CN107747066B - 一种内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

一种内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢及其制备方法，是在ZL 200410010656.8的高铬钢化学成分的基础上，添加采用ZL 201110209567.6技术制备的质量百分数30的纳米尺寸TiC陶瓷颗粒变质剂制备的热作模具钢，经均匀化热处理，晶粒超细化热处理，高温回火处理，淬火+回火处理后，获得了意想不到的效果：加入0.010～0.070质量百分数的内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢与未加内生纳米TiC陶瓷颗粒的铸造高铬热作模具钢相比，热疲劳主裂纹长度明显缩短，热疲劳裂纹等级、冲击韧性、抗氧化性能、室温抗拉强度和屈服强度以及高温延伸率均有明显提高。对于实现铸造热作模具钢代替锻造热作模具钢和延长热作模具的使用寿命有着重要的实际应用价值。

Description

一种内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢及 其制备方法
技术领域
本发明涉及热作模具钢的制备领域，具体涉及一种内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢及其的制备方法。
背景技术
现代先进制造向高速、近终成型、绿色等方向发展，模具制造水平是衡量一个国家产品制造水平的重要标志。2016年我国模具消耗2000多亿元，用于有色、黑色金属的压铸、热锻、挤压等热作模具在汽车、高铁、机械、国防等支柱产业中年消耗数百亿元。然而，近二十年来，素有“黑色黄金”之称的新型热作模具钢我国推出甚少，国外却不断更新。由于国产热作模具钢制造的模具寿命仅是进口热作模具钢的1/5-1/2，高端模具一直被进口模具钢(价格是国产的3～5倍)所垄断。每年进口模具钢约8万吨左右(合人民币约60亿元)，严重制约了我国高端模具的制造能力。
综上所述，提高热作模具使用寿命，降低其制造成本，提高设备工作效率,是模具行业多年来一直亟待解决的重大问题，因此，发明新型高性能热作模具钢具有重大的国民经济意义。
本发明内生纳米碳化钛陶瓷颗粒原位增强铸造热作模具钢在ZL 200410010656.8的化学成分基础上添加采用ZL 201110209567.6技术制备的质量百分数30的纳米尺寸TiC陶瓷颗粒变质剂制备一种内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢，得到了以下意想不到的效果。其特征在于：内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢与未加内生纳米TiC陶瓷颗粒的铸造高铬热作模具钢相比，加入0.010～0.070质量百分数的纳米TiC陶瓷颗粒的热作模具钢的热疲劳主裂纹长度比未加TiC钢短了36.0％～56.0％，热疲劳裂纹等级由未加TiC钢的6级提高到1级；冲击韧性提高了46.0％～260.0％；抗氧化性能提高了48.0％～58.0％；室温抗拉强度提高了14.0％～32.0％；室温屈服强度提高了2.0％～26.0％；650℃下的高温抗拉强度和屈服强度分别提高14.0％～23.0％和10.0％～22.0％，同时高温延伸率也提高了30.0％～65.0％。对于实现铸造热作模具钢代替锻造热作模具钢和延长热作模具的使用寿命有着重要的实际应用价值。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢的制备方法。
热作模具的主要失效形式为：热疲劳裂纹、磨损、氧化、塑性变形等。因此，本发明是通过加入质量百分数为30的纳米尺寸TiC陶瓷颗粒变质剂，发明出一种新型内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢，明显提高模具钢的热疲劳性能、冲击韧性、抗氧化性能、热稳定性能、强韧性等，为提高热作模具的使用寿命与降低模具制造成本等提供了一种新的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢，在ZL 200410010656.8的高铬钢化学成分的基础上，添加采用ZL 20110209567.6技术制备的质量百分数30的纳米尺寸TiC陶瓷颗粒变质剂制备而成；经均匀化热处理，晶粒超细化热处理，高温回火处理，淬火+回火处理后，获得了意想不到的效果。
一种内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢，主要化学成分按重量百分比为：
C:0.200～0.350；Cr:7.000～13.000；Mo:0.800～2.000；Ni:0.600～1.500；V:0.300～1.200；Mn:0.200～0.600；Si:0.700～1.500；S≤0.040；P≤0.040；N:0.005～0.100；Ti:0.050～0.200；Ca:0.001～0.050；纳米尺寸TiC陶瓷颗粒含量：0.010～0.070。
上述的内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，采用5Kg中频感应电炉，不氧化法炼钢工艺，重熔锻造高铬热作模具钢，当钢液温度达到1600～1700℃时，加入0.05～0.06质量百分比的纯Al进行预脱氧，然后出钢；
步骤二，在出钢的钢包中加入质量百分数30的纳米尺寸TiC陶瓷颗变质剂，使纳米尺寸TiC陶瓷颗粒加入量为钢液质量百分数的0.010～0.070，钢液出炉后浇入出钢的钢包中，当钢包中的钢液温度下降到1500～1600℃左右，浇注到楔形SiO2砂型中，其尺寸为：下底40×上底60×高180×长300mm，得到了内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢；
还包括均匀化热处理工艺：将试样放入真空气氛炉中以每小时200～250℃的加热速度加热到1200～1250℃，保温60～100分钟，然后随炉冷却至室温；
还包括晶粒超细化热处理工艺：将均匀化热处理后的试样放入真空气氛炉中以每小时100～150℃的加热速度加热到800～900℃，保温30～60分钟后，继续加热到1050～1100℃，保温20～40分钟后，迅速空冷；
还包括高温回火工艺：将晶粒超细化热处理后的试样放入真空气氛炉中以每小时100～150℃的加热速度加热到700～750℃，保温6～10小时后，空冷；
还包括淬火工艺：将高温回火处理后的试样放入真空气氛炉中以每小时100～150℃的加热速度加热到600～650℃后，保温30～60分钟后，继续以每小时100～150℃的加热速度加热到820～850℃，保温30～60分钟后，继续加热到1020～1100℃，保温50～90分钟，迅速放入预先预热至80～120℃的淬火油中淬火；
还包括回火工艺：
a.一次回火工艺：将淬火后的试样放入真空气氛炉中以每小时100～150℃的加热速度加热到500～650℃，保温6～10小时，空冷。
b.二次回火工艺：将一次回火处理后试样放入真空气氛炉中以每小时100～150℃的加热速度加热到480～630℃，保温6～10小时，空冷。
技术效果：本发明所述的内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢与未加内生纳米TiC陶瓷颗粒的铸造高铬热作模具钢相比，加入0.010～0.070质量百分数的纳米TiC陶瓷颗粒的热作模具钢的热疲劳主裂纹长度比未加TiC钢短了36.0％～56.0％，热疲劳裂纹等级由未加TiC钢的6级提高到1级；冲击韧性提高了46.0％～260.0％；抗氧化性能提高了48.0％～58.0％；室温抗拉强度提高了14.0％～32.0％；室温屈服强度提高了2.0％～26.0％；650℃下的高温抗拉强度和屈服强度分别提高14.0％～23.0％和10.0％～22.0％，同时高温延伸率也提高了30.0％～65.0％。对于实现铸造热作模具钢代替锻造热作模具钢和延长热作模具的使用寿命有着重要的实际应用价值。
附图说明
图1变质前后铸造高铬热作模具钢的铸态金相组织。
图2为变质前后铸造高铬热作模具钢经2000次热疲劳循环之后的热疲劳裂纹形貌。
图3为变质前后铸造高铬热作模具钢的室温拉伸性能。
图4为变质前后铸造高铬热作模具钢的650℃下的高温拉伸性能。
具体实施方式
下面结合实例进一步说明本发明的具体内容；
实施例1：
内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢，其主要化学成分按重量百分比：
C:0.205；Cr:7.019；Mo:0.881；Ni:0.633；V:0.332；Mn:0.232；Si:0.738；S:0.023；P:0.018；N:0.097；Ti:0.052；Ca:0.001；纳米尺寸TiC陶瓷颗粒含量：0.018(见表一实施例1)。
一种内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，采用5Kg中频感应电炉，不氧化法炼钢工艺，重熔锻造高铬热作模具钢，当钢液温度达到1600～1700℃时，加入0.05～0.06质量百分比的纯Al进行预脱氧，然后出钢；
步骤二，在出钢的钢包中加入质量百分数30的纳米尺寸TiC陶瓷颗变质剂，使纳米尺寸TiC陶瓷颗粒加入量为钢液质量百分数的0.018，钢液出炉后浇入出钢的钢包中，当钢包中的钢液温度下降到1500～1600℃左右，浇注到楔形SiO2砂型中，其尺寸为40(下底)×60(上底)×180(高)×300(长)mm，得到纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢楔形试样。
还包括均匀化热处理工艺:将试样放入真空气氛炉中以每小时200℃的加热速度加热到1200℃，保温60分钟，然后随炉冷却至室温；
还包括晶粒超细化热处理工艺：将均匀化热处理后的试样放入真空气氛炉中以每小时100℃的加热速度加热到800℃，保温30分钟后，继续加热到1050℃，保温20分钟后，迅速空冷；
还包括高温回火工艺：将晶粒超细化热处理后的试样放入真空气氛炉中以每小时100℃的加热速度加热到700℃，保温6小时后，空冷；
还包括淬火工艺：将高温回火处理后的试样放入真空气氛炉中以每小时100℃的加热速度加热到600℃后，保温30分钟后，继续以每小时100℃的加热速度加热到820℃，保温30分钟后，继续加热到1020℃，保温50分钟，迅速放入预先预热至80℃的淬火油中淬火；
还包括回火工艺：
a.一次回火工艺：将淬火后的试样放入真空气氛炉中以每小时100℃的加热速度加热到560℃，保温6小时，空冷；
b.二次回火工艺：将一次回火处理后试样放入真空气氛炉中以每小时100℃的加热速度加热到540℃，保温6小时，空冷。
加入0.018质量百分数的纳米TiC陶瓷颗粒的热作模具钢的热疲劳主裂纹长度比未加TiC钢短了38.1％，热疲劳裂纹等级由未加TiC钢的6级提高到1级；冲击韧性提高了258.0％；抗氧化性能提高了48.9％；；室温抗拉强度提高了31.7％；室温屈服强度提高了26.0％；650℃下的高温抗拉强度和屈服强度分别提高22.2％和21.1％，同时高温延伸率也提高了31.4％，如表2、表3和表4，图1、图2、图3和图4所示。
实施例2：
一种内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢，其主要化学成分按重量百分比：
C:0.279；Cr:10.000；Mo:1.577；Ni:1.063；V:0.789；Mn:0.402；Si:1.244；S:0.021；P≤0.016；N:0.503；Ti:0.150；Ca:0.028；纳米尺寸TiC陶瓷颗粒含量：0.030(见表一实施例2)。
所述内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，采用5Kg中频感应电炉，不氧化法炼钢工艺，重熔锻造高铬热作模具钢，当钢液温度达到1600～1700℃时，加入0.05～0.06质量百分比的纯Al进行预脱氧，然后出钢；
步骤二，在出钢的钢包中加入质量百分数30的纳米尺寸TiC陶瓷颗变质剂，使纳米尺寸TiC陶瓷颗粒加入量为钢液的质量百分数的0.030，钢液出炉后浇入出钢的钢包中，当钢包中的钢液温度下降到1500～1600℃左右，浇注到楔形SiO2砂型中，其尺寸为40(下底)×60(上底)×180(高)×300(长)mm，得到纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢楔形试样，
还包括均匀化热处理工艺:将试样放入真空气氛炉中以每小时220℃的加热速度加热到1230℃，保温80分钟，然后随炉冷却至室温；
还包括晶粒超细化热处理工艺：将均匀化热处理后的试样放入真空气氛炉中以每小时130℃的加热速度加热到850℃，保温45分钟后，继续加热到1080℃，保温30分钟后，迅速空冷；
还包括高温回火工艺：将晶粒超细化热处理后的试样放入真空气氛炉中以每小时130℃的加热速度加热到720℃，保温8小时后，空冷；
还包括淬火工艺：将高温回火处理后的试样放入真空气氛炉中以每小时130℃的加热速度加热到630℃后，保温45分钟后，继续以每小时130℃的加热速度加热到840℃，保温45分钟后，继续加热到1080℃，保温70分钟，迅速放入预先预热至100℃的淬火油中淬火；
还包括回火工艺：
a.一次回火工艺：将淬火后的试样放入真空气氛炉中以每小时130℃的加热速度加热到590℃，保温8小时，空冷；
b.二次回火工艺：将一次回火处理后试样放入真空气氛炉中以每小时130℃的加热速度加热到570℃，保温8小时，空冷。
加入0.030质量百分数的纳米TiC陶瓷颗粒的热作模具钢的热疲劳主裂纹长度比未加TiC钢短了36.9％，热疲劳裂纹等级由未加TiC钢的6级提高到1级；冲击韧性提高了55.0％；抗氧化性能提高了49.3％；；室温抗拉强度提高了19.0％；室温屈服强度提高了12.8％；650℃下的高温抗拉强度和屈服强度分别提高14.9％和10.2％，同时高温延伸率也提高了34.6％，如表2、表3和表4，图1、图2、图3和图4所示。
实施例3：
一种内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢，其主要化学成分按重量百分比：
C:0.348；Cr:12.942；Mo:1.984；Ni:1.461；V:1.153；Mn:0.509；Si:1.452；S:0.029；P:0.014；N:0.984；Ti:0.186；Ca:0.048；纳米尺寸TiC陶瓷颗粒含量：0.066(见表一实施例3)。
所述内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，采用5Kg中频感应电炉，不氧化法炼钢工艺，重熔锻造高铬热作模具钢，当钢液温度达到1600～1700℃时，加入0.05～0.06质量百分比的纯Al进行预脱氧，然后出钢；
步骤二，在出钢的钢包中加入质量百分数30的纳米尺寸TiC陶瓷颗变质剂，使纳米尺寸TiC陶瓷颗粒加入量为钢液的质量百分数的0.066，钢液出炉后浇入出钢的钢包中，当钢包中的钢液温度下降到1500～1600℃左右，浇注到楔形SiO2砂型中，其尺寸为40(下底)×60(上底)×180(高)×300(长)mm，得到纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢楔形试样。
还包括均匀化热处理工艺:将试样放入真空气氛炉中以每小时250℃的加热速度加热到1250℃，保温100分钟，然后随炉冷却至室温；
还包括晶粒超细化热处理工艺：将均匀化热处理后的试样放入真空气氛炉中以每小时150℃的加热速度加热到900℃，保温60分钟后，继续加热到1100℃，保温40分钟后，迅速空冷；
还包括高温回火工艺：将晶粒超细化热处理后的试样放入真空气氛炉中以每小时150℃的加热速度加热到750℃，保温10小时后，空冷；
还包括淬火工艺：将高温回火处理后的试样放入真空气氛炉中以每小时150℃的加热速度加热到650℃后，保温60分钟后，继续以每小时150℃的加热速度加热到850℃，保温60分钟后，继续加热到1100℃，保温90分钟，迅速放入预先预热至120℃的淬火油中淬火；
还包括回火工艺：
a.一次回火工艺：将淬火后的试样放入真空气氛炉中以每小时150℃的加热速度加热到620℃，保温10小时，空冷；
b.二次回火工艺：将一次回火处理后试样放入真空气氛炉中以每小时150℃的加热速度加热到600℃，保温10小时，空冷。
加入0.066质量百分数的纳米TiC陶瓷颗粒的热作模具钢的热疲劳主裂纹长度比未加TiC钢短了55.6％，热疲劳裂纹等级由未加TiC钢的6级提高到1级；冲击韧性提高了47.6％；抗氧化性能提高了57.2％；；室温抗拉强度提高了14.2％；室温屈服强度提高了2.0％；650℃下的高温抗拉强度和屈服强度分别提高15.6％和13.6％，同时高温延伸率也提高了63.5％，如表2、表3和表4，图1、图2、图3和图4所示。
表2 内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢的抗热疲劳性能
注：疲劳等级的判定依据《GBT 15824-2008热作模具钢热疲劳实验方法》。1级最优，12级最劣。
表3 内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢的室温力学性能
表4 内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢的650℃高温力学性能

Claims (1)

1.一种内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢的制备方法，热作模具钢主要化学成分按重量百分比为：
C:0.200～0.350；Cr:7.000～13.000；Mo:0.800～2.000；Ni:0.600～1.500；V:0.300～1.200；Mn:0.200～0.600；Si:0.700～1.500；S≤0.040；P≤0.040；N:0.005～0.100；Ti:0.050～0.200；Ca:0.001～0.050；纳米尺寸TiC陶瓷颗粒含量：0.010～0.070；热作模具钢主要化学成分余量为：Fe；
热作模具钢的制备方法包括以下步骤：
步骤一，采用5Kg中频感应电炉，不氧化法炼钢工艺，重熔锻造高铬热作模具钢，当钢液温度达到1600～1700℃时，加入0.05～0.06质量百分比的纯Al进行预脱氧，然后出钢；
步骤二，在出钢的钢包中加入质量百分数30的纳米尺寸TiC陶瓷颗变质剂，使纳米尺寸TiC陶瓷颗粒加入量为钢液质量百分数的0.010～0.070，钢液出炉后浇入出钢的钢包中，当钢包中的钢液温度下降到1500～1600℃，浇注到楔形SiO2砂型中，其尺寸为：下底40×上底60×高180×长300mm，得到了内生纳米TiC陶瓷颗粒原位增强铸造高铬热作模具钢；
还包括均匀化热处理工艺：将试样放入真空气氛炉中以每小时200～250℃的加热速度加热到1200～1250℃，保温60～100分钟，然后随炉冷却至室温；
之后进行晶粒超细化热处理：将均匀化热处理后的试样放入真空气氛炉中以每小时100～150℃的加热速度加热到800～900℃，保温30～60分钟后，继续加热到1050～1100℃，保温20～40分钟后，迅速空冷。
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