行电渣重熔，具体参数为：a、渣系配比：氧化铝30％、氧化镁10％、氧化钙20％、氟化钙30％、氧化硅2％；b、具体参数：电压：50V；电流12000A；熔炼填充比0.75；溶速700kg/h；
3)锻造，锻造参数为：钢锭的加热温度为：1230℃，保温时间7h，开锻温度为1130℃，终锻温度为870℃，锻造压缩比9；
4)正火，于1030℃正火，保温14h；
5)球化退火，于850℃下保温15h，然后再于750℃下保温12h，球化退火后，以12℃/h的速度降温至200℃，出炉空冷，得到所述热作模具钢。
实施例7
一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢，由下列质量百分含量的化学成分组成：C0.50％，Si 0.7％，Mn 0.6％，Cr 2.5％，Mo 2.7％，V 0.5％，Nb 0.1％，Ga 0.02％，Cd0.01％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。制备方法：
1)冶炼和铸造，按照上述化学成分及质量百分比进行配料，采用常规方法熔炼和铸造，得到钢锭；
2)锻造，将步骤1)得到的钢锭进行锻造，锻造参数为：钢锭的加热温度为：1250℃，保温时间9h，开锻温度为1150℃，终锻温度为900℃，锻造压缩比大于10；
3)正火，于1050℃正火，保温16h；
4)球化退火，于860℃下保温15h，然后再于760℃下保温12h，球化退火后，以20℃/h的速度，降温至300℃，出炉空冷，得到所述热作模具钢。
实施例8
一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢，由下列质量百分含量的化学成分组成：C0.65％，Si 1.3％，Mn 1.0％，Cr 4.5％，Mo 4.5％，V 1.1％，Nb 0.3％，Ga 0.08％，Cd0.04％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。
制备方法：
1)冶炼和铸造，按照上述化学成分及质量百分比进行配料，采用常规方法熔炼和铸造，得到钢锭；
2)电渣重熔，将步骤1)得到的钢锭作为自耗电极进行电渣重熔，具体参数为：a、渣系配比：氧化铝20％、氧化镁5％、氧化钙25％、氟化钙18％、氧化硅2％；b、具体参数：电压：65V；电流11000A；熔炼填充比0.71；溶速682kg/h；
2)锻造，将步骤1)得到的钢锭进行锻造，锻造参数为：钢锭的加热温度为：1200℃，保温时间8h，开锻温度为1150℃，终锻温度为850℃，锻造压缩比9；
3)正火，于1050℃正火，保温15h；
4)球化退火，于860℃下保温15h，然后再于740℃下保温12h，球化退火后，降温至100℃，出炉空冷，得到所述热作模具钢。
对照实施例1-7
本发明各对照例提供的兼有耐高温和高韧性的热作模具钢的成分及各成分的重量百分比分别见表1。
表1各对照例模具钢成分的重量百分比(％)
对照例 1 2 3 4 5 6 7
C 0.52 0.40 0.52 0.52 0.51 0.51 0.55
Si 1.1 1.1 1.1 1.1 0.81 0.81 1.0
Mn 0.9 0.9 0.5 0.9 0.82 0.82 0.7
Cr 3.5 3.5 3.5 5.0 2.8 2.8 3.0
Mo 1.75 3.5 3.5 3.5 3.0 3.0 3.5
V 0.8 0.8 0.8 0.8 0.7 0.7 0.9
P 0.01 0.005 0.0003 0.005 0.001 0.001 0
S 0.0004 0.00001 0.00002 0.0003 0.0002 0.0002 0
Nb -- -- -- -- 0.2 -- 0.24
Ga -- -- -- -- -- 0.05 0.05
Cd -- -- -- -- -- -- 0.10
Fe 余量 余量 余量 余量 余量 余量 余量
性能测试
取实施例1、实施例2、实施例3所述热作模具钢样品做性能测试，同时与H13和不同对照例所述热作模具钢进行性能对比，对比结果如下：
1、硬度测试：经过1100℃淬火，500-600℃回火处理后，进行硬度测试，表2为硬度测试实验结果；
2、冲击韧性测试：在坯料上取横向冲击式样，式样尺寸为7mm×10mm×55mm，采用北美压铸协会标准进行室温冲击功测试，表3为冲击韧性试验结果(回火态)；
3、热稳定性测试：取实施例1与对照例1-4和H13钢分别于500℃和600℃条件下进行热稳定性试验，保温时间为2h、4h、8h、12h、16h、20h、24h，观察试验钢的硬度变化，图1和图2为热稳定性试验结果；经试验可知，本发明所述的热作模具钢不但具有较高的硬度，其亦具有非常好的热稳定性，实施例1的热作模具钢在600℃的高温条件下保温24小时后，硬度降低较少；与H13和对照例相比，热稳定性更佳，尤其是600℃的高温条件下，热稳定性能明显优于H13钢和对照例。
4、热疲劳性测试：UDDEHOLM自约束冷热疲劳试验方法，使得试样温度在20℃-800℃区间循环，进行热疲劳性能测试，热疲劳性能以试样冷热循环3000次后钢的表面和截面疲劳损伤情况综合反映，表4为热疲劳性性能测试实验结果；热作模具钢经过热疲劳试验后主裂纹长度结果；
5、淬透性性能测试：经过1100℃淬火，500℃回火处理后，在距各模具钢如下距离的情况下，测各模具钢的硬度，检测结果见表5；
6、热传导性能测试：取待测模具钢，分别在20℃、400℃和600℃下的热传导系数，检测结果见表6。
表2不同温度下回火硬度测试试验结果
由上述试验结果可知，本发明所述的热作模具钢具有较高的回火硬度值，实施例1所述热作模具钢较H13钢相比，硬度具有较大提高，实施例2、实施例3在实施例1的基础上增加的化学成分未对钢的硬度有不良影响；对照例1-4与实施例1的区别分别在于单独C、Mn、Cr和Mo含量的差异，对照例1-4单独C、Mn、Cr和Mo含量均在H13钢的范围内，由上述结果可知，这四种成分优化，只改变任意三种成分均不能达到优化效果，甚至较H13性能变更差。
表3回火后冲击韧性测试结果
由上述试验结果可知，本发明所述的热作磨具钢具有较高硬度的同时，更具有较优的抗冲击韧性，远优于H13钢，而对照例钢抗冲击韧性较实施例相比较差。
表4热疲劳性性能测试实验结果(主裂纹长度mm)
经过3000次冷热循环后，本发明所述的热作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0.72mm，还不到H13钢裂纹长度的一半；抗热疲劳性能非常优秀；对照例钢经过热疲劳试验后，表面裂纹呈网状，裂纹之间相互贯通，呈较宽的开裂状。
综合上述试验可知，本发明所提供的热作模具钢，只有四种成分同时进行优化，互相配合，并按照本发明所述的范围进行调整，才能兼有耐高温、高硬度和高韧性的优异性能于一体，与实施例1相比，实施例2与实施例3添加了Nb和Ga及Cd化学成分，未对热作模具钢的耐热性、抗冲击韧性和硬度等性能产生不良影响。
表5各组模具钢距表面不同距离的硬度
从表5中可以看出，H13模具钢的淬透性大约为60mm，实施例1所述的热作模具钢较H13相比淬透性稍优，实施例2较实施例1相比，添加了一定百分比的化学成分Nb和Ga，二者相辅相成，明显提高本发明热作模具钢的淬透性，淬透性能够达到200mm，而对照例5和对照例6与实施例2相比，分别单独添加化学成分Nb和Ga，均不能改善本发明热作模具钢的淬透性。
表6各组模具钢的热传导系数
从表6中可以看出，实施例3的热作模具钢添加了化学成分Cd，具有优异的导热性，但加入量不宜过多，对照例7的热传导性能随着Cd加入量的增多，导热性反而大大降低。
6.结论
综合上述试验结果可知，本发明所述的热作模具钢在600℃回火硬度最高可达HRC61.1；横向冲击功最高可达407J，具有较好的韧性；其在600℃条件下恒温24h后硬度下降不到3，具有非常良好的抗热、耐高温性能；同时具有较优的抗疲劳性能，其强韧性、热稳定性和抗热疲劳性能均优于目前广泛使用的H13钢，是兼具有极高的高温强度和韧性的高级热作模具钢。

Claims (7)

1.一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢，其特征在于，所述热作模具钢由下列质量百分含量的化学成分组成：C 0.52-0.65％，Si 1.1-1.3％，Mn 0.9-1.0％，Cr 3-4.5％，Mo3.5-4.5％，V 0.8-1.1％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。
2.如权利要求1所述的兼有耐高温和高韧性的热作模具钢，其特征在于，所述热作模具钢的化学成分质量百分含量为：C0.52％，Si 1.1％，Mn0.9％，Cr 3％，Mo 3.5％，V0.8％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。
3.如权利要求1所述的兼有耐高温和高韧性的热作模具钢，其特征在于，所述热作模具钢还包括如下质量百分含量的化学成分：Nb 0.1-0.3％，Ga 0.02-0.08％。
4.如权利要求3所述的兼有耐高温和高韧性的热作模具钢，其特征在于，所述热作模具钢还包括质量百分含量为0.01-0.04％的Cd。
5.一种如权利要求1所述兼有耐高温和高韧性的热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
1)冶炼和铸造，按照所述兼有耐高温和高韧性的热作模具钢的化学成分及质量百分比进行配料，采用常规方法熔炼和铸造，得到钢锭；
2)锻造，将步骤1)得到的钢锭进行锻造，锻造参数为：钢锭的加热温度为：1200-1250℃，保温时间大于6h，开锻温度为1100℃-1150℃，终锻温度为850-900℃，锻造压缩比大于7；
3)正火，于1020-1050℃正火，保温12-16h；
4)球化退火，于840-860℃下保温15h，然后再于740-760℃下保温12h，球化退火后，降温至400℃以下，出炉空冷，得到所述热作模具钢。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)的降温速度为小于20℃/h。
7.据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述方法在步骤1)与步骤2)之间还包括钢锭的电渣重熔的步骤，所述电渣重熔步骤的具体条件为：
(1)渣系配比：氧化铝20％、氧化镁5％、氧化钙25％、氟化钙48％、氧化硅2％；
(2)电压：50-70V；电流10000-12000A；熔炼填充比0.60-0.75；溶速600-700kg/h。
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