CN107400838A - 一种高耐磨性热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

一种高耐磨性热作模具钢及其制备方法 Download PDF

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夏建强
徐宏
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Abstract

本发明公开了一种高耐磨性热作模具钢及其制备方法，该热作模具钢包括以下成分：碳纤维复合材料0.7‑1.0％，碳0.43‑0.48％，硅0.2‑0.4％，锰0.5‑0.8％，硼2.0‑2.5％，铬1.0‑1.5％，镍1.0‑1.5％，钨0.1‑0.2％，钒0.6‑0.8％，铌0.03‑0.05％，杂质磷≤0.03％，硫≤0.03％，余量为铁。本发明的热作模具钢经配料、合金化冶炼后出钢，然后再进行热处理，其热处理包括淬火和回火两个工艺，制备得到的热作模具钢具有良好的综合性能，其耐磨性和硬度较好，应用较广泛。

Description

一种高耐磨性热作模具钢及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁技术领域，具体涉及一种高耐磨性热作模具钢及其制备方法。
背景技术
热作模具钢是制造热作模具(热锻模、热顶锻模、热挤压模和压铸模等)的金属材料。该类模具在工作时与热金属接触，模腔表面会受热升温至300～400℃(热锻模)、500～800℃(热挤压模)，甚至高达1000℃左右(压铸模)。由于热作模具工况条件非常恶劣，是在非常苛刻的条件下工作的，如承受各种应力及金属熔液对模具工作表面的溶蚀，在工作中反复受到炽热金属的加热和冷却介质(水、油、空气)冷却的热循环交替作用。当炽热的金属放入热作模具型腔时，型腔表面急剧升温，表层产生压应力和压应变；当金属件取出时，型腔表面由于急剧降温而受到拉应力和拉应变作用，极易产生热疲劳等，因此要求模具材料具有高的热强度、高温硬度、冲击韧性、淬透性、好的热稳定性和抗冷热疲劳性能等。总之，要求热作模具具有良好的综合力学性能。
尽管现有的热作模具钢钢种种类较多，但还远远不能满足工业发展的需求。因而，在已有热作模具钢的基础上，我们开发了一种韧性和耐磨性较理想，且具有良好的硬度、焊接性和机械加工性能的热作模具钢。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种高耐磨性热作模具钢及其制备方法，制备得到的热作模具钢以多种元素复合合金化冶炼，添加稀土复合增强材料，再通过热处理后，使热作模具钢具有较理想的硬度和机械性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高耐磨性热作模具钢，由以下质量百分比的原料组成：
碳纤维复合材料0.7-1.0％，碳0.43-0.48％，硅0.2-0.4％，锰0.5-0.8％，硼2.0-2.5％，铬1.0-1.5％，镍1.0-1.5％，钨0.1-0.2％，钒0.6-0.8％，铌0.03-0.05％，杂质磷≤0.03％，硫≤0.03％，余量为铁；其中，碳纤维复合材料为负载稀土元素La的碳纤维，其制备过程为：
a)对纳米碳纤维进行表面预处理：将一定量的纳米碳纤维放置烧杯中用去离子水清洗3-5次后加入粗化液放置在30-50KHz的超声仪水槽中粗化25-30min后取出，滤去粗化液用去离子水清洗2-4次，再将粗化后的纳米碳纤维加入敏化-活化液中，将烧杯置于30-50KHz的超声仪水槽中震荡并搅拌25-35min后取出，滤去敏化-活化液并用去离子水清洗3-5次，之后将活化的纳米碳纤维置于70℃干燥箱中烘干至恒重，待用；其中，粗化液组分为2g/L Na和20ml/L HF的混合溶液；敏化-活化液组分为0.5g/L PdCl2、60ml/L HCl、160g/LNaCl、30g/L SnCl2的混合溶液；
b)负载稀土元素：将预处理后的纳米碳纤维置于盛有适量去离子水的烧杯中，将烧杯置于30-50KHz的超声仪水槽中震荡使烧杯中的纳米碳纤维充分分散，在室温下用HNO3浸渍2h，取出并用去离子水清洗至洗出液为中性，将HNO3处理后的纳米碳纤维浸渍于质量体积浓度为1.2-1.5mg/mL的La(NO3)3的溶液中振荡反应2h，待振荡结束后混合均匀的悬浮体系经真空抽滤、洗涤、干燥处理制成包裹硝酸镧的前驱体，再在高纯N2的保护下300-350℃加热3-5h，制得负载稀土元素La的碳纤维。
其中，负载稀土元素Y的碳纤维复合材料综合了碳纤维和稀土氧化物的优点，既具备碳纤维对合金的增强、增韧作用，也具备稀土元素对合金的细化作用，而且稀土镧不会和铁形成金属间化合物，能很好的起到稀土本身的活性作用。
上述高耐磨性热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料、冶炼：按照原料配比进行配料，熔炼成钢水；
(2)铸造：将步骤(1)所得的钢水注入预先加热好的钢制模具中，保温1.5-3h，然后脱模后缓慢冷却进行退火处理，退火工艺为：加热温度为740-760℃，保温5-6h，随炉冷却，退火后进行粗加工；
所述的热处理工艺为：
将得到的粗热作模具钢先进行淬火处理再进行回火处理，淬火保温温度为1000-1030℃，随炉升温，保温时间为90min，然后出炉油冷；淬火后立即回火，回火温度为500℃，保温时间为120min，出炉空冷。
本发明的有益效果：本发明的热作模具钢以多种元素复合合金化，添加硼元素和稀土复合增强材料，先进行冶炼铸造，再通过热处理后，使热作模具钢的韧性和耐磨性有所提高，并具有良好的硬度和耐热性能，且使用寿命也有增强。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。实施例中，各种原料都为马可波罗网产品。
实施例1
一种高耐磨性热作模具钢，由以下质量百分比的原料组成：
碳纤维复合材料0.8％，碳0.44％，硅0.3％，锰0.6％，硼2.0％，铬1.5％，镍1.2％，钨0.1％，钒0.7％，铌0.04％，杂质磷≤0.03％，硫≤0.03％，余量为铁；其中，碳纤维复合材料为负载稀土元素La的碳纤维，其制备过程为：
a)对纳米碳纤维进行表面预处理：将2g的纳米碳纤维放置烧杯中用去离子水清洗5次后加入粗化液放置在45KHz的超声仪水槽中粗化30min后取出，滤去粗化液用去离子水清洗4次，再将粗化后的纳米碳纤维加入敏化-活化液中，将烧杯置于50KHz的超声仪水槽中震荡并搅拌35min后取出，滤去敏化-活化液并用去离子水清洗5次，之后将活化的纳米碳纤维置于70℃干燥箱中烘干至恒重，待用；其中，粗化液组分为2g/L Na和20ml/L HF的混合溶液；敏化-活化液组分为0.5g/L PdCl2、60ml/L HCl、160g/L NaCl、30g/L SnCl2的混合溶液；
b)负载稀土元素：将预处理后的纳米碳纤维置于盛有适量去离子水的烧杯中，将烧杯置于45KHz的超声仪水槽中震荡使烧杯中的纳米碳纤维充分分散，在室温下用HNO3浸渍2h，取出并用去离子水清洗至洗出液为中性，将HNO3处理后的纳米碳纤维浸渍于500mL质量体积浓度为1.2mg/mL的La(NO3)3的溶液中振荡反应2h，待振荡结束后混合均匀的悬浮体系经真空抽滤、洗涤、干燥处理制成包裹硝酸镧的前驱体，再在高纯N2的保护下300℃加热4h，制得负载稀土元素La的碳纤维。
上述高耐磨性热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料、冶炼：按照原料配比进行配料，熔炼成钢水；
(2)铸造：将步骤(1)所得的钢水注入预先加热好的钢制模具中，保温3h，然后脱模后缓慢冷却进行退火处理，退火工艺为：加热温度为760℃，保温6h，随炉冷却，退火后进行粗加工；
所述的热处理工艺为：
将得到的粗热作模具钢先进行淬火处理再进行回火处理，淬火保温温度为1030℃，随炉升温，保温时间为90min，然后出炉油冷；淬火后立即回火，回火温度为500℃，保温时间为120min，出炉空冷。
经检测，本发明的热作模具钢的硬度为64.5HR，抗拉强度为1067.6MPa，使用寿命为同等产品的2.6倍。
实施例2
一种高耐磨性热作模具钢，由以下质量百分比的原料组成：
碳纤维复合材料0.8％，碳0.43％，硅0.4％，锰0.7％，硼2.5％，铬1.3％，镍1.3％，钨0.2％，钒0.8％，铌0.05％，杂质磷≤0.03％，硫≤0.03％，余量为铁；其中，碳纤维复合材料为负载稀土元素Y的碳纤维，其制备过程为：
a)对纳米碳纤维进行表面预处理：将2g的纳米碳纤维放置烧杯中用去离子水清洗5次后加入粗化液放置在50KHz的超声仪水槽中粗化30min后取出，滤去粗化液用去离子水清洗4次，再将粗化后的纳米碳纤维加入敏化-活化液中，将烧杯置于50KHz的超声仪水槽中震荡并搅拌35min后取出，滤去敏化-活化液并用去离子水清洗5次，之后将活化的纳米碳纤维置于70℃干燥箱中烘干至恒重，待用；其中，粗化液组分为2g/L Na和20ml/L HF的混合溶液；敏化-活化液组分为0.5g/L PdCl2、60ml/L HCl、160g/L NaCl、30g/L SnCl2的混合溶液；
b)负载稀土元素：将预处理后的纳米碳纤维置于盛有适量去离子水的烧杯中，将烧杯置于50KHz的超声仪水槽中震荡使烧杯中的纳米碳纤维充分分散，在室温下用HNO3浸渍2h，取出并用去离子水清洗至洗出液为中性，将HNO3处理后的纳米碳纤维浸渍于500mL质量体积浓度为1.5mg/mL的La(NO3)3的溶液中振荡反应2h，待振荡结束后混合均匀的悬浮体系经真空抽滤、洗涤、干燥处理制成包裹硝酸镧的前驱体，再在高纯N2的保护下300℃加热5h，制得负载稀土元素La的碳纤维。
上述高耐磨性热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料、冶炼：按照原料配比进行配料，熔炼成钢水；
(2)铸造：将步骤(1)所得的钢水注入预先加热好的钢制模具中，保温3h，然后脱模后缓慢冷却进行退火处理，退火工艺为：加热温度为760℃，保温6h，随炉冷却，退火后进行粗加工；
所述的热处理工艺为：
将得到的粗热作模具钢先进行淬火处理再进行回火处理，淬火保温温度为1030℃，随炉升温，保温时间为90min，然后出炉油冷；淬火后立即回火，回火温度为500℃，保温时间为120min，出炉空冷。
经检测，本发明的热作模具钢的硬度为65.8HR，抗拉强度为1089.3MPa，使用寿命为同等产品的3.1倍。

Claims (2)

1.一种高耐磨性热作模具钢，其特征在于，由以下重量份的原料组成：碳纤维复合材料0.7-1.0％，碳0.43-0.48％，硅0.2-0.4％，锰0.5-0.8％，硼2.0-2.5％，铬1.0-1.5％，镍1.0-1.5％，钨0.1-0.2％，钒0.6-0.8％，铌0.03-0.05％，杂质磷≤0.03％，硫≤0.03％，余量为铁；其中，碳纤维复合材料为负载稀土元素La的碳纤维，其制备过程为：
a)对纳米碳纤维进行表面预处理：将一定量的纳米碳纤维放置烧杯中用去离子水清洗3-5次后加入粗化液放置在30-50KHz的超声仪水槽中粗化25-30min后取出，滤去粗化液用去离子水清洗2-4次，再将粗化后的纳米碳纤维加入敏化-活化液中，将烧杯置于30-50KHz的超声仪水槽中震荡并搅拌25-35min后取出，滤去敏化-活化液并用去离子水清洗3-5次，之后将活化的纳米碳纤维置于70℃干燥箱中烘干至恒重，待用；其中，粗化液组分为2g/LNa和20ml/L HF的混合溶液；敏化-活化液组分为0.5g/L PdCl2、60ml/L HCl、160g/L NaCl、30g/L SnCl2的混合溶液；
b)负载稀土元素：将预处理后的纳米碳纤维置于盛有适量去离子水的烧杯中，将烧杯置于30-50KHz的超声仪水槽中震荡使烧杯中的纳米碳纤维充分分散，在室温下用HNO3浸渍2h，取出并用去离子水清洗至洗出液为中性，将HNO3处理后的纳米碳纤维浸渍于质量体积浓度为1.2-1.5mg/mL的La(NO3)3的溶液中振荡反应2h，待振荡结束后混合均匀的悬浮体系经真空抽滤、洗涤、干燥处理制成包裹硝酸镧的前驱体，再在高纯N2的保护下300-350℃加热3-5h，制得负载稀土元素La的碳纤维。
2.权利要求1所述的一种高耐磨性热作模具钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配料、冶炼：按照原料配比进行配料，熔炼成钢水；
(2)铸造：将步骤(1)所得的钢水注入预先加热好的钢制模具中，保温1.5-3h，然后脱模后缓慢冷却进行退火处理，退火工艺为：加热温度为740-760℃，保温5-6h，随炉冷却，退火后进行粗加工；
所述的热处理工艺为：
将得到的粗热作模具钢先进行淬火处理再进行回火处理，淬火保温温度为1000-1030℃，随炉升温，保温时间为90min，然后出炉油冷；淬火后立即回火，回火温度为500℃，保温时间为120min，出炉空冷。
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