CN107151759A - 一种用于制备高温重载条件下大型热锻模具的特种铸钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制备高温重载条件下大型热锻模具的特种铸钢，该特种铸钢的化学成分以质量%计，包括碳元素含量为0.35‑0.5%、硅元素含量为0.2‑0.6%、锰元素含量为0.6‑1.0%、磷元素含量≤0.02%、硫元素含量≤0.02%、铬元素含量为1.4‑1.7%、镍元素含量为1.4‑1.7%、钼元素含量为0.15‑0.3%，余量为铁和杂质；本发明提供了一种新型铸钢用于制备大型热锻模具，使得大型热锻模具在350℃以上、局部瞬时应力650MPa以上的极端条件下与8万吨模锻液压机配合成形难变形材料时，大型热锻模具的硬度、强度、塑性和韧性方面的性能都能够满足要求，避免了在极端条件下热锻模具的强度、硬度迅速降低，造成模具基体发生严重塑性变形、开裂等问题，避免了模具严重失效不能再使用等问题；使得热锻模具的使用寿命显著提高。

Description

一种用于制备高温重载条件下大型热锻模具的特种铸钢及其 制备方法

技术领域

本发明属于铸钢制造领域，具体涉及一种用于制备高温重载条件下大型热锻模具的特种铸钢及其制备方法。

背景技术

随着国家重型装备制造业的发展，大飞机、船舶制造等装备制造业需要迅速提升能力。世界上最大的大型模锻液压机(8万吨压机)应运而生，其使用的大型热锻模具(单套重量已达60～100吨)已广泛应用于航空、航天、核电、石化等领域的大型模锻件生产制造中，如大飞机机身框架、起落架、发动机涡轮盘、大型缸体、泵体等，这些锻件的锻件材料主要包括铝合金、高温合金、钛合金等。然而难变形材料(高温合金、钛合金、超高强度钢等)大型锻件的始锻温度高，在锻造成形过程中因锻件与模具接触时间长，模具承受压力高，温度迅速升高至350-700℃以上，导致模具强度、硬度迅速降低，造成常规5CrNiMo、5CrMnMo材质的模具发生严重塑性变形、开裂等问题，使得模具寿命极低，模锻1-2件锻件后模具变形高达10mm以上，导致模具严重失效不能再使用等问题。

现在也有选用H13钢作为模具材质后，模具的变形程度有所减轻，但新的问题也悄然出现，模具常发生在预热和放置时整体断裂报废的情况。经分析认为，这与冶金缺陷和加工应力消除不充分有关。当H13材质的模具重量超过15吨，受大型钢锭铸造冶金质量低下、钢锭自由锻锻透性差、热处理淬火硬度低的影响，探伤合格率极低，合格率仅为50％左右，模具寿命也得不到保证，这严重影响了模具的生产效率和生产成本。

为了解决所述技术问题,发明人曾设计了一种夹心层锻模及锻模夹心层堆焊的工艺方法并申请了专利,专利号为ZL201510171656.4。该方法工艺中,采用铸钢作为大型锻模基体,形成波浪形基体表面,并通过在铸钢基体层上进行梯度功能层增材制造,进而通过回火去应力、机加工成型等获得最终模具。这样,得到的大型锻模能够基本满足锻模模具在硬/强度和塑/韧性等方面的性能要求，有效延长锻模使用寿命的同时又可降低生产成本，实现了低成本、短时间、高利用率的制造和使用模具,对锻造模具行业具有无法估量的意义。

发明人在实施上述方法的过程中,发现这种基于铸钢基体的多梯度功能层增材制造的大型热锻模具在8万吨压机上成形难变形材料时，铸钢基体如何满足高温(350℃以上)重载(高温下局部瞬时应力650MPa以上)下强、硬度和塑、韧性协调匹配的性能要求？特种铸钢材料与背景技术中增材制造的多梯度功能层如何良好结合并平稳过渡？特种铸钢材料的性能如何保证满足8万吨压机上大型热锻模具多次修复和再制造(多次使用，降低单件摊销成本)的使用要求？是本领域研究的新方向。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于制备高温重载条件下大型热锻模具的特种铸钢，解决了现有的铸钢在温度在350℃以上、局部瞬时应力在650MPa以上的条件下硬、强度和塑、韧性方面的性能无法满足要求等技术问题，进一步提高了特种铸钢材料与增材制造的多梯度功能层之间的结合强度，有效提高了大型热锻模具的一次使用寿命和增加了可修复再制造的次数。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

1一种用于制备高温重载条件下大型热锻模具的特种铸钢，该特种铸钢的化学成分以质量百分数计，包括碳元素含量为0.35-0.5％、硅元素含量为0.2-0.6％、锰元素含量为0.6-1.0％、磷元素含量≤0.02％、硫元素含量≤0.02％、铬元素含量为1.4-1.7％、镍元素含量为1.4-1.7％、钼元素含量为0.15-0.3％，余量为铁和杂质。

本技术方案中，由于合金元素对铸钢性能具有决定性的作用，因此在设计特种铸钢材料的时候要求具备良好的合金元素配比，其中：特种铸钢材料含碳的质量百分比为0.35-0.5％。这是因为，碳元素可提高碳钢中的珠光体含量，从而提高碳钢的强度；通过分析发现含碳量在此区间时碳钢强度较好，且不容易出现热烈和冷裂缺陷；含硅的质量百分比为0.2-0.6％。这是因为，硅元素能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限，含有硅的碳钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层二氧化硅薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性；经过分析发现此区间内含硅量可以在铁素体中形成较好的固溶强化作用，同时也在表面上形成一层二氧化硅薄膜；有效提升铸钢的强度、硬度而不会显著降低其塑性、韧性；含锰的质量百分比为0.6-1.0％。因为锰在一定程度上能消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，并改善钢材的冷脆倾向，有效提高钢材强度的同时不显著降低钢材的塑性、冲击韧性。含磷、硫元素的质量百分比为≤0.02％。由于P元素会形成脆性的Fe₃P化合物，导致铸钢的塑韧性急剧下降，并使铸钢的脆性转变温度升高，形成冷脆缺陷；因此控制磷的含量能够有效避免减弱钢的强度，增大钢的冷裂趋向的情况发生。由于S元素容易在晶界形成FeS低熔点物质，高温状态受力时，材料会沿晶界形成裂纹，形成热脆缺陷；避免硫化物在钢凝固过程终了时才凝固在钢的晶粒周界位置，显著降低钢的高温强度，热裂形成的情况发生；含铬的质量百分比为1.4％-1.7％。这是因为铬元素是碳化物形成元素，具有强化基体、细化晶粒和提高淬透性的作用，但铬的含量不宜过高，否则会增加碳化物的不均匀性和回火脆性；含镍的质量百分比为1.4-1.7％。这是因为镍是非碳化物形成元素，适量的镍可以溶入α-Fe中，形成固溶体，强化基体，降低过热敏感性，起到沉淀强化的作用，在提高钢的强度和硬度的同时保持良好的韧性；含钼的质量百分比为0.15-0.3％。这是因为适量的钼元素在钢中能形成很稳定的碳化物，造成二次硬化，使铸钢具有高的红硬性，并且还能提高钢的耐磨性及阻止晶粒长大；杂质是指对本发明制备的特种铸钢的性能无影响，且又无法去除的物质；使得本发明提供了一种新的特种铸钢，使得模具基体在350℃以上、局部瞬时应力650MPa以上的极端条件下的强度、硬度、塑性和韧性性能能够达到要求，可以承受8万吨压机成形难变形材料时高温重载的工作条件，保证模具基体在工作过程中不开裂、变形小的同时，又能保证模具基体具有良好的焊接性能，模具基体与增材制造的多梯度功能层结合良好，在工作过程中，避免模具基体与多梯度功能层的焊接处出现脱落、开裂的情况发生，采用本发明中的特种铸钢制备的大型热锻模具的一次使用寿命显著提高，并且增加可修复再制造次数。

作为优选地，该特种铸钢的化学成分以质量百分数计，所述碳元素含量0.42％、硅元素含量0.4％、锰元素含量0.8％、磷元素含量0.02％、硫元素含量0.02％、铬元素含量1.55％、镍元素含量1.55％、钼元素含量0.23％，余量为铁。本发明中特种铸钢的化学组成采用上述比例，使得铸造的模具基体在强度、硬度、塑性和韧性性能最优，使得模具基体在在350℃以上、局部瞬时应力650MPa以上的极端条件下不容易出现变形、断裂的情况，并且还使得模具基体具有最优异的焊接性能，保证模具基体与多梯度功能层之间焊接处的强度性能最优异，保证多梯度功能层在高温重载的工作条件下不会出现脱落的情况。

作为优选地，所述特种铸钢的力学性能指标为：屈服强度σs≥680MPa，抗拉度σb≥900MPa，热处理后硬度≥25HRC，延伸率δ≥18％，收缩率Ψ≥30％，冲击功AKv≥35J。

作为优选地，所述高温条件是指温度在350℃以上，重载条件是指局部瞬时应力在650MPa以上。

一种用于制备高温重载条件下大型热锻模具的特种铸钢的制备方法，包括如下步骤：

1)炼钢与精炼：在转炉炼钢中对铁水中的碳和磷进行去除，得到钢水；再将钢水在精炼炉中进行精炼；特种铸钢的化学成分以质量％计，在精炼过程中控制钢水中的碳元素含量为0.35-0.5％、硅元素的含量为0.2-0.6％、锰元素的含量为0.6-1.0％、磷元素含量≤0.02％、硫元素含量≤0.02％、铬元素的含量为1.4-1.7％、镍元素的含量为1.4-1.7％、钼元素含量为0.15-0.3％；

2)浇铸：将步骤1)中获得的钢水进行连续铸造，得到模具基体钢坯；

3)再将步骤3)中的模具基体钢坯进行水淬油冷，淬火温度860-920℃，再将完成油冷的模具基体钢坯进行回火，控制回火温度为600-650℃；

4)将步骤3)中得到模具基体钢坯上的粘砂、夹砂、飞边、毛刺、浇冒口和氧化皮进行清除。

本技术方案中，在转炉中将铁水中的碳和磷进行去除，避免碳和磷的含量过高导致特种铸钢的韧性急剧下降、避免特种铸钢的脆性转变温度升高、形成冷脆缺陷；在将钢水在精炼炉中进行精炼，使得钢水中的成分满足理论上的数值，浇铸之后形成模具基体钢坯，将得到的模具基体钢坯进行水淬油冷，淬火温度为860-920℃，然后再将模具基体钢坯进行回火操作，回火温度为600-650℃；可以消除模具基体钢坯的加工应力；还使得可以进一步增强特种铸钢的硬度的同时，使得特种铸钢高强抗变形、回火稳定性、抗氧化性更好，还提高了特种铸钢的力学性能指标；使得采用本方法制备的特种铸钢材料制备的热锻模具基体能够能够满足在350℃以上、局部瞬时应力650MPa以上的极端工作条件下的强度、硬度、韧性以及塑性等性能要求，使得热锻模具的使用寿命显著提高。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

(1)本发明提供了一种新的特种铸钢材料，代替了现在采用锻钢制作模具；使得采用本发明中的特种铸钢材料制备的热锻模具基体；通过对模具基体进行测试，其力学性能指标能够达到：σs(屈服强度)≥680MPa，σb抗拉强度≥900Mpa，热处理后硬度≥25HRC，δ延伸率≥18％，Ψ收缩率≥30％，AKv≥35J；使得本发明得到的模具基体能够满足在350℃以上、局部瞬时应力650MPa以上的极端工作条件下的强度、硬度、韧性以及塑性等方面的性能要求；从根本上解决了现有的大型热锻模具在高温重载条件下容易出现变形、开裂的问题；使得解决了现有的大型热锻模具使用1-2次就出现10mm以上的变形量，通过实验验证，采用本发明中的特种铸钢制备的大型热锻模具在8万吨压机上生产钛合金锻件7批次，模具基体无变形和开裂的情况发生，使得大型热锻模具的一次使用寿命增加了5-10倍以上；并且多次使用之后的大型热锻模具不会出现整体报废的情况，避免大型热锻模具发生严重失效的问题，使得可以对大型热锻模具进行修复再制造的方式，使得大型热锻模具可再次使用，明显的降低了大型热锻模具的报废率；使得大型热锻模具的生产成本，也有效降低了锻件的制造成本。

(2)本发明中通过对特种铸钢中的合金元素配比进行设计，再通过本发明中公开的制备方法制得的特种铸钢，不仅使得特种铸钢制备的大型热锻模具基体在350℃以上、局部瞬时应力650MPa以上的极端工作条件下的强度、硬度、韧性以及塑性等方面的性能要求；还使得大型热锻模具基体的焊接性能更好，使得模具基体与多梯度功能层的焊接效果更好，对模具基体与多梯度功能层的焊接处进行测试，焊接处的连接强度超过1000MPa，保证连接强度大于模具基体和多梯度功能层自身的强度，使得在极端的工作条件下，模具基体与多梯度功能层之间不会出现脱落的情况发生，使得再次提高了大型热锻模具的使用寿命。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。下述实施例所描述的具体特种铸钢材料组分的配比、工艺条件及其结果是为了更好的解释本发明,而不构成对本发明保护范围的限定。

实施例1

1)炼钢与精炼：在转炉炼钢中对铁水中的碳和磷进行去除，得到钢水；再将钢水在精炼炉中进行精炼；特种铸钢的化学成分以质量百分数计，在精炼过程中控制钢水中的碳元素含量为0.42％、硅元素的含量为0.4％、锰元素的含量为0.8％、磷元素含量为0.02％、硫元素含量为0.02％、铬元素的含量为1.55％、镍元素的含量为1.55％、钼元素含量为0.23％，余量为铁；

2)浇铸：将步骤1)中获得的钢水进行连续铸造，得到模具基体钢坯；

3)再将步骤3)中的模具基体钢坯进行水淬油冷，淬火温度890℃，再将完成油冷的模具基体钢坯进行回火，控制回火温度为625℃；

4)将步骤3)中得到模具基体钢坯上的粘砂、夹砂、飞边、毛刺、浇冒口和氧化皮进行清除。

按照实施例1中的制备方法铸造热锻模具基体钢坯，同时铸造2块试样(试样1和试样2)进行成分分析，得到表1；

表1为实施1中得到的用于制备高温重载条件下大型航空热锻模具的特种铸钢材料化学成分

将实施1中得到的试样1和试样2进行力学性能测试得到表2；

表2为实施例1中得到的用于制备高温重载条件下大型航空热锻模具的特种铸钢材料力学性能

实施例2

1)炼钢与精炼：在转炉炼钢中对铁水中的碳和磷进行去除，得到钢水；再将钢水在精炼炉中进行精炼；特种铸钢的化学成分以质量百分数计，在精炼过程中控制钢水中的碳元素含量0.35％、硅元素含量0.2％、锰元素含量0.60％、磷元素含量为0.02％、硫元素含量为0.02％、铬元素含量1.4％、镍元素含量1.4％、钼元素含量0.15％，余量为铁；

2)浇铸：将步骤1)中获得的钢水进行连续铸造，得到模具基体钢坯；

3)再将步骤3)中的模具基体钢坯进行水淬油冷，淬火温度860℃，再将完成油冷的模具基体钢坯进行回火，控制回火温度为600℃；

4)将步骤3)中得到模具基体钢坯上的粘砂、夹砂、飞边、毛刺、浇冒口和氧化皮进行清除。

按照实施例2中的制备方法铸造热锻模具基体钢坯，同时铸造2块试样(试样3和试样4)进行成分分析，得到表3；

表3为实施2中得到的用于制备高温重载条件下大型航空热锻模具的特种铸钢材料化学成分

将实施2中得到的试样3和试样4进行力学性能测试得到表4；

表4为实施例2中得到的用于制备高温重载条件下大型航空热锻模具的特种铸钢材料力学性能

实施例3

1)炼钢与精炼：在转炉炼钢中对铁水中的碳和磷进行去除，得到钢水；再将钢水在精炼炉中进行精炼；特种铸钢的化学成分以质量百分数计，在精炼过程中控制钢水中的碳元素含量为0.5％、硅元素的含量为0.6％、锰元素的含量为1.0％、磷元素含量为0.02％、硫元素含量为0.02％、铬元素的含量为1.7％、镍元素的含量为1.7％、钼元素含量为0.3％；余量为铁；

2)浇铸：将步骤1)中获得的钢水进行连续铸造，得到模具基体钢坯；

3)再将步骤3)中的模具基体钢坯进行水淬油冷，淬火温度920℃，再将完成油冷的模具基体钢坯进行回火，控制回火温度为650℃；

4)将步骤3)中得到模具基体钢坯上的粘砂、夹砂、飞边、毛刺、浇冒口和氧化皮进行清除。

按照实施例5中的制备方法铸造热锻模具基体钢坯，同时铸造2块试样(试样5和试样6)进行成分分析，得到表5；

表5为实施3中得到的用于制备高温重载条件下大型航空热锻模具的特种铸钢材料化学成分

将实施3中得到的试样5和试样6进行力学性能测试得到表6；

表6为实施例3中得到的用于制备高温重载条件下大型航空热锻模具的特种铸钢材料力学性能

通过表1、3、5中可以看出：本发明中铸造的试样的化学成分与理论上特种铸钢的化学成分含量的偏差极小，说明本发明中铸造的模具基体钢坯的化学成分含量满足特种铸钢理论化学成分含量的要求，使得本发明中得到的模具铸钢基体的质量得到有效的保证；从表2、4、6中可以得出：本发明中的模具基体钢坯的屈服强度σs、抗拉强度σb、断面收缩率Ψ、伸长率δ、服役前硬度、冲击功及模具基体与夹心层剪切强度都能够满足每个性能的理论值；使得本发明铸造的模具基体在350℃以上、局部瞬时应力650MPa以上的极端工作条件下的强度、硬度、韧性以及塑性等方面的力学性能均满足要求；使得能够明显有效提高大型热锻模具的使用寿命。

经过实际生产实践，大型热锻模具目前在8万吨模锻液压机上已经生产合格钛合金锻件7批次后，采用本发明中实施例1、2、3中得到的特种铸钢材料做成的模具基体没有出现变形、开裂的情况，模具基体与夹心层的焊接处连接牢固，没有脱落的现象，因此，使得本发明铸造的模具基体满足在350℃以上、局部瞬时应力650MPa以上的极端工作条件，并且使用寿命明显提高。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种用于制备高温重载条件下大型热锻模具的特种铸钢，其特征在于，该特种铸钢的化学成分以质量百分数计，包括碳元素含量为0.35-0.5%、硅元素含量为0.2-0.6%、锰元素含量为0.6-1.0%、磷元素含量≤0.02%、硫元素含量≤0.02%、铬元素含量为1.4-1.7%、镍元素含量为1.4-1.7%、钼元素含量为0.15-0.3%，余量为铁和杂质。

2.根据权利要求1所述的用于制备高温重载条件下大型热锻模具的特种铸钢，其特征在于，该特种铸钢的化学成分以质量百分数计，所述碳元素含量0.42%、硅元素含量0.4%、锰元素含量0.8%、磷元素含量0.02%、硫元素含量0.02%、铬元素含量1.55%、镍元素含量1.55%、钼元素含量0.23%，余量为铁和杂质。

3.根据权利要求1所述的用于制备高温重载条件下大型热锻模具的特种铸钢，其特征在于，所述特种铸钢的力学性能为：屈服强度σs≥680MPa，抗拉度σb≥900MPa，热处理后硬度≥25HRC，延伸率δ≥18%，收缩率Ψ≥30%，冲击功AKv≥35J。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的用于制备高温重载条件下大型热锻模具的特种铸钢的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）炼钢与精炼：在转炉炼钢中对铁水中的碳和磷进行去除，得到钢水；再将钢水在精炼炉中进行精炼；特种铸钢的化学成分以质量百分数计，在精炼过程中控制钢水中的碳元素含量为0.35-0.5%、硅元素的含量为0.2-0.6%、锰元素的含量为0.6-1.0%、磷元素含量≤0.02%、硫元素含量≤0.02%、铬元素的含量为1.4-1.7%、镍元素的含量为1.4-1.7%、钼元素含量为0.15-0.3%；

2）浇铸：将步骤1）中获得的钢水进行连续铸造，得到模具基体钢坯；

3）再将步骤3）中的模具基体钢坯进行水淬油冷，淬火温度860-920℃，再将完成油冷的模具基体钢坯进行回火，控制回火温度为600-650℃；

4）将步骤3）中得到模具基体钢坯上的粘砂、夹砂、飞边、毛刺、浇冒口和氧化皮进行清除。