CN108950413A - 一种模具钢材料及其制备方法与用途 - Google Patents

一种模具钢材料及其制备方法与用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模具钢材料及其制备方法与用途。该方法通过添加微量Ti元素，并优化冶炼工艺，采用固溶处理，球化退火处理，淬火处理，回火处理对所制备的热作模具钢进行热处理，冶炼得到一种新型热作模具钢材料。本发明通过钛微合金化及后续热处理技术，使处理后的热作模具钢，热疲劳损伤因子显著降低，大幅度提高其热疲劳抗力。

Description

一种模具钢材料及其制备方法与用途
技术领域
本发明涉及一种冶金技术领域，且特别涉及一种模具钢材料及其制备方法与用途。
背景技术
模具钢是用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种。模具是机械制造、无线电仪表、电机、电器等工业部门中制造零件的主要加工工具。模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本，而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材料和热处理的影响。
模具钢的失效形式很多，热疲劳、整体开裂、焊合、热冲蚀、热磨损等。其中，热疲劳是模具钢主要失效形式之一，热疲劳抗力大小直接影响模具钢使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模具钢材料及其制备方法与用途，采用该方法制备的模具钢材料的热疲劳损伤因子显著降低，大幅度提高其热疲劳抗力。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
一种模具钢材料，该模具钢材料包含以下重量百分比的组分：
Cr：4.9-5.1％，Mn：0.2-0.4％，Si：0.8-1.2％，Mo：1.3-1.5％，Ti：0.01-0.02％，V：0.8-1.0％，C：0.3-0.4％，S：<0.02％，P：<0.02％。
一种模具钢材料的制备方法，主要包括以下步骤：熔炼处理和热处理。
其中，熔炼处理主要包括以下步骤：原料熔炼、真空浇铸、电渣重熔、高温均质化处理、锻造以及超细化处理。
热处理主要包括以下步骤：固溶处理、球化退火处理、淬火处理以及回火处理。
一种模具钢材料的用途，将该模具钢材料用于制作铝、镁、锌合金压铸模具，铝、铜合金挤压模具，热固性塑料注塑模具，精密锻造模具，汽车零件用热成型模具中任意一种。
本发明提供的模具钢材料的有益效果是：
本发明提供的热作模具钢，热疲劳损伤因子显著降低，大幅度提高其热疲劳抗力，是一种新型模具钢材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1a是含Ti模具钢热循环1500次表面裂纹图。
图1b是不含Ti模具钢热循环1500次表面裂纹图。
图2a是含Ti模具钢热循环1500次截面裂纹图。
图2b是不含Ti模具钢热循环1500次截面裂纹图。
图3a是含Ti模具钢热处理后热循环1000次表面裂纹图。
图3b是含Ti模具钢未经热处理热循环1000次表面裂纹图。
图4a是含Ti模具钢热处理后热循环1000次截面裂纹图。
图4b是含Ti模具钢未经热处理热循环1000次截面裂纹图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供的一种模具钢材料、制备方法及其应用进行具体说明。
一种模具钢材料，该模具钢材料包含以下重量百分比的组分：
Cr：4.9-5.1％，Mn：0.2-0.4％，Si：0.8-1.2％，Mo：1.3-1.5％，Ti：0.01-0.02％，V：0.8-1.0％，C：0.3-0.4％，S：<0.02％，P：<0.02％。
一种模具钢材料的制备方法，主要包括以下步骤：熔炼处理和热处理。
在一些实施方式中，熔炼处理主要包括以下步骤：原料熔炼、真空浇铸、电渣重熔、高温均质化处理、锻造以及超细化处理。
在一些实施方式中，热处理主要包括以下步骤：固溶处理、球化退火处理、淬火处理以及回火处理。
在一些实施方式中，原料熔炼包括原料熔化、精炼和钛微合金化，钛微合金化中的钛源为海绵钛。
通常提高模具钢热疲劳抗力的技术包括改善模具钢成分和优化热处理工艺。改善模具钢成分指改变或增减合金元素、添加稀有金属元素，通过这些元素与钢中其他元素相互作用，影响模具钢组织，提高模具钢的热疲劳抗力。改变热作模具钢中N、Si、Mn等元素的含量及比例可提高钢的热稳定性，同时还具备高的韧性以及良好的抗冷热疲劳性能。添加Mo、Ni、V等元素可以获得不同的二次硬化效果，提高钢的淬透性，增加其高温使用强度，W元素可提高钢的高温强韧性，以增加其热疲劳抗力，但其成本过高。Ti元素成本远低于稀有金属和其他合金元素，在钢中以TiC形式独立析出。弥散析出的针状TiC均匀分布，强化效果极佳。
本发明在原料熔炼的过程中，先在熔炼炉中加入纯Fe、纯Cr、纯Mo和钒铁合金进行熔化，然后进行精炼，精炼之后进行钛微合金化处理，依次将单晶硅、增碳剂、纯Mn、海绵钛通过炉顶的投料仓加入，并进行吹氩处理，最后加入硅钙合金进行脱氧，脱硫。
本发明在熔炼的过程中，分步加入原料，在微钛合金化的过程中加入海绵钛，由于合金中钛元素的加入，可明显减少模具钢热疲劳裂纹数量，减小裂纹长度与深度，减小热疲劳损伤因子，降低热疲劳裂纹扩展速度，提高模具钢热疲劳抗力。
在一些实施方式中，固溶处理包括以下步骤：对经过熔炼处理的模具钢在1030-1090℃下进行固溶处理，保温时间为0.9-1h，油冷至室温。
在一些实施方式中，球化退火处理包括以下步骤：对经过固溶处理后的模具钢在830-890℃下进行球化退火处理，保温时间为1.8-2h，冷却方式为随炉冷却。
在一些实施方式中，淬火处理包括以下步骤：对经过球化退火处理后的模具钢在1020-1120℃下进行淬火处理，保温时间为0.9-1h，冷却方式为油冷。
在一些实施方式中，回火处理包括以下步骤：对经过淬火处理后的模具钢进行两次回火处理，第一次回火温度为540-640℃，第二次回火温度为520-600℃，两次回火时间均为1.9-2h，随后空冷至室温。
本发明中的热处理工艺主要包括以下步骤：固溶处理、球化退火处理、淬火处理以及回火处理。优化热处理工艺指通过改进传统热处理工艺，使模具钢的强度和韧性到达最佳，提高材料的热疲劳抗力。对于热作模具钢，正火可以消除钢的网状碳化物，改善机械性能，便于球化退火，正火和退火一般配合使用。为获得较高的热疲劳抗力，回火温度不应太低，也不能太高，温度过高或过低都会降低材料的高温强度和塑韧性能。
本发明中对于熔炼之后的模具钢再进行优化的热处理，可明显减少模具钢热疲劳裂纹数量，减小裂纹长度与深度，减小热疲劳损伤因子，提高模具钢热疲劳抗力。
本发明还提供一种模具钢材料的用途，将该模具钢材料用于制作铝、镁、锌合金压铸模具，铝、铜合金挤压模具，热固性塑料注塑模具，精密锻造模具，汽车零件用热成型模具中的任意一种。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本发明的一种含Ti模具钢材料的制备方法，具体步骤是：
(1)合金元素的成分设计：称取适当质量的纯Cr、纯Mn、纯Si、纯Mo、海绵钛、FeV和C，钢材目标成分为：Cr(4.9-5.1)％，Mn(0.2-0.4)％，Si(0.8-1.2)％，Mo(1.3-1.5)％，Ti(0.01-0.02)％，V(0.8-1.0)％，C(0.3-0.4)％。
(2)热作模具钢的熔炼：
(21)采用50kg真空感应熔炼炉熔炼，熔炼温度约为1609.8℃，熔炼前进行“洗炉”，之后同时加入纯Fe、纯Cr、纯Mo和钒铁合金，关闭炉盖，抽真空，真空度为27Pa；在整个熔化过程中，输入功率为70kW，熔炼室摇摆角度＜60°；整个熔化过程持续30min。
(22)待炉料完全熔化后进行精炼，精炼过程输入功率30kW，真空度24Pa，精炼时间15min。
(23)随后进行钛微合金化处理，依次将单晶硅、增碳剂、纯Mn、海绵钛通过炉顶的投料仓加入，并进行吹氩处理，输入功率25kW，真空度360Pa。最后加入硅钙合金进行脱氧，脱硫。
(3)浇铸：将步骤(2)熔炼的钢液进行降温，浇铸成39kg的电渣锭，整个浇铸过程仍然在真空条件下进行，浇铸结束后将真空感应炉关闭，放气使炉内压力恢复到标准大气压，然后进行冷却结晶，使钢液完全凝固。
(4)保护渣成分的确定：电渣重熔过程中选择Al2O3-CaF2-CaO(Al2O319％、CaF259％、CaO22％)三重渣系进行脱P、脱S处理。
(5)电渣重熔：首先将步骤(3)钢锭去头去尾，对其中一端打磨抛光，同时对假电极纯铁端也进行打磨抛光，假电极上部采用304不锈钢，下端焊接纯铁，将钢锭打磨抛光后的一端与纯铁端进行焊接作为自耗电极；选取步骤(4)中的保护渣进行化渣、重熔，电渣重熔温度1850℃，结晶器冷却水进水压力＞0.25MPa，出水温度31℃，重熔过程23min。化渣段，重熔速度为0，电流和电压随时间的延长而升高。重熔段，电流为2450A，电压为25V，重熔速度1kg/min；然后进行热封顶，持续5min，该阶段重熔速度为0，电流和电压随时间延长而减小；最后降温0.5h使其凝固。
(6)高温均质化处理：将步骤(5)获得的钢锭在1220℃的环境下高温均质化处理，保温时间9h，以便均匀材料组织，同时使合金成分偏析、液析碳化物得到改善或消除，之后随炉冷却至200℃，然后取出钢锭空冷至室温。
(7)锻造：将步骤(6)获得的钢锭于1150℃的环境下进行多向锻造加工。锻造参数：锻造比6，内镦粗比为2，镦拔次数为6，终锻温度870℃。
(8)超细化处理：超细化过程温度为1100℃，时间为8h；然后油冷至＜200℃，随后空冷至室温。
(9)热处理：对步骤(8)制备的模具钢利用箱式电阻炉在1060℃下固溶处理，保温1h，油冷至室温；对固溶处理后的模具钢在860℃下进行球化退火处理，保温时间为2h，冷却方式为随炉冷却；之后进行淬火处理，淬火温度为1070℃，保温时间为1h，冷却方式为油冷；最后进行两次回火处理，第一次回火温度在600℃，第二次回火温度在560℃，回火时间均为2h，随后空冷至室温。制备出的钢材成分(wt％)如表1所示。
表1含Ti钢的化学成分(wt％)
元素 C Mn Si Cr Mo V Ti
含量 0.34 0.37 0.98 4.90 1.39 0.92 0.016
实施例2
一种不含Ti模具钢材料的制备方法，本实施例与实施例1中的区别在于，合金元素的成分设计中不含有Ti，其余实验步骤相同。
表2不含Ti钢的化学成分(wt％)
元素 C Mn Si Cr Mo V
含量 0.39 0.42 0.96 5.08 1.25 0.94
对实施例1中的含Ti模具钢和实施例2中的不含Ti模具钢进行1500次热疲劳实验，结果表明：
含Ti钢与不含Ti钢表面裂纹对比如图1a、图1b，两种模具钢试样裂纹均在V型缺口处萌生；含Ti钢裂纹细小且短，长度相近，且没有次裂纹生成，表面形成少量网状裂纹，热疲劳损伤因子较低，为6.51×10-4；不含Ti钢裂纹长且宽，长短不一且密集程度大，裂纹呈网状分布于整个表面，热疲劳损伤因子大于含Ti钢，为2.09×10-3，试样表面破坏极为严重。
含Ti钢与不含Ti钢截面裂纹对比如图2a、图2b，不含Ti钢截面裂纹粗大，长度扩展明显，裂纹基本贯穿整个截面，截面破坏严重，且截面热疲劳损伤因子较大，为1.37×10-2；含Ti钢截面裂纹细小，长度扩展不明显，裂纹基本浮于试样表面，其截面热疲劳损伤因子明显小于不含Ti钢，为5.51×10-3。因此，对于不含Ti元素的试样，裂纹扩展深度，裂纹分布密集程度，热疲劳损伤因子均大于含Ti元素的试样，前者破坏更严重，表明添加微量钛元素可明显减少模具钢热疲劳裂纹数量，减小裂纹长度与深度，减小热疲劳损伤因子，降低热疲劳裂纹扩展速度，提高模具钢热疲劳抗力。
实施例3
一种不经热处理的含Ti模具钢材料的制备方法，本实施例与实施例1中的区别在于，含Ti模具钢材料不经热处理，其余实验步骤相同。
对实施例1中经过热处理和实施例3中未经热处理的含Ti模具钢进行1000次热疲劳实验，结果表明：
经过热处理和未经热处理表面裂纹对比如图3a、图3b。经过热处理含Ti钢裂纹较细较短，且没有次裂纹生成，热疲劳损伤因子较低，为6.51×10-4；未经热处理的含Ti钢裂纹较长较宽，热疲劳损伤因子较高，为2.06×10-3，试样表面破坏较严重。
经过热处理和未经热处理截面裂纹对比如图4a、图4b。经过热处理含Ti钢截面较光滑，仅萌生极少量微裂纹(高倍下才能发现)，截面热疲劳损伤因子低，为2.29×10-4。未经热处理的含Ti钢截面裂纹已形成，裂纹较短，截面热疲劳损伤因子为2.90×10-4。对于未经热处理的含Ti钢，裂纹粗细长短程度，热疲劳损伤因子均大于经过热处理含Ti钢，前者破坏较严重，表明采用优化热处理工艺对模具钢热处理后可明显减少模具钢热疲劳裂纹数量，减小裂纹长度与深度，减小热疲劳损伤因子，提高模具钢热疲劳抗力。
综上，本发明公开了一种模具钢材料及其制备方法与用途。该方法通过添加微量Ti元素，并优化冶炼工艺，采用固溶处理，球化退火处理，淬火处理，回火处理对所制备的热作模具钢进行热处理，冶炼得到一种新型热作模具钢。本发明的钛微合金化及后续热处理技术，处理后的热作模具钢，热疲劳损伤因子显著降低，大幅度提高其热疲劳抗力。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种模具钢材料，其特征在于，该模具钢材料包含以下重量百分比的组分：
Cr：4.9-5.1％，Mn：0.2-0.4％，Si：0.8-1.2％，Mo：1.3-1.5％，Ti：0.01-0.02％，V：0.8-1.0％，C：0.3-0.4％，S：<0.02％，P：<0.02％。
2.根据权利要求1所述的模具钢材料的制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：熔炼处理和热处理。
3.根据权利要求2所述的模具钢材料的制备方法，其特征在于，所述熔炼处理主要包括以下步骤：原料熔炼、真空浇铸、电渣重熔、高温均质化处理、锻造以及超细化处理。
4.根据权利要求2所述的模具钢材料的制备方法，其特征在于，所述热处理主要包括以下步骤：固溶处理、球化退火处理、淬火处理以及回火处理。
5.根据权利要求3所述的模具钢材料的制备方法，其特征在于，所述原料熔炼包括原料熔化、精炼和钛微合金化，所述钛微合金化中的钛源为海绵钛。
6.根据权利要求4所述的模具钢材料的制备方法，其特征在于，所述固溶处理包括以下步骤：对经过熔炼处理的模具钢在1030-1090℃下进行固溶处理，保温时间为0.9-1h，油冷至室温。
7.根据权利要求4所述的模具钢材料的制备方法，其特征在于，所述球化退火处理包括以下步骤：对经过固溶处理后的模具钢在830-890℃下进行球化退火处理，保温时间为1.8-2h，冷却方式为随炉冷却。
8.根据权利要求4所述的模具钢材料的制备方法，其特征在于，所述淬火处理包括以下步骤：对经过球化退火处理后的模具钢在1020-1120℃下进行淬火处理，保温时间为0.9-1h，冷却方式为油冷。
9.根据权利要求4所述的模具钢材料的制备方法，其特征在于，所述回火处理包括以下步骤：对经过淬火处理后的模具钢进行两次回火处理，所述第一次回火温度为540-640℃，第二次回火温度为520-600℃，两次回火时间均为1.9-2h，随后空冷至室温。
10.一种利用权利要求1-9中任一项所述模具钢材料的用途，其特征在于，将该模具钢材料用于制作铝、镁、锌合金压铸模具，铝、铜合金挤压模具，热固性塑料注塑模具，精密锻造模具，汽车零件用热成型模具中的任意一种。
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