CN106086682B - 一种高强度模具钢及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料的技术领域，它涉及一种高强度模具钢及其加工方法，包括以下元素并按照质量百分比计：0.45%～0.65%的碳,4.16%～8.5%的铬，0.56%～2.13%的钼,0.55%～1.96%的锰,1.45%～3.04%的硅,0.003%～0.009%的钽,0.13%～0.25%的硼,0.22%～0.39%的钨，不高于0.019%的硫和不高于0.023%的磷,余量为铁和不可避免的杂质，将废钢、铬铁、钨渣铁和钼铁混合加热熔化，钢水温度达到950℃以上时,最后加入硅铁和锰铁，炉前调整成分合格后将钢水温度升至1050～1200℃，依次加入钽铁和含氮锰铁，再次加热5min～8min使得钢水温度达到1300℃后添加入硼铁再次烧1min～3min后直接将钢水浇铸成铸件或铸锭。

Description

一种高强度模具钢及其加工方法
技术领域
本发明涉及金属材料的技术领域,更具体地说，它涉及一种高强度模具钢及其加工方法。
背景技术
用模具加工成型零件具有生产效率高、质量好、节约材料和成本低等一系列优点，应用范围极其广泛。热作模具钢是一类重要的模具材料，由于热作模具是在高温下长时间工作的，随着服役时间的延长其组织将发生变化，性能也会相应地发生改变，因此，这就要求热作模具钢具有良好的强韧性、冷热疲劳性能及高温热稳定性等。
如何提高模具钢的结构强度，进而提高其使用寿命是当今模具行业所面临的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种结构强度大，耐磨性强的的模具钢及其加工方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种高强度模具钢，包括以下元素并按照质量百分比计：0.45% ～0.65%的碳,4.16%～8.5%的铬，0.56%～2.13%的钼, 0.55%～1.96%的锰, 1.45%～3.04%的硅,0.003%～0.009%的钽,0.13 %～ 0.25% 的硼, 0.22 %～0.39% 的钨，不高于0.019% 的硫和不高于0.023% 的磷, 余量为铁和不可避免的杂质。
上述当中的元素的效果体现：碳是强化机体组织和扩大奥氏体区域的元素，当碳含量增加时，可以适当降低锰的含量，从而减轻钢的冷作硬化现象。同时，碳含量的提高，可以提高基体的强度，并可以和其他合金元素形成不同的M2C和MC型碳化物，达到强化基体的效果 ；但碳含量过高时，将对钢的韧性造成负面影响，并降低钢的抗冷热疲劳性能。
硅在炼钢的过程中，用作还原剂和脱氧剂。硅在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于奥氏体中，它提高钢中固溶体的强度和冷加工变形硬化率的作用极强，硅有利于碳化物在高温时效过程中析出，还可以增加析出碳化物的弥散度，提高高温抗氧化能力和基体抗力。
锰是该发明钢中形成奥氏体的基本元素，可以达到稳定奥氏体相，并可以增加材料的机体强度，在高温时可以使得材料保持奥氏体组织，材料高温时获得稳定的奥氏体组织的相。由于高锰钢存在冷作硬化现象，当其含量过高时，不利于机加工，因此锰的含量要选在一个合理的范围内。
铬加入钢中能显著改善钢的机加工性能和抗氧化性能，增加钢的抗腐蚀能力。铬也可溶入奥氏体中，起固溶强化作用。铬元素同时可以增加材料的淬透性，并在材料的冷却过程中析出相应的合金碳化物起到强化作用。另外，铬与锰的配合可形成稳定的奥氏体，因此可以减少锰的加入量。
钼属于缩小奥氏体相区的元素，钼在钢中存在于固溶体相和碳化物中。在碳化物相中，当钼含量较低时，与铁及碳形成复合的渗碳体，当含量较高时，则形成它自己的特殊碳化物。钼的扩散速度远小于碳的扩散速度。钼在钢中的作用可归纳为提高淬透性、提高热强性、防止回火脆性、提高剩磁和矫顽力，提高在某些介质中的抗蚀性与防止点蚀倾向等。钼溶入奥氏体中，固溶强化基体，也可以形成碳化物，增强了钢的高温强度、硬度和耐磨性。当钼的含量超过 2.5％时，容易造成钢的脱碳，其含量要得到合理控制。
硼可以改善冶金工业中烧结矿的质量，降低熔点、减小膨胀，提高强度硬度。
钽、钨强碳化物形成元素，形成的碳化物硬度高，可以提高模具钢耐磨性，另外溶于基体的部分钨、钽可以提高基体强度，有利于改善模具钢的耐磨性。另外，钨、钽具有良好的细化凝固组织和碳化物的作用，有利于提高 模具钢的强度和韧性。钨、铌、钽是昂贵合金元素，为了降低 模具钢的生产成本，加入钨渣铁合金补充钨、钽。钨渣铁合金是铁合金厂冶炼钨铁所剩的工业废渣，其中仍含有一定量的钨、锰、铌、钽和钛等合金元素，这些废渣若长期大量堆积还会造成环境污染，造成资源的巨大浪费。本发明将钨渣铁合金直接加入熔炉中冶炼，可以对模具钢起良好的微合金化作用。
钢中磷和硫在凝固过程中形成磷化物和硫化物在奥氏体晶界沉淀。因而产生晶间脆性，使钢的塑性降低，还会使钢锭锻轧时在偏析区产生裂纹，降低了钢的力学性能。
一种适用于高强度模具钢的加工方法，如下步骤：
a.对熔炉进行预升温，使得容炉内温度到达150℃，再将废钢、铬铁、钨渣铁和钼铁混合加热熔化，钢水温度达到950℃以上时,最后加入硅铁和锰铁，炉前调整成分合格后将钢水温度升至1050～1200℃，依次加入钽铁和含氮锰铁，再次加热5min～8min使得钢水温度达到1300℃后添加入硼铁再次烧1min～3min后直接将钢水浇铸成铸件或铸锭；
b. 预制胚件，将步骤a当中的铸件或铸锭从炉内取出放置平台上，通过锻压机进行镦粗，镦粗比为3.1以上，然后轴向采用WHF锻造法拔长为正方，每趟压下量20%后，重新回炉加热至1250℃，保温2h。采用这样的锻造方式能够完成破碎钢锭内部的粗大晶枝，将钢锭的铸态组织转变为锻态组织，初步锻合内部孔隙，压实中心疏松等缺陷。
c.将经步骤b后的使用 FM 锻造法拔长，对锻件采用上下大平板将锻件镦粗，然后采用大压下量的 FM 锻造法拔长，即用上宽砧，下平台，对锻件沿原有纤维方向进行拔长，之后进炉加热至1250℃保温 2.5h以上，采用该法能够非常有利的压实锻件内部中心疏松，消除缩孔等缺陷。足够的保温时间能够使钢锭内部原子得到充分的高温扩散，能够使锻合的内部缺陷得到焊合。
d.将经步骤c后制成的锻件拔长至成品尺寸；
e.将锻件进行热处理，进而得到成品模具钢；
f.将模具钢在 -120℃左右液氮中处理 2～3h；
g. 升至室温，保存10～15h后，再加热至 240～260℃，保温1～2h，空冷。
本发明进一步设置为：所述步骤b采用WHF锻造法,即超宽平砧强压拔长法，砧宽比为 0.45～0.67，每次压下率至少为 20%，拔截面为长方形的锻件，此时料宽比 B/H 为0.88～1.95，长宽比 L/H 为2.5～3.4。
本发明进一步设置为：所述步骤c中采用大压下量的 FM 锻造法，即对锻件采用上下大平板将锻件镦粗，以锻件原有长度纤维方向为锻件宽度方向，原宽度方向变为长度方向。
本发明进一步设置为：所述步骤e热处理工艺为：模具钢重新回炉加热至900℃～950℃并保温 3～5h，然后然后继续随炉加热至950～ 1000℃ , 保温 1.5 ～ 2.5h，再继续加热至 1050 ～ 1100℃，保温0.5 ～ 1.2h，而后油冷至不高于100℃后重新加热至560℃～710℃的温度范围并保温3h，出炉水冷低于200℃后，空冷。
对比现有技术的不足，本发明的有益效果：
模具钢实现了高强度的目的，在物理或化学的调节下，模具钢具备了极强的耐压性及极强的耐腐蚀能力。
具体实施方式
实施例1：
一种高强度模具钢，包括以下元素并按照质量百分比计：0.45%的碳,4.16%的铬，0.56%的钼,0.55%的锰,1.45%的硅,0.003%的钽,0.13%的硼, 0.22%的钨，不高于0.019% 的硫和不高于0.023% 的磷, 余量为铁和不可避免的杂质。
a.对熔炉进行预升温，使得容炉内温度到达150℃，再将废钢、铬铁、钨渣铁和钼铁混合加热熔化，钢水温度达到950℃以上时,最后加入硅铁和锰铁，炉前调整成分合格后将钢水温度升至1050℃，依次加入钽铁和含氮锰铁，再次加热5min使得钢水温度达到1300℃后添加入硼铁再次烧1min后直接将钢水浇铸成铸件或铸锭；
b. 预制胚件，将步骤a当中的铸件或铸锭从炉内取出放置平台上，通过锻压机进行镦粗，镦粗比为3.1以上，然后轴向采用WHF锻造法拔长为正方：砧宽比为 0.45，每次压下率至少为 20%，拔截面为长方形的锻件，此时料宽比 B/H 为 0.88，长宽比 L/H 为2.5，重新回炉加热至1250℃，保温2h；
c.将经步骤b后的使用 FM 锻造法拔长，即对锻件采用上下大平板将锻件镦粗，以锻件原有长度纤维方向为锻件宽度方向，原宽度方向变为长度方向，之后进炉加热至1250℃保温 2.5h以上 ，
d.将经步骤c后制成的锻件拔长至成品尺寸；
e.将锻件进行热处理，进而得到成品模具钢；
f.将模具钢在 -120℃左右液氮中处理 2h；
g. 升至室温，保存 10h后，再加热至 240℃，保温1h，空冷。
步骤e热处理工艺为：模具钢重新回炉加热至900℃并保温3h，然后然后继续随炉加热至950℃ , 保温 1.5 h，再继续加热至 1050℃，保温0.5 h，而后油冷至不高于100℃后重新加热至560℃的温度范围并保温3h，出炉水冷低于200℃后，空冷。
采用本实例1的模具钢的力学检测数据如下：
硬度 HRC ：80
抗弯强度 ：3000Mpa
冲击韧性 ：90J/cm2
抗压强度 ：3500 Mpa
耐磨性 ：达到 D2。
实施例2：
一种高强度模具钢，包括以下元素并按照质量百分比计：0.65%的碳,8.5%的铬，2.13%的钼,1.96%的锰, 3.04%的硅, 0.009%的钽, 0.25% 的硼, 0.39% 的钨，不高于0.019% 的硫和不高于0.023% 的磷, 余量为铁和不可避免的杂质。
a.对熔炉进行预升温，使得容炉内温度到达150℃，再将废钢、铬铁、钨渣铁和钼铁混合加热熔化，钢水温度达到950℃以上时,最后加入硅铁和锰铁，炉前调整成分合格后将钢水温度升至1200℃，依次加入钽铁和含氮锰铁，再次加热8min使得钢水温度达到1300℃后添加入硼铁再次烧3min后直接将钢水浇铸成铸件或铸锭；
b. 预制胚件，将步骤a当中的铸件或铸锭从炉内取出放置平台上，通过锻压机进行镦粗，镦粗比为3.1以上，然后轴向采用WHF锻造法拔长为正方：砧宽比为 0.45，每次压下率至少为 20%，拔截面为长方形的锻件，此时料宽比 B/H 为 1.95，长宽比 L/H 为3.4，重新回炉加热至1250℃，保温2h；
c.将经步骤b后的使用 FM 锻造法拔长，即对锻件采用上下大平板将锻件镦粗，以锻件原有长度纤维方向为锻件宽度方向，原宽度方向变为长度方向，之后进炉加热至1250℃保温 2.5h以上 ，
d.将经步骤c后制成的锻件拔长至成品尺寸；
e.将锻件进行热处理，进而得到成品模具钢；
f.将模具钢在 -120℃左右液氮中处理 2h；
g. 升至室温，保存 15h后，再加热至 260℃，保温2h，空冷。
步骤e热处理工艺为：模具钢重新回炉加热至900℃并保温3h，然后然后继续随炉加热至900℃ , 保温 1.5 h，再继续加热至1100℃，保温1.2h，而后油冷至不高于100℃后重新加热至710℃的温度范围并保温3h，出炉水冷低于200℃后，空冷。
采用本实例2的模具钢的力学检测数据如下：
硬度 HRC ：96
抗弯强度 ：3450Mpa
冲击韧性 ：100J/cm2
抗压强度 ：3800 Mpa
耐磨性 ：达到 D3。
实施例3：
一种高强度模具钢，包括以下元素并按照质量百分比计：0.55%的碳,6.6%的铬，1.32%的钼,1.25%的锰, 2.45%的硅, 0.005%的钽, 0.19% 的硼, 0.3% 的钨，不高于0.019% 的硫和不高于0.023% 的磷, 余量为铁和不可避免的杂质。
a.对熔炉进行预升温，使得容炉内温度到达150℃，再将废钢、铬铁、钨渣铁和钼铁混合加热熔化，钢水温度达到950℃以上时,最后加入硅铁和锰铁，炉前调整成分合格后将钢水温度升至1100℃，依次加入钽铁和含氮锰铁，再次加热6min使得钢水温度达到1300℃后添加入硼铁再次烧2min后直接将钢水浇铸成铸件或铸锭；
b. 预制胚件，将步骤a当中的铸件或铸锭从炉内取出放置平台上，通过锻压机进行镦粗，镦粗比为3.1以上，然后轴向采用WHF锻造法拔长为正方：砧宽比为 0.45，每次压下率至少为 20%，拔截面为长方形的锻件，此时料宽比 B/H 为 1.35，长宽比 L/H 为2.9，重新回炉加热至1250℃，保温2h；
c.将经步骤b后的使用 FM 锻造法拔长，即对锻件采用上下大平板将锻件镦粗，以锻件原有长度纤维方向为锻件宽度方向，原宽度方向变为长度方向，之后进炉加热至1250℃保温 2.5h以上 ，
d.将经步骤c后制成的锻件拔长至成品尺寸；
e.将锻件进行热处理，进而得到成品模具钢；
f.将模具钢在 -120℃左右液氮中处理2.5h；
g. 升至室温，保存 13h后，再加热至 250℃，保温2h，空冷。
步骤e热处理工艺为：模具钢重新回炉加热至910℃并保温4h，然后然后继续随炉加热至900℃ , 保温2h，再继续加热至1085℃，保温1h，而后油冷至不高于100℃后重新加热至600℃的温度范围并保温3h，出炉水冷低于200℃后，空冷。
采用本实例3的模具钢的力学检测数据如下：
硬度 HRC ：100
抗弯强度 ：3560Mpa
冲击韧性 ：110J/cm2
抗压强度 ：4000Mpa
耐磨性 ：达到 D3。
通过对比实施例1-3得到的力学检测数据，实施例三为本发明的最佳实施例。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行通常的变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高强度模具钢，包括以下按照质量百分比计的元素：0.55%～0.65%的碳，6.6%～8.5%的铬，1.32%～2.13%的钼，1.25%～1.96%的锰，2.45%～3.04%的硅，0.005%～0.009%的钽，0.19%～0.25%的硼，0.3%～0.39%的钨，不高于0.019%的硫和不高于0.023%的磷，余量为铁和不可避免的杂质；
其制备方法包括如下步骤：
a.对熔炉进行预升温，使得容炉内温度到达150℃，再将废钢、铬铁、钨渣铁和钼铁混合加热熔化，钢水温度达到950℃以上时，最后加入硅铁和锰铁，炉前调整成分合格后将钢水温度升至1100～1200℃，依次加入钽铁和含氮锰铁，再次加热5min～8min使得钢水温度达到1300℃后添加入硼铁再次烧1min～3min后直接将钢水浇铸成铸件或铸锭；
b.预制胚件，将步骤a当中的铸件或铸锭从炉内取出放置平台上，通过锻压机进行镦粗，镦粗比为3.1以上，然后轴向采用WHF锻造法拔长为正方：砧宽比为 0.45，每趟压下量20%后，重新回炉加热至1250℃，保温2h；
c.将经步骤b后的使用FM锻造法拔长，对锻件采用上下大平板将锻件镦粗，然后采用大压下量的FM锻造法拔长，即用上宽砧，下平台，对锻件沿原有纤维方向进行拔长，之后进炉加热至1250℃保温2.5h以上；
d.将经步骤c后制成的锻件拔长至成品尺寸；
e.将锻件进行热处理，进而得到成品模具钢；
f.将模具钢在-120℃液氮中处理2～2.5h；
g.升至室温，保存13～15h后，再加热至250～260℃，保温2h，空冷；
其中，所述步骤b采用WHF锻造法，即超宽平砧强压拔长法，砧宽比为0.45～0.67，每次压下率至少为20%，拔截面为长方形的锻件，此时料宽比B/H为0.88～1.95，长宽比L/H为2.5～3.4；
其中，所述步骤e热处理工艺为：模具钢重新回炉加热至900℃～950℃并保温3～5h，然后继续随炉加热至950～1000℃，保温1.5～2.5h，再继续加热至1050～1100℃，保温0.5～1.2h，而后油冷至不高于100℃后重新加热至560℃～710℃的温度范围并保温3h，出炉水冷低于200℃后，空冷；
其中，所述步骤c中采用大压下量的FM锻造法，即对锻件采用上下大平板将锻件镦粗，以锻件原有长度纤维方向为锻件宽度方向，原宽度方向变为长度方向。
2.一种高强度模具钢，包括以下元素并按照质量百分比计：0.65%的碳,8.5%的铬，2.13%的钼,1.96%的锰, 3.04%的硅, 0.009%的钽, 0.25% 的硼, 0.39% 的钨，不高于0.019% 的硫和不高于0.023% 的磷, 余量为铁和不可避免的杂质，其制备方法如下：
a.对熔炉进行预升温，使得容炉内温度到达150℃，再将废钢、铬铁、钨渣铁和钼铁混合加热熔化，钢水温度达到950℃以上时,最后加入硅铁和锰铁，炉前调整成分合格后将钢水温度升至1200℃，依次加入钽铁和含氮锰铁，再次加热8min使得钢水温度达到1300℃后添加入硼铁再次烧3min后直接将钢水浇铸成铸件或铸锭；
b. 预制胚件，将步骤a当中的铸件或铸锭从炉内取出放置平台上，通过锻压机进行镦粗，镦粗比为3.1以上，然后轴向采用WHF锻造法拔长为正方：砧宽比为 0.45，每次压下率至少为 20%，拔截面为长方形的锻件，此时料宽比 B/H 为 1.95，长宽比 L/H 为3.4，重新回炉加热至1250℃，保温2h；
c.将经步骤b后的使用 FM 锻造法拔长，即对锻件采用上下大平板将锻件镦粗，以锻件原有长度纤维方向为锻件宽度方向，原宽度方向变为长度方向，之后进炉加热至1250℃保温 2.5h以上 ；
d.将经步骤c后制成的锻件拔长至成品尺寸；
e.将锻件进行热处理，进而得到成品模具钢；
f.将模具钢在 -120℃液氮中处理 2h；
g. 升至室温，保存 15h后，再加热至 260℃，保温2h，空冷；
其中步骤e热处理工艺为：模具钢重新回炉加热至900℃并保温3h，然后然后继续随炉加热至900℃ , 保温 1.5 h，再继续加热至1100℃，保温1.2h，而后油冷至不高于100℃后重新加热至710℃的温度范围并保温3h，出炉水冷低于200℃后，空冷。
3.一种高强度模具钢，包括以下元素并按照质量百分比计：0.55%的碳,6.6%的铬，1.32%的钼,1.25%的锰, 2.45%的硅, 0.005%的钽, 0.19% 的硼, 0.3% 的钨，不高于0.019% 的硫和不高于0.023% 的磷, 余量为铁和不可避免的杂质，其制备方法如下：
a.对熔炉进行预升温，使得容炉内温度到达150℃，再将废钢、铬铁、钨渣铁和钼铁混合加热熔化，钢水温度达到950℃以上时,最后加入硅铁和锰铁，炉前调整成分合格后将钢水温度升至1100℃，依次加入钽铁和含氮锰铁，再次加热6min使得钢水温度达到1300℃后添加入硼铁再次烧2min后直接将钢水浇铸成铸件或铸锭；
b. 预制胚件，将步骤a当中的铸件或铸锭从炉内取出放置平台上，通过锻压机进行镦粗，镦粗比为3.1以上，然后轴向采用WHF锻造法拔长为正方：砧宽比为 0.45，每次压下率至少为 20%，拔截面为长方形的锻件，此时料宽比 B/H 为 1.35，长宽比 L/H 为2.9，重新回炉加热至1250℃，保温2h；
c.将经步骤b后的使用 FM 锻造法拔长，即对锻件采用上下大平板将锻件镦粗，以锻件原有长度纤维方向为锻件宽度方向，原宽度方向变为长度方向，之后进炉加热至1250℃保温 2.5h以上 ，
d.将经步骤c后制成的锻件拔长至成品尺寸；
e.将锻件进行热处理，进而得到成品模具钢；
f.将模具钢在 -120℃液氮中处理2.5h；
g. 升至室温，保存 13h后，再加热至 250℃，保温2h，空冷；
其中，步骤e热处理工艺为：模具钢重新回炉加热至910℃并保温4h，然后然后继续随炉加热至900℃ , 保温2h，再继续加热至1085℃，保温1h，而后油冷至不高于100℃后重新加热至600℃的温度范围并保温3h，出炉水冷低于200℃后，空冷。
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