CN107557699A - 一种热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种热作模具钢及其制备方法。上述热作模具钢按质量百分比，化学组分为：C 0.2％‑0.4％，Cr6％‑8％，Mo 1.5％‑3％，Ni 0.6％‑1.5％，Si 0.5％‑1.5％，V 0.6％‑1.2％，Mn 0.2％‑0.4％，Nb 0.05％‑0.15％，N 0.04％‑0.3％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ti＜0.008％，Sn＜0.008％，As＜0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质。上述制备方法中，经过准备原料、熔炼、精炼、均质化处理、粗加工、淬火、两次回火，形成上述热作模具钢。上述热作模具钢具有较高的高温强度和高热稳定性，并且综合力学性能良好。

Description

一种热作模具钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种热作模具钢及其制备方法。

背景技术

热作模具是用来使零件热成型的模具。热作模具一般在高温、热冲击等恶劣工作条件下工作，因此要求其具有优良的综合性能，尤其是高温性能。目前，工业生产上广泛应用的是H13钢。H13钢在600℃以下工作时，具有良好的热稳定性和抗热疲劳性能，较好的强韧性结合，但在600℃以上材料的强度和热稳定性急剧下降，失去了原有的优异性能。

因此，亟需一种具有较高的高温强度和高热稳定性的热作模具钢及其制备方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种具有较高的高温强度和高热稳定性的热作模具钢及其制备方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明一方面提供一种热作模具钢，按质量百分比，其化学组分为：C 0.2％-0.4％，Cr 6％-8％，Mo 1.5％-3％，Ni 0.6％-1.5％，Si 0.5％-1.5％，V 0.6％-1.2％，Mn0.2％-0.4％，Nb 0.05％-0.15％，N 0.04％-0.3％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ti＜0.008％，Sn＜0.008％，As＜0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质

根据本发明，按质量百分比：C的含量为0.314％，Cr的含量为7.32％，Mo的含量为2.38％，Ni的含量为0.907％，Si的含量为0.95％，V的含量为0.922％，Mn的含量为0.29％，Nb的含量为0.085％，N的含量为0.07％，P的含量为0.011％，S的含量为0.003％。

本发明另一方面提供一种上述任一项热作模具钢的制备方法，包括如下步骤：S1、准备原料，按照质量百分比，原料由如下组分组成：C 0.2％-0.4％，Cr 6％-8％，Mo 1.5％-3％，Ni 0.6％-1.5％，Si 0.5％-1.5％，V 0.6％-1.2％，Mn 0.2％-0.4％，Nb 0.05％-0.15％，N 0.04％-0.3％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ti＜0.008％，Sn＜0.008％，As＜0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质；S2、熔炼；S3、精炼；S4、均质化处理；S5、粗加工；S6、淬火；S7、两次回火，形成热作模具钢。

根据本发明，在步骤S4中：先缓慢升温至1200-1250℃，之后保温6-9h，随炉冷却至500℃以下出炉空冷。

根据本发明，在步骤S6中：淬火温度为1030-1080℃，保温30min，油冷。

根据本发明，在步骤S7中：回火温度为560-600℃，保温2h，空冷。

根据本发明，按质量百分比，原料中：C的含量为0.314％，Cr的含量为7.32％，Mo的含量为2.38％，Ni的含量为0.907％，Si的含量为0.95％，V的含量为0.922％，Mn的含量为0.29％，Nb的含量为0.085％，N的含量为0.07％，P的含量为0.011％，S的含量为0.003％。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的热作模具钢，利用合金元素Cr、Mo、V、Ni和N的合金化手段，以及加入Si元素，提高模具钢的淬透性，获得板条马氏体组织，Mo、V及Nb形成的大量细小的MC型碳化物大大提高了钢的红硬性、热强性，并且加入N元素，使该钢具有良好的高温强度、热稳定性和抗热疲劳性能。

本发明的热作模具钢的制备方法，利用合金元素Cr、Mo、V、Ni和N的合金化手段，以及加入Si元素，提高模具钢的淬透性，获得板条马氏体组织，Mo、V及Nb形成的大量细小的MC型碳化物大大提高了钢的红硬性、热强性，并且加入N元素，使该钢具有良好的高温强度，热稳定性和抗热疲劳性能。

附图说明

图1为如下具体实施方式中实施例一提供的热作模具钢的均质化态组织的形态图。

图2为如下具体实施方式中实施例一提供的热作模具钢的580℃回火后组织的形态图。

图3-图4为如下具体实施方式中实施例一提供的热作模具钢在两次580℃回火后的常温拉伸断口，其中图3为宏观断口图，图4为微观断口图。

图5-图9为如下具体实施方式中实施例一至实施例五提供的热作模具钢的横向冲击、硬度—回火温度曲线图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例一

在本实施例中提供一种热作模具钢以及该热作模具钢的制备方法。具体地，热作模具钢的制备方法包括如下步骤：

S1、准备原料。按照质量百分比，原料由如下组分组成：C 0.314％，Cr 7.32％，Mo2.38％，Ni 0.907％，Si 0.95％，V 0.922％，Mn 0.29％，Nb 0.085％，N 0.07％，P0.011％，S 0.003％，Ti＜0.008％，Sn＜0.008％，As＜0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质。

S2、熔炼，在熔炼过程中进行炉前化学成分分析，根据化学成分分析结果来适当添加相应元素，直至炉内钢液的化学成分符合要求后出钢进行精炼。

S3、精炼。

S4、均质化处理。缓慢升温至1230℃，之后保温7h，随炉冷却至500℃以下出炉空冷。图1为该热作模具钢的均质化处理态组织的形态图，均质化处理态组织为铁素体+粒状碳化物。其中，升温的速度优选在4-6℃/min。当然，升温速度可根据本领域技术人员的公知常识来在该范围的指导下进行调整。

S5、淬火。淬火温度为1080℃，保温30min，油冷。

S6、连续两次回火：回火温度为580℃，保温2h，空冷，至此，形成热作模具钢。图2为该热作模具钢的580℃回火后组织的形态图，此时，微观组织为回火马氏体+少量碳化物。参见图3和图4，为该热作模具钢在两次580℃回火后的常温拉伸断口，其中图3示出宏观断口，图4示出微观断口。由图3可看出，试样有明显的撕裂岭和凹坑，剪切唇区的面积较大；由图4可看出，试样韧窝分布均匀且较深，二者说明该热作模具钢的韧性良好。

经检测，按质量百分比，该热作模具钢的化学组分为：C 0.314％，Cr 7.32％，Mo2.38％，Ni 0.907％，Si 0.95％，V 0.922％，Mn 0.29％，Nb 0.085％，N 0.07％，P0.011％，S 0.003％，Ti＜0.008％；Sn＜0.008％；As＜0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质(其中含有O 0.0011％)。该热作模具钢的常温硬度为45.9HRC。

将上述热作模具钢与H13钢(H13钢的化学成分参见表1，热处理工艺为1030℃淬火+580℃回火)在620℃的热稳定性进行对比，对比结果见表2：

表1 H13钢的成分

成分

C

Cr

Mo

Ni

Mn

V

Si

S、P

H13钢

0.40

5.20

1.30

--

0.30

1.00

0.98

<0.03

表2上述热作模具钢与H13钢的热稳定性对比

根据表2可看出，上述热作模具钢在620℃的热稳定性明显高于对比H13钢，高温强度也更高，上述获得的热作模具钢的耐热性能更好。

进一步，仅将该实施例中的回火温度进行变化，检测并记录采用各个回火温度制成的热作模具钢的横向冲击和硬度，横向冲击、硬度—回火温度曲线图(见图5)。由图5可以看出，在回火温度位于560-600℃范围内时，热作模具钢具有较高的硬度和冲击韧性，综合力学性能良好。

进一步，仅将该实施例中的回火温度和淬火温度进行变化，研究经过不同热处理后形成的热作模具钢的常温硬度，结果如下表3。

表3热作模具钢不同热处理后的常温硬度

由此，在热作模具钢的制备方法中，淬火温度可优选为1030-1080℃，同时回火温度可优选为560-600℃。并且上述淬火温度和回火温度的优选范围内，可以以表3中的任意两个取值作为一更优范围的端点值，也可以以表3中的任意一个取值作为更优值。此外，均质化处理中，只要缓慢升温至1200-1250℃且之后保温6-9h，均有利于获得良好的高温强度、热稳定性和抗热疲劳性能的热作模具钢。

如下解释上述热作模具钢中各主要成分的作用：

C(碳)：在合金钢中主要起到固溶强化和弥散强化的作用。C固溶于基体，大大提高合金的强硬度；回火过程中，碳与合金元素结合，以碳化物形式析出，弥散强化基体组织。因此碳是做模具钢必须添加的元素，综合力学性能良好的钢种，一般均为中碳钢。在本实施例中，为控制碳的含量适中以避免影响钢的综合力学性能，在本实施例的钢中加入N元素，其也起到固溶强化和弥散强化的作用，因此适当降低了碳的含量，控制在0.2％-0.4％区间，优选在0.2％-0.37％。

Cr(铬)：Cr元素可增加钢的淬透性，既可固溶于奥氏体，也可以固溶于马氏体中，固溶的Cr有助于提高过冷奥氏体的稳定性和马氏体的回火抗力。Cr元素还可以提高钢的抗氧化性、抗蠕变性以及高温耐蚀性，同时其还具有价格低廉的优点。

Mo(钼)：Mo是高热强性形成元素，可以提高钢的高温强度和热稳定性。Mo在热处理后形成Mo₂C型的稳定型碳化物，可以提高钢的抗回火软化能力。

V(钒)：V主要作用是细化晶粒，从而提高钢的强韧性。V是强碳化物形成元素，形成的VC碳化物增加钢的回火稳定性、热稳定性和高温强度。

Mn(锰)：Mn在钢中一般是固溶强化的作用，提高基体的硬度和强度。同时，Mn与钢中杂质S结合成具有一定塑性的MnS，避免了S在晶界生成低熔点的FeS，消除了S的有害作用，但是含硫量过高会造成钢晶粒粗化趋势，因此选择Mn含量为0.2％-0.4％。

Nb(铌)：Nb形成的MC型碳化物更为稳定细小，因而有助于提高奥氏体化温度，并阻止奥氏体晶粒长大。奥氏体化温度升高可将部分粗大的碳化物充分溶解，使马氏体中碳和合金元素含量增加，提高淬火硬度；同时，淬火温度的提高有助于回火时弥散碳化物的析出，增加二次硬化效果，进一步提高强热性、回火稳定性和热疲劳抗力。

Ni(镍)：Ni是非碳化物形成元素，一般固溶于基体，可以提高钢的淬透性、韧性和导热性。

Si(硅)：Si也是非碳化物形成元素，可以提高钢的淬透性，也有助于提高钢的二次硬化峰，因此Si对提高基体的强度和回火抗力有利。

N(氮)：作为钢中的间隙原子元素，通过与其他合金元素(Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ti等)的协同作用，能改善钢的强度、韧性、蠕变抗力、耐腐蚀性等性能。其还可以抑制析出相的粗化，提高材料的高温稳定性。

Ti(钛)、Sn(锡)、As(砷)：Ti、Sn、As的适量加入，起到脱氧、去夹渣的作用，对钢的洁净度有贡献。

总体而言，利用合金元素Cr、Mo、V、Ni和N的合金化手段，以及加入Si元素，提高模具钢的淬透性，获得板条马氏体组织，Mo、V及Nb形成的大量细小的MC型碳化物大大提高了钢的红硬性、热强性，并且加入N元素，使该钢具有良好的高温强度、热稳定性和抗热疲劳性能。并且，该热作模具钢具有良好的综合力学性能、抗氧化性、抗蠕变性、高温耐蚀性、导热性。综上，该热作模具钢的整体性能更佳，并且具有纯净、优质、高寿命的优点。

实施例二

在本实施例中，与实施例一的不同之处在于：

制备热作模具钢时所采用的原料由如下组分组成：C 0.28％，Cr 6.7％，Mo2.5％，Ni 0.85％，Si 0.84％，V 0.82％，Mn 0.35％，Nb 0.11％，N 0.25％，P 0.011％，S0.003％，Ti＜0.008％，Sn＜0.008％，As＜0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质。

经检测，按质量百分比，制备获得的热作模具钢的化学组分为：C 0.314％，Cr7.32％，Mo 2.38％，Ni 0.907％，Si 0.95％，V 0.922％，Mn 0.29％，Nb 0.085％，N0.07％，P 0.011％，S 0.003％，Ti＜0.008％；Sn＜0.008％；As＜0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质(其中含有O 0.0015％)。该热作模具钢的常温硬度为45.2HRC。

该热作模具钢与H13钢的热稳定性对比结果如表4：

表4上述热作模具钢与H13钢的热稳定性对比

根据表4可看出，上述热作模具钢在620℃的热稳定性明显高于对比H13钢，高温强度也更高，上述获得的热作模具钢的耐热性能更好。

图6为热作模具钢的横向冲击、硬度—回火温度曲线图。由图6可以看出，在回火温度位于560-600℃范围内时，热作模具钢具有较高的硬度和冲击韧性，综合力学性能良好。

总体而言，该实施例中，利用合金元素Cr、Mo、V、Ni和N的合金化手段，以及加入Si元素，提高模具钢的淬透性，获得板条马氏体组织，Mo、V及Nb形成的大量细小的MC型碳化物大大提高了钢的红硬性、热强性，并且加入N元素，使该钢具有良好的高温强度、热稳定性和抗热疲劳性能。并且，该热作模具钢具有良好的综合力学性能、抗氧化性、抗蠕变性、高温耐蚀性、导热性。综上，该热作模具钢的整体性能更佳，并且具有纯净、优质、高寿命的优点。

实施例三

在本实施例中，与实施例一的不同之处在于：

制备热作模具钢时所采用的原料由如下组分组成：C 0.37％，Cr 7.7％，Mo2.8％，Ni 1.2％，Si 1.2％，V 1.1％，Mn 0.4％，Nb 0.13％，N 0.3％，P 0.011％，S0.003％，Ti＜0.008％，Sn＜0.008％，As＜0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质。

经检测，按质量百分比，制备获得的热作模具钢的化学组分为：C 0.37％，Cr7.7％，Mo 2.8％，Ni 1.2％，Si 1.2％，V 1.1％，Mn 0.4％，Nb 0.13％，N 0.3％，P0.011％，S 0.003％，Ti＜0.008％；Sn＜0.008％；As＜0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质(其中含有O 0.002％)。该热作模具钢的常温硬度为46.3HRC。

该热作模具钢与H13钢的热稳定性对比结果如表5：

表5上述热作模具钢与H13钢的热稳定性对比

根据表5可看出，上述热作模具钢在620℃的热稳定性明显高于对比H13钢，高温强度也更高，上述获得的热作模具钢的耐热性能更好。

图7为热作模具钢的横向冲击、硬度—回火温度曲线图。由图7可以看出，在回火温度位于560-600℃范围内时，热作模具钢具有较高的硬度和冲击韧性，综合力学性能良好。

总体而言，该实施例中，利用合金元素Cr、Mo、V、Ni和N的合金化手段，以及加入Si元素，提高模具钢的淬透性，获得板条马氏体组织，Mo、V及Nb形成的大量细小的MC型碳化物大大提高了钢的红硬性、热强性，并且加入N元素，使该钢具有良好的高温强度、热稳定性和抗热疲劳性能。并且，该热作模具钢具有良好的综合力学性能、抗氧化性、抗蠕变性、高温耐蚀性、导热性。综上，该热作模具钢的整体性能更佳，并且具有纯净、优质、高寿命的优点。

实施例四

在本实施例中，与实施例一的不同之处在于：

制备热作模具钢时所采用的原料由如下组分组成：C 0.25％，Cr 7.7％，Mo2.7％，Ni 1.1％，Si 1.1％，V 1.05％，Mn 0.42％，Nb 0.11％，N 0.25％，P 0.011％，S0.003％，Ti＜0.008％，Sn＜0.008％，As＜0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质。

经检测，按质量百分比，制备获得的热作模具钢的化学组分为：C 0.25％，Cr7.7％，Mo 2.7％，Ni 1.1％，Si 1.1％，V 1.05％，Mn 0.42％，Nb 0.11％，N 0.25％，P0.011％，S 0.003％，Ti＜0.008％；Sn＜0.008％；As＜0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质(其中含有O 0.0009％)。该热作模具钢的常温硬度为45.6HRC。

该热作模具钢与H13钢的热稳定性对比结果如表6：

表6上述热作模具钢与H13钢的热稳定性对比

根据表6可看出，上述热作模具钢在620℃的热稳定性明显高于对比H13钢，高温强度也更高，上述获得的热作模具钢的耐热性能更好。

图8为热作模具钢的横向冲击、硬度—回火温度曲线图。由图8可以看出，在回火温度位于560-600℃范围内时，热作模具钢具有较高的硬度和冲击韧性，综合力学性能良好。

总体而言，该实施例中，利用合金元素Cr、Mo、V、Ni和N的合金化手段，以及加入Si元素，提高模具钢的淬透性，获得板条马氏体组织，Mo、V及Nb形成的大量细小的MC型碳化物大大提高了钢的红硬性、热强性，并且加入N元素，使该钢具有良好的高温强度、热稳定性和抗热疲劳性能。并且，该热作模具钢具有良好的综合力学性能、抗氧化性、抗蠕变性、高温耐蚀性、导热性。综上，该热作模具钢的整体性能更佳，并且具有纯净、优质、高寿命的优点。

实施例五

在本实施例中，与实施例一的不同之处在于：

制备热作模具钢时所采用的原料由如下组分组成：C 0.23％，Cr 6.3％，Mo1.7％，Ni 0.7％，Si 0.6％，V 0.65％，Mn 0.2％，Nb 0.07％，N 0.05％，P 0.011％，S0.003％，Ti＜0.008％，Sn＜0.008％，As＜0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质。

经检测，按质量百分比，制备获得的热作模具钢的化学组分为：C 0.23％，Cr6.3％，Mo 1.7％，Ni 0.7％，Si 0.6％，V 0.65％，Mn 0.2％，Nb 0.07％，N 0.05％，P0.011％，S 0.003％，Ti＜0.008％；Sn＜0.008％；As＜0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质(其中含有O 0.002％)。该热作模具钢的常温硬度为45.0HRC。

该热作模具钢与H13钢的热稳定性对比结果如表7：

表7上述热作模具钢与H13钢的热稳定性对比

根据表7可看出，上述热作模具钢在620℃的热稳定性明显高于对比H13钢，高温强度也更高，上述获得的热作模具钢的耐热性能更好。

图9为热作模具钢的横向冲击、硬度—回火温度曲线图。由图9可以看出，在回火温度位于560-600℃范围内时，热作模具钢具有较高的硬度和冲击韧性，综合力学性能良好。

总体而言，该实施例中，利用合金元素Cr、Mo、V、Ni和N的合金化手段，以及加入Si元素，提高模具钢的淬透性，获得板条马氏体组织，Mo、V及Nb形成的大量细小的MC型碳化物大大提高了钢的红硬性、热强性，并且加入N元素，使该钢具有良好的高温强度、热稳定性和抗热疲劳性能。并且，该热作模具钢具有良好的综合力学性能、抗氧化性、抗蠕变性、高温耐蚀性、导热性。综上，该热作模具钢的整体性能更佳，并且具有纯净、优质、高寿命的优点。

当然，本发明的热作模具钢的制备方法中采用的原料的各组分的含量不局限于上述各个实施例，在其他实施例中，原料的各组分的含量在如下范围内选择，也可实现上述有益效果：

C 0.2％-0.4％，优选0.2％-0.37％；Cr 6％-8％；Mo 1.5％-3％；Ni 0.6％-1.5％；Si 0.5-1.5％，优选0.7％-1.5％；V 0.6％-1.2％，优选0.75％-1.2％；Mn 0.2％-0.4％；Nb 0.05％-0.15％；N 0.04％-0.3％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ti＜0.008％；Sn＜0.008％；As＜0.008％；余量为Fe和不可避免的杂质。其中，上述各个实施例中所提及的各个组分的具体含量值均可以单独或组合作为相应组分的最优含量范围的端点值或最优取值。

相应地，制作出的热作模具钢中各组分的含量位于如下范围内：

C 0.2％-0.4％，优选0.2％-0.37％；Cr 6％-8％；Mo 1.5％-3％；Ni 0.6％-1.5％；Si 0.5-1.5％，优选0.7％-1.5％；V 0.6％-1.2％，优选0.75％-1.2％；Mn 0.2％-0.4％；Nb 0.05％-0.15％；N 0.04％-0.3％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ti＜0.008％；Sn＜0.008％；As＜0.008％；余量为Fe和不可避免的杂质。其中，上述各个实施例中所提及的各个组分的具体含量值均可以单独或组合作为相应组分的最优含量范围的端点值或最优取值。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种热作模具钢，其特征在于，按质量百分比，其化学组分为：

C 0.2％-0.4％，Cr 6％-8％，Mo 1.5％-3％，Ni 0.6％-1.5％，Si 0.5％-1.5％，V0.6％-1.2％，Mn 0.2％-0.4％，Nb 0.05％-0.15％，N 0.04％-0.3％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ti＜0.008％，Sn＜0.008％，As＜0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的热作模具钢，其特征在于，按质量百分比：

C的含量为0.314％，Cr的含量为7.32％，Mo的含量为2.38％，Ni的含量为0.907％，Si的含量为0.95％，V的含量为0.922％，Mn的含量为0.29％，Nb的含量为0.085％，N的含量为0.07％，P的含量为0.011％，S的含量为0.003％。

3.一种权利要求1或2所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、准备原料，按照质量百分比，所述原料由如下组分组成：C 0.2％-0.4％，Cr 6％-8％，Mo 1.5％-3％，Ni 0.6％-1.5％，Si 0.5％-1.5％，V 0.6％-1.2％，Mn 0.2％-0.4％，Nb 0.05％-0.15％，N 0.04％-0.3％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ti＜0.008％，Sn＜0.008％，As＜0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质；

S2、熔炼；

S3、精炼；

S4、均质化处理；

S5、粗加工；

S6、淬火；

S7、两次回火，形成所述热作模具钢。

4.根据权利要求3所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，

在步骤S4中：先缓慢升温至1200-1250℃，之后保温6-9h，随炉冷却至500℃以下出炉空冷。

5.根据权利要求3所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，

在步骤S6中：淬火温度为1030-1080℃，保温30min，油冷。

6.根据权利要求3所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，

在步骤S7中：回火温度为560-600℃，保温2h，空冷。

7.根据权利要求3所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，按质量百分比，所述原料中：

C的含量为0.314％，Cr的含量为7.32％，Mo的含量为2.38％，Ni的含量为0.907％，Si的含量为0.95％，V的含量为0.922％，Mn的含量为0.29％，Nb的含量为0.085％，N的含量为0.07％，P的含量为0.011％，S的含量为0.003％。