CN108018499A - 一种模具材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种模具材料及其制备方法。本发明的模具材料，以质量百分比计，所述模具材料包括：0.35～0.43％的C、≤0.4％的Si、0.7～1％的Mn、4.5～5.5％的Cr、2.0～3.0％的Ni、1.5～2.5％的Mo、0.3～0.6％的V以及余量的Fe。本发明的模具材料，力学性能优异，不仅具有较好的强度和硬度，优良的塑性和冲击韧性，还具有较好的红硬性、耐磨性、冷热疲劳性和淬透性。本发明的模具材料的制备方法简单，制备得到的模具材料可应用于离合器式螺旋压力机模具的材料，符合离合器式螺旋压力机叶片钢模具的工况要求。

Description

一种模具材料及其制备方法
技术领域
本发明属于模具材料技术领域，涉及一种模具材料及其制备方法，特别涉及一种离合器式螺旋压力机模具材料及其制备方法，尤其涉及一种离合器式螺旋压力机叶片钢模具材料及其制备方法。
背景技术
国外锻造厂传统的大吨位锻造设备是液压机和锻锤，90年代以后大吨位螺旋压力机开始被广泛应用。SPKA22400高能螺旋压力机是我国从Bohler公司引进的第一台大吨位螺旋压力机，也是世界上第二台。SPKA22400高能螺旋压力机最大打击力35500T，额定打击力22400T，连续许可打击力28000T。特大打击力，对模具来说，是一个巨大的考验。
离合器式螺旋压力机模具钢主要为5CrNiMo、5CrNiMoV、H13。由于5CrNiMo/5CrNiMoV钢热强性和耐磨性较差，而且回火稳定性不高，其使用温度也不宜超过560℃。所以，生产过程中模具经常出现龟裂、磨损和变形，严重影响生产效率。
CN106929767A公开了一种模具材料，包括采用70份的低碳钢，28份的黄铜，0.5份的铬，0.2份的镍，1份钛，0.3份的硅混合制成。该发明的各种金属配比合理，使得模具具有良好的抗氧化性、良好的耐磨损性，采用材料中占比少的金属先混合再与材料中大占比的材料混合，使得材料混合更充分，使得材料具有良好的热疲劳性。但是，材料的碳含量高，力学性能及加工型有待进一步提高。
因此，很有必要提供一种模具材料来降低碳含量、提高合金化水平，改善模具材料的红硬性、耐磨性、冷热疲劳性和淬透性，以适应离合器式螺旋压力机叶片钢模具的工况要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种模具材料，碳含量低，力学性能优异，不仅具有较好的强度和硬度，优良的塑性和冲击韧性，还具有较好的红硬性、耐磨性、冷热疲劳性和淬透性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种模具材料，以质量百分比计，所述模具材料包括：
本发明中，所述C的质量百分含量为0.35～0.43％，例如可为0.35％、0.37％、0.39％、0.41％、0.43％等，本发明的模具材料中，C可以扩大γ相区，但因渗碳体的形成，其不能无限固溶，随着C含量的增加，得到的模具材料的硬度、强度、塑性和韧性发生变化，在本发明的范围0.35～0.43％内，若碳含量低于0.35％，材料的强度较低，红硬性、耐磨性相对较差，若含量高于0.43％，模具材料塑性和韧性相对较差，模具开裂风险较大，为了达到更优的力学性能以及更好的加工性，优选C的质量百分含量为0.39％。
本发明中，所述Si的质量百分含量≤0.4％，例如可为0.4％、0.3％、0.25％、0.2％、0.1％、0.05％或0.03％等。本发明的模具材料中，Si的加入可以适当改善模具材料淬透性，提高模具材料强度。优选Si的质量百分含量为0.2％。
本发明中，所述Mn的质量百分含量为0.7～1％，例如可为0.7％、0.72％、0.75％、0.78％、0.8％、0.82％、0.85％、0.88％、0.9％、0.93％、0.96％或1％等。本发明的模具材料中，合适含量的Mn的加入可以提高模具材料的淬透性，提高低碳和中碳珠光体钢的强度，提高模具的高温瞬时强度。若Mn含量高于1％，会导致出现明显的回火脆性现象，Mn的加入促进晶粒的长大，通过与其他的合适含量的Mo、V等元素配合使用，可以在不至使晶粒过大的情况下，而改善模具材料的强度、硬度、延伸率等力学性能。为了达到更优的力学性能以及更好的加工性，优选Mn的质量百分含量为1％。
本发明中，所述Cr的质量百分含量为4.5～5.5％，例如可为4.5％、4.7％、4.9％、5.1％、5.3％、5.5％等。Cr可以提高刚的强度、硬度、高温机械性能、抗腐蚀性、抗氧化性和淬透性，还可以阻止石墨化，但又会导致刚的脆性转变温度提高，促使钢的回火脆性。因而，本发明通过控制Cr的含量到4.5～5.5％，并通过与合适含量的Ni、Mn、Mo和V等配合使用来使得得到的模具材料既具有较高的强度和硬度，又具有很好的韧性。为了达到更优的力学性能以及更好的加工性，优选Cr的质量百分含量为4.7％。
本发明中，所述Ni的质量百分含量为2.0～3.0％，例如可为2.0％、2.2％、2.4％、2.6％、2.8％、3.0％等。本发明的模具材料中，添加合适含量2.0～3.0％的Ni，不仅可以提高钢的强度而不显著降低其韧性，且与Cr配合提高模具材料的淬透性、使得大型模具材料心部尽可能不产生上贝氏体组织。为了达到更优的力学性能以及更好的淬透性，优选Ni的质量百分含量为2.6％。
本发明中，所述Mo的质量百分含量为1.5～2.5％，例如可为1.5％、1.7％、1.9％、2.1％、2.3％、2.5％等。Mo对铁素体有固溶强化的作用，可以提高钢的热强度和钢的淬透性，Mo对提高模具钢的红硬性和耐磨性起着非常重要的作用。因而，本发明通过控制Mo的含量到1.5～2.5％，并通过与合适含量的Mn、Ni、Cr和V等配合使用来使得得到的模具材料既具有较高的强度、硬度和韧性，又具有很长的使用寿命。为了达到更优的力学性能以及更好的加工性，优选Mo的质量百分含量为2.1％。
本发明中，所述V的质量百分含量为0.3～0.6％，如可为0.3％、0.35％、0.40％、0.45％、0.50％、0.55％、0.60％等。本发明的模具材料中，添加合适含量0.3～0.6％的V，并与其他的合适含量的Ni、Mn和Mo等配合，可以提高模具材料的热强性、硬度和强度，还可以降低其塑性和韧性。为了达到更优的力学性能以及更好的加工性，优选V的质量百分含量为0.45％。
作为本发明所述模具材料的优选技术方案，以质量百分比计，所述模具材料包括：
作为本发明所述模具材料的进一步优选技术方案，一种模具材料，所述模具材料的化学组成以质量百分比计包括：
优选地，所述模具材料的化学组成中还包含不可避免的夹杂。
本发明的目的之二在于提供一种模具材料的制备方法，包括如下步骤：
1)电炉冶炼，以质量百分比计，将0.35～0.43％的C、≤0.4％的Si、0.7～1％的Mn、4.5～5.5％的Cr、2.0～3.0％的Ni、1.5～2.5％的Mo、0.3～0.6％的V以及余量的Fe加入初炼炉进行冶炼；
2)炉外精炼，将经步骤1)初炼后的材料转入炉外精炼设备精炼；
3)真空除气，将经步骤2)精炼后的精炼材料抽真空处理；
4)电渣重熔，将经步骤3)真空除气后的材料重新熔化和精炼；
5)锻造成型，将经步骤4)重熔后的材料锻造成型；
6)退火和扩氢，将经步骤5)成型后的材料退火和扩氢，得到所述模具材料。
步骤1)中，所述冶炼的温度为1650～1670℃，例如冶炼的温度为1650℃、1665℃、1660℃、1665℃、1670℃；优选地，初炼炉的配碳量控制脱碳量大于0.30％，控制初炼炉出钢碳≥0.08％，P含量≤0.002％，出钢温度大于1670℃。
步骤2)中，电炉冶炼时加强脱氧，调整渣系，提高渣子的吸附能力，减少钢中夹杂物的含量，提高钢水的纯净度，出钢时不得调整合金，渣子要保持良好的流动性，经炉外精炼后材料的氧含量小于15ppm时出钢。
步骤3)中，将精炼包吊入真空坑抽真空，所述抽真空的时间为10～20min，例如抽真空的时间为10min、11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min、20min。
步骤4)的具体过程为，在水冷结晶器中利用电流通过熔渣时产生的电阻热将经步骤3)真空除气后的材料重新熔化和精炼，提高钢材的纯净度、成分和组织均匀，从而提高其整体性能。
步骤5)中，所述锻造成型的温度为1150～1200℃，例如锻造成型的温度为1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃、1200℃；优选地，所述锻造成型至少经过两镦两拔工艺，变形比＞7。
步骤6)中，所述退火和扩氢的过程具体为：将步骤5)锻造成型后的材料在680～720℃保温2～5h，炉冷至650℃保温2～5h，炉冷至200℃以下空冷。
作为本发明的优选方案，模具材料的制备方法，包括如下步骤：
1)电炉冶炼，以质量百分比计，将0.35～0.43％的C、≤0.4％的Si、0.7～1％的Mn、4.5～5.5％的Cr、2.0～3.0％的Ni、1.5～2.5％的Mo、0.3～0.6％的V以及余量的Fe加入初炼炉进行冶炼，所述冶炼的温度为1650～1670℃；初炼炉的配碳量控制脱碳量大于0.30％，控制初炼炉出钢碳≥0.08％，P含量≤0.002％；
2)炉外精炼，将经步骤1)初炼后的材料转入炉外精炼设备精炼，经炉外精炼后材料的氧含量小于15ppm时出钢；
3)真空除气，将经步骤2)精炼后的精炼材料抽真空处理，所述抽真空的时间为10～20min；
4)电渣重熔，在水冷结晶器中利用电流通过熔渣时产生的电阻热将经步骤3)真空除气后的材料重新熔化和精炼；
5)锻造成型，将经步骤4)重熔后的材料锻造成型，所述锻造成型的温度为1150～1200℃，所述锻造成型至少经过两镦两拔工艺，变形比＞7；
6)退火和扩氢，将经步骤5)成型后的材料退火和扩氢，在680～720℃保温2～5h，炉冷至650℃保温2～5h，炉冷至200℃以下空冷，得到所述模具材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过选用合适量的C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V和Fe元素，并调整各元素的含量配合关系，在降C、提Cr、Ni、Mo、V和Ni的条件下，制备得到了力学性能优异的新型模具材料，大大提高了本发明的模具材料的综合性能，其抗拉强度在1520MPa以上，屈服强度(0.2)在1360MPa以上，延伸率在10％以上，收缩率在45％以上，V型冲击功在12J以上，硬度在46HRC以上，延长了其用于离合器时螺旋压力机模具的使用寿命，提高了生产效率，降低了生产成本。
本发明的模具材料的制备方法简单，制备得到的模具材料可应用于离合器式螺旋压力机模具的新型材料，能解决采用传统5CrNiMo/5CrNiMoV模具钢淬透性、红硬性、冷热疲劳性和耐磨性差的问题，控制模具变形不超过1mm，提高离合器式螺旋压力机模具的使用寿命。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明的模具材料的制备方法，包括如下步骤：
1)电炉冶炼，以质量百分比计，将0.35～0.43％的C、≤0.4％的Si、0.7～1％的Mn、4.5～5.5％的Cr、2.0～3.0％的Ni、1.5～2.5％的Mo、0.3～0.6％的V以及余量的Fe加入初炼炉进行冶炼，所述冶炼的温度为1650～1670℃；初炼炉的配碳量控制脱碳量大于0.30％，控制初炼炉出钢碳≥0.08％，P含量≤0.002％；
2)炉外精炼，将经步骤1)初炼后的材料转入炉外精炼设备精炼，经炉外精炼后材料的氧含量小于15ppm时出钢；
3)真空除气，将经步骤2)精炼后的精炼材料抽真空处理，所述抽真空的时间为10～20min；
4)电渣重熔，在水冷结晶器中利用电流通过熔渣时产生的电阻热将经步骤3)真空除气后的材料重新熔化和精炼；
5)锻造成型，将经步骤4)重熔后的材料锻造成型，所述锻造成型的温度为1150～1200℃，所述锻造成型至少经过两镦两拔工艺，变形比＞7；
6)退火和扩氢，将经步骤5)成型后的材料退火和扩氢，在680～720℃保温2～5h，炉冷至650℃保温2～5h，炉冷至200℃以下空冷，得到所述模具材料。以下实施例的模具材料按上述方法制备。
实施例1
本实施例的一种应用于SPKA11200/SPKA22400高能螺旋压力机模座的新型模具材料，该模具材料的化学组成以质量百分比计包括：
其余为铁(Fe)和不可避免的夹杂。
实施例2
本实施例的一种应用于SPKA11200/SPKA22400高能螺旋压力机模座的新型模具材料，该模具材料的化学组成以质量百分比计包括：
其余为铁(Fe)和不可避免的夹杂。
实施例3
本实施例的一种应用于SPKA11200/SPKA22400高能螺旋压力机模座的新型模具材料，该模具材料的化学组成以质量百分比计包括：
其余为铁(Fe)和不可避免的夹杂。
实施例4
本实施例的一种应用于SPKA11200/SPKA22400高能螺旋压力机模座的新型模具材料，该模具材料的化学组成以质量百分比计包括：
其余为铁(Fe)和不可避免的夹杂。
实施例5
本实施例的一种应用于SPKA11200/SPKA22400高能螺旋压力机模座的新型模具材料，该模具材料的化学组成以质量百分比计包括：
其余为铁(Fe)和不可避免的夹杂。
对比例1
对比例1为5CrNiMoV钢。
对实施例1-5制得的模具材料以及对比例的5CrNiMoV钢的力学性能进行测试，测试结果如表1所示。
表1
由表1可以看出，相对于对比例的5CrNiMoV钢，本发明的模具材料的碳含量低，力学性能优异，综合性能高，其抗拉强度在1520MPa以上，屈服强度(0.2)在1360MPa以上，延伸率在10％以上，收缩率在45％以上，V型冲击功在12J以上，硬度在46HRC以上。本发明的模具材料延长了其用于离合器时螺旋压力机模具的使用寿命，提高了生产效率，降低了生产成本。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种模具材料，其特征在于，以质量百分比计，所述模具材料包括：
2.根据权利要求1所述的模具材料，其特征在于，以质量百分比计，所述模具材料包括：
3.根据权利要求1或2所述的模具材料，其特征在于，以质量百分比计，所述模具材料包括：
4.一种如权利要求1所述的模具材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)电炉冶炼，以质量百分比计，将0.35～0.43％的C、≤0.4％的Si、0.7～1％的Mn、4.5～5.5％的Cr、2.0～3.0％的Ni、1.5～2.5％的Mo、0.3～0.6％的V以及余量的Fe加入初炼炉进行冶炼；
2)炉外精炼，将经步骤1)初炼后的材料转入炉外精炼设备精炼；
3)真空除气，将经步骤2)精炼后的精炼材料抽真空处理；
4)电渣重熔，将经步骤3)真空除气后的材料重新熔化和精炼；
5)锻造成型，将经步骤4)重熔后的材料锻造成型；
6)退火和扩氢，将经步骤5)成型后的材料退火和扩氢，得到所述模具材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述冶炼的温度为1650～1670℃；
优选地，初炼炉的配碳量控制脱碳量大于0.30％，控制初炼炉出钢碳≥0.08％，P含量≤0.002％。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，经炉外精炼后材料的氧含量小于15ppm时出钢。
7.根据权利要求4-6之一所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述抽真空的时间为10～20min。
8.根据权利要求4-7之一所述的制备方法，其特征在于，步骤4)的具体过程为，在水冷结晶器中利用电流通过熔渣时产生的电阻热将经步骤3)真空除气后的材料重新熔化和精炼。
9.根据权利要求4-8之一所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所述锻造成型的温度为1150～1200℃；
优选地，所述锻造成型至少经过两镦两拔工艺，变形比＞7。
10.根据权利要求4-9之一所述的制备方法，其特征在于，步骤6)中，所述退火和扩氢的过程具体为：将步骤5)锻造成型后的材料在680～720℃保温2～5h，炉冷至650℃保温2～5h，炉冷至200℃以下空冷。
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CN114318151B (zh) * 2021-12-30 2022-11-01 安徽华天机械股份有限公司 一种高强度汽车冷轧卷材分切刀片用钢材料及制备工艺

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