CN106834931B - 一种抗热疲劳的热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

一种抗热疲劳的热作模具钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抗热疲劳的热作模具钢，其包括以下组分及其质量百分数：C 0.38～0.42％，Si 0.8～1.1％，Mn 0.2～0.5％，Cr 2.8～3.3％，Mo 1.2～1.5％，V 1.2～1.5％，Mg 0.0005～0.003％，Zr 0.01～0.3％，Nb 0.001～0.03％，杂质P<0.03％，S<0.03％，Fe余量。本发明对各组分进行合理组配，其中Mg微合金化，能够使合金在热疲劳过程中抑制Mo、V和Cr等碳化物形成元素在晶界的析出作用，使基体析出细小均匀分布的碳化物颗粒，阻碍疲劳裂纹的萌生，Zr微合金化使合金生成细小弥散分布的稳定析出相ZrN，具有钉扎位错，提高合金抗疲劳软化的能力，Nb微合金化的生成的析出相NbC能够提高钢的强度和抗疲劳软化能力。与通用型H13钢相比，本发明中的热作模具钢，具有更高的热稳定性、抗热疲劳性能以及高温强度。

Description

一种抗热疲劳的热作模具钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢铁技术领域，尤其涉及一种抗热疲劳的热作模具钢及其制备方法。
背景技术
热作模具钢对硬度要求适当，侧重于红硬性，导热性以及耐磨性，其含碳量低，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性和红硬性为主。热作模具工作条件的主要特点是与热态金属相接触，这是与冷作模具工作条件的主要区别。
目前最广泛应用的热作模具钢是引进ASTM标准的通用型H13钢，等同于GB/T1299-2000标准的钢号4Cr5MoSiV1。H13钢强韧兼备，具有良好的综合力学性能，是一种冷热兼用的模具钢，但H13钢的热稳定性不足，当使用温度超过600℃时，力学性能将不能满足使用需要。如H13钢用于热锻模时，模具表面软化严重，易发生塌陷和龟裂现象，表明H13钢的高温强度和抗热疲劳性能的不足。因此，开发具有高的高温强度和高的抗热疲劳性能的热作模具钢具有十分重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术而提供一种耐高温、抗热疲劳性能强的热作模具钢。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对现有技术而提供一种上述热作模具钢的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种抗热疲劳的热作模具钢，其特征在于包括以下组分及其质量百分数：C 0.38～0.42％，Si 0.8～1.1％，Mn 0.2～0.5％，Cr 2.8～3.3％，Mo 1.2～1.5％，V 1.2～1.5％，Mg 0.0005～0.003％，Zr 0.01～0.3％，Nb 0.001～0.03％，杂质P<0.03％，S<0.03％，Fe余量。
作为优选，上述组分中V和C的质量比V/C与Mo和C的质量比Mo/C满足以下关系式：V/C+0.53×Mo/C≥4.68。
作为优选，上述组分中V和C的质量比V/C与Mo和C的质量比Mo/C满足以下关系式：V/C+0.27×Mo/C≤4.25。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述的热作模具钢的制备方法，其包括以下步骤：
(1)冶炼不同成分配方的热作模具钢；
(2)感应熔炼加精炼加电渣重熔：用中频感应炉冶炼，经精炼后浇铸成电极棒，电渣重熔成钢锭并退火，工艺按H13钢现行工艺执行；
(3)锻造：将上述钢锭按H13工艺锻造成不同规格的锻板；
(4)热处理：按H13钢热处理工艺执行，经1030℃±5℃油淬处理，并通过多次充分回火，使模具钢硬度达到HRC45～49。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明对各组分进行合理组配，其中Mg微合金化，能使合金在热疲劳过程中抑制Mo、V和Cr等碳化物形成元素在晶界的析出，使基体析出细小均匀分布的碳化物颗粒，阻碍疲劳裂纹的萌生，Zr微合金化使合金生成细小弥散分布的稳定析出相ZrN，具有钉扎位错、提高合金抗疲劳软化的作用，Nb微合金化生成的析出相NbC能够提高钢的强度和抗疲劳软化能力。与通用型H13钢相比，本发明中的热作模具钢，具有更高的热稳定性、抗热疲劳性能以及高温强度。
附图说明
图1为本发明中的热作模具钢(钢号为4Cr3MoSiV)与H13钢在600℃和650℃的热稳定性曲线；
图2为本发明中的热作模具钢(钢号为4Cr3MoSiV)热疲劳后表面和截面的裂纹形貌图；
图3为H13钢热疲劳后表面和截面的裂纹形貌图；
图4为本发明中的热作模具钢(钢号为4Cr3MoSiV)与H13钢热疲劳后截面上硬度随深度的变化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明中的抗热疲劳的热作模具钢，其包括以下组分及其质量百分数：：C 0.38～0.42％，Si 0.8～1.1％，Mn0.2～0.5％，Cr 2.8～3.3％，Mo 1.2～1.5％，V 1.2～1.5％，Mg0.0005～0.003％，Zr 0.01～0.3％，Nb 0.001～0.03％，杂质P<0.03％，S<0.03％，Fe余量。
热作模具钢是高温固溶态FCC奥氏体，通过淬火得到马氏体组织，FCC结构中的基础团簇是中心一个Fe原子，周围12个Fe原子构成的立方八面体结构，团簇可以表示为：FeFe12。合金中的元素与Fe元素具有负混合焓的，说明合金中的元素与Fe具有较强的相互作用，固溶到团簇心部位置，而弱相互作用的合金元素固溶到连接原子位置，合金元素Cr、Mo、V和Si与Fe具有负混合焓，固溶到团簇心部原子位置，Mn与Fe的混合焓值为0，固溶到连接原子位置，所以合金的平均成分可以表示成团簇式：[(CrMoVSi)Fe12](FeMn)3，共包含16个原子，这个基础团簇在奥氏体结构中可以排列成BCC结构，合金成分可以表示成一个大的团簇式形式：[(CrMoVSi)Fe12]16[(FeMn)3]16，即基础团簇式放大16倍，放大的团簇式包含256个原子。
现有的H13钢经完全退火后，基体中处于固溶态的合金含量为Si0.93、Mn0.25、V0.33、Mo0.69、Cr3.10和C0.12(质量百分比)，按大团簇式256个原子计算，转化为合金原子个数，约为Si5Mn1V1Mo1Cr9C1.5，即为H13钢基体中固溶合金元素的原子含量。H13钢中超出大团簇式的原子则以碳化物形态析出，主要是强碳化物形成元素Cr、Mo、V及C，而Cr的球状Cr23C6碳化物粗化是H13钢在热疲劳过程中软化并降低疲劳抗性的主要原因。本发明为了避免过多的Cr形成球状Cr23C6，Cr元素含量不超过Cr9(质量百分比约为3.3％)，而只增加热稳定性更高的碳化物形成元素Mo和V，与C形成Mo2C、MoC和VC。本发明在原子个数Si5Mn1V1Mo1Cr9C1.5的基础上，再增加Mo1个和V2.5个原子,相应增加C3.5个，从而得到本发明热作模具钢的原子含量为Si5Mn1V3.5Mo2Cr9C5，换算为质量百分比含量为Si 1.0％，Mn0.4％，V 1.25％，Mo 1.35％，Cr 3.3％，C 0.42％。因此，本发明中，优选地，上述组分中V和C的质量比V/C与Mo和C的质量比Mo/C满足以下关系式：V/C+0.53×Mo/C≥4.68，V/C+0.27×Mo/C≤4.25。实施例1～10的化学成分组成如表1所述，实施例1～10中V/C与Mo/C的关系如表2所述。
上述热作模具钢的制备过程如下：
(1)按上述组分及其质量百分数，冶炼不同成分配方的热作模具钢；
(2)感应熔炼加精炼加电渣重熔：用中频感应炉冶炼，经精炼后浇铸的电极棒，电渣重熔成3吨钢锭并退火，工艺按H13钢现行工艺执行；
(3)锻造：将上述钢锭按H13工艺锻造成不同规格的锻板；
(4)热处理：按H13钢热处理工艺执行，经1030℃±5℃油淬处理，并通过多次充分回火，使模具钢硬度达到HRC45～49。
对各实施例以及H13钢分别进行测试，3000次热疲劳性能、600℃高温强度以及600℃热稳定性如表3所述。由表3可见，本发明的热作模具钢疲劳表面硬度≥39HRC，疲劳软化深度≤1.0mm，截面裂纹深度≤76mm，表面裂纹宽度≤38um，600℃高温强度≥1100MPa，600℃保温20小时，硬度比H13钢高2.5HRC以上，热疲劳性能，高温强度，热稳定性都优于通用性H13钢。
热稳定性测试：
本发明中的热作模具钢和H13钢经热处理调质后硬度均为49HRC，并进行600℃和650℃热稳定性对比试验，在600℃分别保温2h、6h、10h、20h，在650℃分别保温2h、4h、6h、8h，试验结果如图1所示。由图1可见，本发明中的热作模具钢在600℃和650℃保温同等时间，硬度比H13钢高约3HRC，热稳定性明显优于H13钢。
热疲劳性能测试：
热疲劳试验采用Uddeholm自约束法，试验过程如下：一个循环周期内首先通过感应线圈快速加热试样至700℃，随即喷水冷却至100℃以下，进行热疲劳循环试验。热疲劳试验循环3000次后，观察本发明的热作模具钢和H13钢热疲劳后表面和截面的裂纹形貌图，结果如图2和图3所示。由图2和图3可见，H13钢的表面裂纹呈粗大网状，并且在截面上存在较多的粗大裂纹深入(表面裂纹宽度为88um，截面裂纹深度为126um)，而本发明的热作模具钢的表面网状裂纹明显比H13钢更细小致密，并且在截面上裂纹深入很浅(表面裂纹宽度为34um，截面裂纹深度为45um)。另外，热疲劳试验循环3000次后，比较本发明热作模具钢和H13钢截面上的硬度分布，如图3所示，本发明热作模具钢的表面软化硬度为39HRC，软化深度为0.8mm，而H13钢的表面软化硬度为34.5HRC，软化深度超过3mm。两者对比充分表明本发明的热作模具钢具有比H13钢更加优良的抗热疲劳性能。
高温拉伸性能测试：
高温拉伸试验试样是根据GB/T 4338-2006制备的棒材，中部试验段直径为10mm，本发明热作模具钢600℃高温抗拉强度为1100MPa，比H13钢(H13钢600℃高温抗拉强度为946MPa)高154MPa。
表1实施例1～10的组分及其质量百分数(％)
表2实施例1～10中V/C与Mo/C满足的关系
表3实施例1～10以及H13钢的测试结果

Claims (1)

1.一种抗热疲劳的热作模具钢，其特征在于包括以下组分及其质量百分数：C 0.38～0.42％，Si 0.8～1.1％，Mn 0.2～0.5％，Cr 2.8～3.3％，Mo 1.2～1.5％，V 1.2～1.5％，Mg 0.0005～0.003％，Zr 0.01～0.3％，Nb 0.001～0.03％，杂质P<0.03％，S<0.03％，Fe余量，
上述组分中V和C的质量比V/C与Mo和C的质量比Mo/C满足以下关系式：V/C+0.53×Mo/C≥4.68，V/C+0.27×Mo/C≤4.25，
并且，其通过以下步骤制备：
(1)按上述组分及其质量百分数，冶炼不同成分配方的热作模具钢；
(2)感应熔炼加精炼加电渣重熔：用中频感应炉冶炼，经精炼后浇铸成电极棒，电渣重熔成钢锭并退火，工艺按H13钢现行工艺执行；
(3)锻造：将上述钢锭按H13工艺锻造成不同规格的锻板；
(4)热处理：按H13钢热处理工艺执行，经1030℃±5℃油淬处理，并通过多次充分回火，使模具钢硬度达到HRC45～49。
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