CN106566997A - 一种高性能压铸模用热作模具钢及其冶金制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高性能压铸用热作模具钢，其由按重量百分数计的如下元素组成：C：0.35～0.40％；Si：0.10～0.40％；Mn：0.30～0.50％；Cr：5.00～5.50％；V：0.50～0.70％；Mo：1.90～2.30％；Co：0.40～0.60％；Nb：0.03～0.05％，余量为铁和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，P：≤0.015％；S：≤0.05％。本发明的优点在于：化学成分的配比更加合理，降低碳元素、硅元素、钒元素的含量，提高钼元素含量，并加入适量的铌元素、钴元素，通过Nb、Co、Cr、Mo、V等合金元素的固溶强化与沉淀强化作用提高了材料高温强度和热稳定性。

Description

一种高性能压铸模用热作模具钢及其冶金制造方法

技术领域

直接应用(金属材料及模具制造领域)，本发明涉及钢铁材料的制造方法，特别涉及到一种高性能压铸模用热作模具钢及其冶金制造方法。

背景技术

模具钢通常可以分为热作模具钢、冷作模具钢和塑料模具钢三大类产品，广泛应用于机械加工成型行业，热作模具钢用于制造对铝铜锌等金属热变形加工的模具(如热锻模、热挤压模、压铸模、热冲裁模等)，冷作模具钢用于制造在常温下对金属进行变形加工的模具(如下料模、弯曲模、剪切模、冷镦模、冷挤压模等)，塑料模具钢用于塑料制品的注塑成形的模具。

压铸模用热作模具钢主要用于制造加热到再结晶温度以上的金属或液态金属成型的模具材料，其特点是工作时与热态金属相接触，模腔温度高，如在压铸黑色金属时模腔温度可达1000℃以上，而且工作时反复受热与冷却，模腔表层金属反复产生热胀冷缩，使模腔表面容易出现龟裂(热疲劳现象)。因此，该类材料一般含有可提高高温性能的钨、钼、铬、钒等合金元素，以满足模具高热塑性变形抗力、抗热疲劳能力及高热强性的性能要求。

目前，压铸模用热作模具钢常用可选的典型材料有3Cr2W8V(H21)、4Cr5MoSiV1(H13)。3Cr2W8V优点是具有高热强性、高回火抗力、高热稳定性、良好的耐磨性和加工工艺性能，工作温度可以达到650℃，淬透性中等；缺点为碳化物偏析严重，塑性、韧性、导热性、抗冷热疲劳性能和抗熔蚀性能较差。4Cr5MoSiV1优点是具有较高的热强度和硬度，在中等温度条件下具有良好的韧性、热疲劳性能和一定的耐磨性，并且淬透性高，热处理变形小。缺点是使用温度低于600℃，当使用温度过高时，硬度下降，则钢的抗龟裂性能显著下降，成为模具失效的主要原因。即3Cr2W8V强度有余韧性不足，而4Cr5MoSiV1韧性有余强度不足，两种材料在600～700℃温度区间内(压铸模常用温度区间)服役会由于性能不足而产生热疲劳和热开裂形式的失效，从而影响模具使用。

发明内容

本发明是一种高性能压铸模用热作模具钢及其冶金制造方法。其目的是通过调整和优化这种材料的化学成份配比，利用钴、铌元素的微合金复合强化作用提高材料的高温性能，并结合电炉真空精炼、电渣重熔冶炼工艺及高温均质化、多向锻造技术等冶金制造方法，提高这种热作模具钢在1040℃淬火+二次回火后(550℃+610℃)材料的硬度和冲击韧性，同时提高600～700℃温度区间内材料的高温热稳定性能，提升材料的强度、韧性、高温热强性，使得模具的使用寿命明显提高，适合于高端压铸用热作模具的制造，同时提升冶金企业生产高性能压铸用热作模具钢产品品质，提高企业在压铸模具钢产品市场的竞争力。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高性能压铸用热作模具钢，其由按重量百分数计的如下元素组成：

C：0.35～0.40％；Si：0.10～0.40％；Mn：0.30～0.50％；Cr：5.00～5.50％；V：0.50～0.70％；Mo：1.90～2.30％；Co：0.40～0.60％；Nb：0.03～0.05％，余量为铁和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，P：≤0.015％；S：≤0.05％。

以下是本发明主要化学元素的作用及其限定说明：

C：0.35～0.40％，碳元素是高性能压铸用热作模具钢的主要化学元素之一，是提高钢的硬度和强度最有效的元素，也影响钢的成分偏析和组织均匀性，同时在回火时析出的起弥散强化作用的铬、钼、钒等各种类型的碳化物是热作模具钢性能达到指标的基本保证。本发明中的碳含量较之现有的4Cr5MoSiV1有所降低，其目的是改善钢中的液析碳化物的级别和分布，改善钢中显微组织中碳化物的分布和性质，提高材料的韧性。相对较低的碳含量可以防止钢在凝固的过程中产生偏析组织从而造成钢的硬度的不均匀和冲击韧性下降。

Si：0.10～0.40％，硅是非碳化物形成元素，在高温环境下工作且要求高热强性的条件下，Si强化基体等作用已消失，有促进脱碳的负面效果，一般不单独作合金元素使用。

Mn：0.30～0.50％；锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，它能消除或减弱由于硫引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。锰溶于奥氏体中可增加钢的淬透性，降低钢Ms点。同时适量的锰可增加钢的基体强化作用并能推迟马氏体组织的转变，提高钢的抗回火软化性。

Cr：5.00～5.50％；铬元素可强烈推迟珠光体转变，有利于提高材料的淬透性和马氏体的回火稳定性。Cr含量在5％左右时与碳形成(Fe,Cr)7C3和(Fe,Cr)27C6型碳化物，产生二次硬化效应，提高强度。

V：0.50～0.70％；钒是强碳化物形成元素，钒的碳化物硬度高，颗粒细小弥散分布时可强烈促进钢的二次硬化效果和抗回火能力，从而提高钢的耐热性。

Mo：1.90～2.30％；钼也是强碳化物形成元素，其形成的M2C型碳化物可提高钢的高温强度和热稳定性。同时Mo与Cr、Mn配合加入，其交互作用可显著提高钢的淬透性。但是Mo含量过低，高温热稳性不明显；Mo含量过高，热加工性能变差。

Co：0.40～0.60％；钴是非碳化物形成元素，熔于基体，可阻碍晶粒长大；熔于碳化物，可提高碳化物的稳定性，都有助于提高钢的耐热性。但是Co含量过高会使材料的韧性变差，选择少量加入。

Nb：0.03～0.05％，Nb在钢中析出极为细小弥散的碳化物，起到钉扎晶界的作用，从而细化晶粒，提高韧性，同时降低脆性转变温度，改善焊接性能。同样，Nb含量过高则材料的淬透性变差，选择少量加入。

P：≤0.015；S：≤0.05，P和S都是钢中的有害元素，磷增加钢的脆性，降低钢的冲击韧性；硫会增加钢的热脆缺陷风险，还会明显降低钢的焊接性能，引起高温龟裂。故钢中P和S含量越低，对材料的性能指标提高越有益。

一种如本发明所述的一种高性能压铸用热作模具钢的冶金制造方法，包括如下步骤：

将原料采用电炉加炉外精炼冶炼得到Φ735mm～Φ740mm的电极棒，将所述电极棒退火后进行电渣重熔冶炼，冶炼成Φ878mm～Φ912mm的电渣锭，电渣锭经高温均匀化，快锻锻制成材，退火热处理后形成成品材。

作为优选方案，所述电渣锭的制备方法为：

将电极棒进行电渣重熔，控制填充比不低于0.80，化渣电压为45～60V，化渣电流为6000～18000A，熔炼电压为43～52V，熔炼电流为14000～17000A，补缩电压为9000～16000V，补缩电流为36～44A。通过电渣工序使得电渣钢锭内部结晶组织细小、均匀性明显提高，同时钢锭内部成分偏析，夹杂物水平均有降低。

作为优选方案，所述电渣锭的锻造方法为：

将电渣锭在700～800℃进入快锻加热炉以80～120℃/h的进行升温，加热至1210～1300℃后保温5～10小时，快锻锻造成材开锻温度为1020～1100℃、快锻机停锻温度为850～950℃。

电渣锭在700～800℃进入快锻加热炉以80～120℃/h的进行升温：由于Φ878mm～Φ912mm的电渣锭为大型圆锭，加热时会存在较大的表面应力使得钢锭的热应力敏感性提高，容易在钢锭加热的过程中产生应力裂纹，因此，控制电渣锭的入炉温度在700～800℃，升温速度控制在80～120℃/h可以防止钢锭在加热的过程中产生热应力裂纹，防止电渣锭的热应力导致开裂的风险。

加热至1210～1300℃后保温5～10小时：使得钢锭表面至心部温度均匀，改善钢锭的可锻性，防止电渣锭在锻造过程中的开裂倾向，同时，长时间的高温均质化处理可消除难溶解的大颗粒共晶碳化物，尤其是铌和钴元素的碳化物，以达到均匀铸态组织，减少成分偏析的目的。

快锻锻造开锻温度为1020～1100℃：这种钢在1020～1100℃温度范围是钢的奥氏体单相组织区域，有着最佳的高温热塑性，有利于高温变形加工处理，不容易产生高温热加工开裂。如果高于温度的上限，可能会导致成份偏析所造成的锻造过热，从而会形成组织的晶粒粗大，影响产品的内在质量。

快锻机停锻温度为850～950℃：由于电渣锭终锻温度对钢锭终锻质量有着重要的影响，快锻机停锻温度低于所规定的控制范围，非常容易引起电渣锭在快锻机锻造成材过程中产生成品材开裂，但是，停锻温度高于控制范围容易引起钢在快锻机锻造开坯后产生钢组织粗晶现象，并形成严重的网状碳化物，降低钢的性能。因此，选择这种合适的锻造终锻温度，可以进一步保证产品的内在质量。

作为优选方案，所述退火热处理的方法为：将经过快锻锻造后的电渣锭在850～870℃保温8小时后，炉冷至730～750℃保温10小时进行球化退火。使得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备；最后随炉冷却得到成品压铸用热作模具钢。

本发明与现有的技术相比，具有如下的优点：

1.化学成分的配比更加合理，降低碳元素、硅元素、钒元素的含量，提高钼元素含量，并加入适量的铌元素、钴元素，通过Nb、Co、Cr、Mo、V等合金元素的固溶强化与沉淀强化作用提高了材料高温强度和热稳定性，尤其是Nb和Co，铌可形成稳定性很高的NbC，在1050℃刚刚开始溶入奥氏体中，因此抑制晶粒长大，可提高热强性和高韧性；钴的加入可显著提高耐氧化性和红硬性。而Mo含量的提高可以增加Mo2C和MoC碳化物的形成，延缓Mo2C和MoC向Mo23C6转变，从而进一步提高材料的高温强度和热稳定性，并且Mo含量的提高可以增加Nb(C、N)在奥氏体中的溶度积，使得大量的Nb保持在固溶体中，以便在低温转变的铁素体中弥散析出，产生较高的沉淀硬化效果。

2.本发明的热作模具钢合金度较高，为充分发挥材料本身的性能优势，需要先进的制造工艺使得钢的性能得到保证，为此采用了电渣重熔、高温均质化等冶金制造方法。电渣重熔利用电流通过电渣层产生电阻热来熔化自耗电极合金钢锭母材，其液体金属以熔滴形式经渣池的渣层下落支下面的水冷结晶器熔池中，在重新凝固成钢锭。钢锭由下而上逐步结晶。电渣重熔可降低钢锭中气体夹杂物和留氧含量，改善钢锭的宏观和微观组织，而同时采用的高温均质化技术又可消除难溶解的大颗粒共晶碳化物，改善合金元素的偏析程度，提高钢材的内部质量。

3.合理的化学成分配比和先进的制造工艺使得钢的高性能指标得到保证，本发明的热作模具钢经1025℃淬火+二次回火(550℃+610℃)后，材料的洛氏硬度为48.5HRC，室温横向和纵向冲击韧性均大于280J，等向性(横向冲击韧性与纵向冲击韧性之比)为0.94，均高于同等热处理条件的4Cr5MoSiV1。为表征材料压铸模常用工作温度600～700℃温度区间内材料的高温热稳定性能，将上述材料在700℃、660℃、620℃长时间保温后测试硬度，同等热处理条件下，测试结果表明本发明的材料硬度比4Cr5MoSiV1的硬度分别提高了0.8HRC(700℃×2h)、2.1HRC(660℃×12h)、2.5HRC(620℃×21h)，这使模具的使用寿命会明显提高，本材料适用于高端铝镁合金压铸模和热挤压模的制造。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明压铸模具钢的退火金相组织；

图2为本发明压铸模具钢的1025℃的淬火金相组织；

图3为本发明压铸模具钢的1025℃淬火+二次回火(550℃+610℃)后的金相组织。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

以下是本发明实施例1～5的具体说明。

实施例1

钢的化学成分重量百分比为：C：0.36％，Si：0.37％Mn：0.40％，P：0.008％，S：0.002％，Cr：5.21％，Mo：2.14％，V：0.64％，Nb：0.04％，Co：0.50％。

其余为Fe和不可避免的杂质；

电炉加炉外精炼冶炼浇铸成Φ740mm电极棒；

将电极棒进行电渣重熔，电渣重熔化渣电压60V，电渣重熔化渣电流1200A；

电渣熔炼电压50V，熔炼电流15000A；

电渣补缩电压15000V，补缩电流40A；电渣重熔成Φ900mm电渣锭；

电渣锭在750℃进入快锻加热炉以100℃/h升温加热至1220℃后保温10小时，快锻锻造成材开锻温度为1050℃、快锻机停锻温度为870℃。

退火热处理：将钢锭在850℃保温8小时，随后以40℃/h冷至740℃保温10小时。

采用本实施例生产的压铸模具钢性能指标明显提高，经1025℃淬火+二次回火(550℃+610℃)后，材料的洛氏硬度为48.5HRC，室温横向和纵向冲击韧性均大于280J，等向性(横向冲击韧性与纵向冲击韧性之比)为0.94，均高于同等热处理条件的4Cr5MoSiV1。将本实例材料和4Cr5MoSiV1在700℃保温2h、660℃×12h、620℃×21h后测室温硬度，同等热处理条件下，本发明的材料硬度比4Cr5MoSiV1的硬度分别提高了0.8HRC(700℃×2h)、2.1HRC(660℃×12h)、2.5HRC(620℃×21h)，这表明本材料的高温热稳定性更好，更适用于高性能压铸模具的制造，详见表1。

本发明压铸模具钢的退火金相组织如图1所示，退火组织为铁素体和合金碳化物，碳化物成球状或颗粒状均匀弥散分布在基体上，未见碳化物偏聚及大颗粒共晶碳化物存在，这种均匀分布的球化退火组织可为下一步获得调质硬度和较高的冲击韧性提供组织保证。

本发明压铸模具钢的1025℃的淬火金相组织如图2所示，淬火组织为马氏体+部分未溶解的碳化物+残余奥氏体，这种组织可以获得较高的调质硬度和较高的冲击韧性。

本发明压铸模具钢的1025℃淬火+二次回火(550℃+610℃)后的金相组织如图3所示，均匀的高温回火索氏体和更多的弥散碳化物在组织中的均匀分布，这是材料获得较高韧性和高温热稳性能的组织保证。

表1

实施例2～5的具体化学成分(重量百分比Wt％)见表2所示，工艺参数控制见表3、表4所示，性能指标见表5所示。

表2

表3

表4

表5

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种高性能压铸用热作模具钢，其特征在于，由按重量百分数计的如下元素组成：

C：0.35～0.40％；Si：0.10～0.40％；Mn：0.30～0.50％；Cr：5.00～5.50％；V：0.50～0.70％；Mo：1.90～2.30％；Co：0.40～0.60％；Nb：0.03～0.05％，余量为铁和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，P：≤0.015％；S：≤0.05％。

2.一种如权利要求1所述的高性能压铸用热作模具钢的冶炼制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

将原料采用电炉加炉外精炼冶炼得到Φ735mm～Φ740mm的电极棒，将所述电极棒退火后进行电渣重熔冶炼，冶炼成Φ878mm～Φ912mm的电渣锭，电渣锭经高温均匀化，快锻锻制成材，退火热处理后形成成品材。

3.如权利要求2所述的高性能压铸用热作模具钢的冶炼制造方法，其特征在于，所述电渣锭的制备方法为：

将电极棒进行电渣重熔，控制填充比不低于0.80，化渣电压为45～60V，化渣电流为6000～18000A，熔炼电压为43～52V，熔炼电流为14000～17000A，补缩电压为9000～16000V，补缩电流为36～44A。

4.如权利要求2所述的高性能压铸用热作模具钢的冶炼制造方法，其特征在于，所述电渣锭的锻造方法为：

将电渣锭在700～800℃进入快锻加热炉以80～120℃/h的进行升温，加热至1210～1300℃后保温5～10小时，快锻锻造成材开锻温度为1020～1100℃、快锻机停锻温度为850～950℃。

5.如权利要求2所述的高性能压铸用热作模具钢的冶炼制造方法，其特征在于，所述退火热处理的方法为：将经过快锻锻造后的电渣锭在850～870℃保温8小时后，炉冷至730～750℃保温10小时进行球化退火。