CN109023113B - 一种变强度热冲压模具材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变强度热冲压模具材料，包含以下合金元素：C、Si、Mn、Cr、Mo、V、P、S和Fe，且各元素的质量百分比为：C 0.40～0.55％，Si≤0.50％，Mn 0.85～1.50％，Cr 2.50～3.50％，Mo 2.00～3.00％，V 0.50～0.80％，P≤0.010％，S≤0.001％，Fe余量。本发明还公开了一种变强度热冲压模具材料的制备方法，以及该模具材料在汽车制造中的应用。上述变强度热冲压模具材料具有良好的强韧比和热导率，优异的热稳定性和高温抗拉毛性能，节约了生产成本，符合我国节能减排、绿色环保的生产理念，满足当前汽车制造业对模具材料的现实需求。
Description
技术领域
本发明涉及合金钢制造工艺技术领域，具体涉及一种变强度热冲压模具材料及其制备方法与应用。
背景技术
传统的高强钢板热冲压成形工艺是将板料整体快速淬火，以获得高强度的零部件。然而像汽车A、B柱等零部件，其上部需要较高的强度以支撑车顶，其下部需要足够的韧性以吸收汽车侧撞时产生的冲击力，为实现该技术特点，变强度热冲压技术应运而生。纵观国内外变强度热冲压技术的发展现状，钢板的变强度热冲压实现方式分为四类：1、部分加热法；2、差速冷却法；3、焊接法；4、变厚度轧板法。其中差速冷却法的工艺简单、产品尺寸精度高、无需定制热处理炉等特点获得了国内外汽车厂商的青睐。
差速冷却法的实现方式较多，而目前主要通过控制模具温度或者调整模具热导率两种方式控制热冲压件的冷却速度，以实现变强度热冲压成形。当模具的热导率为5W/(m·K)时仍不能达到冲压件软区的性能要求，而目前常用热作模具钢的热导率往往大于10W/(m·K)，因而只能通过控制模具温度实现热冲压板料软区的性能指标。热冲压板料软区模具内需通入加热管，使其长期维持在500℃以上。另一方面，热冲压板料硬区的模具中需加入冷却水道，以带走热量。综上所述，变强度热冲压模具需要有很好的导热性以传递热冲压板料的热量，还需要优异的热稳定性，以延长模具的使用寿命。
当前，国内常用的热冲压模具材料主要分为如下几类：
(1)以H13和DIEVAR为代表的通用性热作模具钢，该类型的热作模具钢具有优异的强韧比和抗热疲劳性能，然而其高温稳定性能较差，高温摩擦磨损性能不佳，使用过程中模具表面易拉毛，因而不能满足变强度热冲压模具钢所需的性能要求。
(2)以HOTVAR和CR7V为代表的热冲压模具钢，该类型的热冲压模具钢具有优异的热稳定性能，高温摩擦磨损性能，然而其韧性较差，抗裂纹扩展能力不佳，使用过程中模具易开裂失效，因而不能满足变强度热冲压模具钢所需的性能要求。
(3)以HTCS-130为代表的高热导率热冲压模具钢，该类型的热冲压模具钢具有极高的热导率，良好的韧性，然而其高温摩擦磨损性能不足，使用过程中模具表面极易拉毛，因而不能满足变强度热冲压模具钢所需的性能要求。
综上所述，目前市场上常用的热作模具钢或热冲压模具钢均难以满足变强度热冲压技术的严苛要求，变强度汽车板热冲压成形模具专用钢亟待开发。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种变强度热冲压模具材料及其制备方法与应用。
本发明的技术方案如下：
本发明在第一方面提供了一种变强度热冲压模具材料，包含以下合金元素：C、Si、Mn、Cr、Mo、V、P、S和Fe，且各元素的质量百分比为：C 0.40～0.55％，Si≤0.50％，Mn 0.85～1.50％，Cr 2.50～3.50％，Mo 2.00～3.00％，V 0.50～0.80％，P≤0.010％，S≤0.001％，Fe余量。
在较优实施例中，Mn、Mo和Cr的质量比为1～1.2:2.0～2.1:3.0～3.2。
本发明在第二方面提供了一种变强度热冲压模具材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、电炉冶炼：变强度热冲压模具材料的化学成分的质量百分比为：C 0.40～0.55％，Si≤0.50％，Mn 0.85～1.50％，Cr 2.50～3.50％，Mo 2.00～3.00％，V 0.50～0.80％，P≤0.010％，S≤0.001％，Fe余量；配料后放入电炉中进行熔炼，浇铸成母材待用，然后进行电渣重熔，通过结晶器冷却制备出电渣锭；
步骤2、高温扩散退火：将所述电渣锭加热到1250～1270℃，进行扩散退火；
步骤3、热加工成形：将经过高温均质化处理的所述电渣锭降温至1150～1200℃温度范围内进行多向锻造加工，锻制成模块；
步骤4、组织细化处理：固溶温度为1060～1100℃，然后将所述模块水冷至模块表面温度200～250℃；第一阶段等温温度为870～890℃，第二阶段等温退火温度为770～790℃，固溶保温时间和两段加热保温时间均根据工件有效尺寸、装炉量和装炉方式而定；
步骤5、淬回火热处理：在真空炉中加热至1020～1060℃，采用高压气淬冷却至80℃以下，随后进行回火处理，淬火和回火加热保温时间均根据工件有效尺寸、装炉量和装炉方式而定。
优选地，上述步骤1中，Mn、Mo和Cr的质量比为1～1.2:2.0～2.1:3.0～3.2。
优选地，上述步骤2中，扩散退火时间根据电渣锭的直径、装炉量和装炉方式制定，一般至少≥10h。
优选地，上述步骤3中，锻造加工的镦粗比≥2，拔长比≥4。
优选地，上述步骤3中，终锻温度为850～900℃。
优选地，上述步骤5中，回火处理在540～620℃温度范围内进行。
优选地，上述步骤5中，回火处理进行2～3次。
本发明在第三方面提供了上述变强度热冲压模具材料在汽车制造中的应用，尤其是作为变强度汽车板热冲压成形模具专用钢的应用。
本发明的优点在于：经合金优化设计以及推荐制备和热处理工艺，本发明提供的变强度热冲压模具材料具有均衡的综合力学性能和组织稳定性，即良好的强韧比和热导率，利用廉价的Mn元素提高钢的热稳定性能和高温抗拉毛性能，从而大大提高模具的服役寿命，节约生产成本，符合我国节能减排、绿色环保的生产理念，满足当前汽车制造业对模具材料的现实需求。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。所以凡是不脱离本发明所公开的原理下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
以下将结合附图对本发明作进一步说明，以充分说明本发明的目的、技术特征和技术效果。
附图说明
图1示出了本发明较优实施例中变强度热冲压模具材料的退火态(上图)和回火态(下图)的显微组织；
图2示出了本发明较优实施例中变强度热冲压模具材料的回火特性曲线；
图3示出了本发明较优实施例中变强度热冲压模具材料在580℃下的热稳定性能；
图4示出了本发明较优实施例中变强度热冲压模具材料的热导率随温度的变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
为解决变强度热冲压无专用模具钢的现状，本发明提供了一种全新的合金配比，加入较多的Mn元素和Mo元素，并适当降低Cr元素、Si元素和V元素的加入量，在Mn:Mo:Cr≈1:2:3的条件下开发出适用于变强度热冲压的新型钢种，本发明钢具有良好的强韧比和热导率，优异的热稳定性和高温抗拉毛性能。
实施例1
本实施例中，采用的变强度汽车板热冲压成形模具专用钢的化学成分质量百分比如下：
本实施例中，变强度汽车板热冲压成形模具专用钢的制备方法如下：
步骤1、电炉冶炼：按上述的合金元素配比在电炉中进行熔炼，熔炼温度大于1500℃，然后经过真空脱气，浇铸成母材待用，然后进行电渣重熔，通过结晶器冷却制备出φ730mm电渣锭备用。
步骤2、高温扩散退火：将电渣锭加热到1265℃，保温≥16h。
步骤3、热加工成形：将经过高温均质化处理的电渣锭降温至1180℃左右进行多向锻造加工，镦粗比≥2，拔长比≥4，终锻温度850～900℃，最终锻制模块截面尺寸为265×810mm。
步骤4、组织细化处理：将锻制模块进行组织细化处理，其中，固溶温度为1070℃，固溶时间为5h，然后水冷至模块表面温度200℃。第一阶段等温温度为880℃，保温时间为12h；第二阶段等温退火温度为780℃，保温时间为22h，然后炉冷至室温。
步骤5、淬回火热处理：从组织细化处理后的模块端部中心区域取60×60×120mm试料，将工件在真空炉中加热至1050℃进行奥氏体化，采用高压气淬冷却至80℃以下出炉；随后进行540℃、565℃和540℃三次回火热处理。
经过上述制造工艺后，进行如下性能测试：
(1)淬火硬度：55.5-56.2HRC，回火硬度52-54HRC。
(2)冲击韧性试验：按照NADCA#207-90标准取冲击试样，试样尺寸为7×10×55mm无缺口，其室温冲击功值：310-324J。
(3)抗回火稳定性：在580℃保温20h后，硬度从54HRC降至48HRC，降幅为6HRC。
(4)高温耐磨性实验：采用UMT-3高温摩擦磨损试验机进行评价，其580℃下的磨损体积：0.06mm3。
实施例2
本实施例中，采用的变强度汽车板热冲压成形模具专用钢的化学成分质量百分比如下：
本实施例中，变强度汽车板热冲压成形模具专用钢的制备方法如下：
步骤1、电炉冶炼：按上述的合金元素配比在电炉中进行熔炼，熔炼温度大于1500℃，然后经过真空脱气，浇铸成母材待用，然后进行电渣重熔，通过结晶器冷却制备出φ730mm电渣锭备用。
步骤2、高温扩散退火：将电渣锭加热到1250℃，保温≥10h。
步骤3、热加工成形：将经过高温均质化处理的电渣锭降温至1150℃左右进行多向锻造加工，镦粗比≥2，拔长比≥4，终锻温度850～900℃，最终锻制模块截面尺寸为280×820mm。
步骤4、组织细化处理：将锻制模块进行组织细化处理，其中，固溶温度为1060℃，固溶时间为5h，然后水冷至模块表面温度250℃。第一阶段等温温度为870℃，保温时间为13h；第二阶段等温退火温度为770℃，保温时间为23h，然后炉冷至室温。
步骤5、淬回火热处理：从组织细化处理后的模块端部中心区域取60×60×120mm试料，将工件在真空炉中加热至1020℃进行奥氏体化，采用高压气淬冷却至80℃以下出炉；随后进行540℃和560℃两次回火热处理。
成品模块截面尺寸为260×830mm，进行如下性能测试：
(1)淬火硬度：55.1-55.6HRC，回火硬度52-54HRC。
(2)冲击韧性试验：按照NADCA#207-90标准取冲击试样，试样尺寸为7×10×55mm无缺口，其室温冲击功值：318-332J。
(3)抗回火稳定性：在580℃保温20h后，硬度从54HRC降至49HRC，降幅为5HRC。
(4)耐磨性实验：采用UMT-3高温摩擦磨损试验机进行评价，其在580℃下的磨损体积：0.05mm3。
实施例3
本实施例中，采用的变强度汽车板热冲压成形模具专用钢的化学成分质量百分比如下：
本实施例中，变强度汽车板热冲压成形模具专用钢的制备方法如下：
步骤1、电炉冶炼：按上述的合金元素配比在电炉中进行熔炼，熔炼温度大于1500℃，然后经过真空脱气，浇铸成母材待用，然后进行电渣重熔，通过结晶器冷却制备出φ730mm电渣锭备用。
步骤2、高温扩散退火：将电渣锭加热到1270℃，保温≥12h。
步骤3、热加工成形：将经过高温均质化处理的电渣锭降温至1200℃左右进行多向锻造加工，镦粗比≥2，拔长比≥4，终锻温度850～900℃，最终锻制模块截面尺寸为255×800mm。
步骤4、组织细化处理：将锻制模块进行组织细化处理，其中，固溶温度为1100℃，固溶时间为5h，然后水冷至模块表面温度250℃。第一阶段等温温度为890℃，保温时间为11h；第二阶段等温退火温度为790℃，保温时间为20h，然后炉冷至室温。
步骤5、淬回火热处理：从组织细化处理后的模块端部中心区域取60×60×120mm试料，将工件在真空炉中加热至1060℃进行奥氏体化，采用高压气淬冷却至80℃以下出炉；随后进行560℃、590℃和620℃三次回火热处理。
成品模块截面尺寸为310×815mm，进行如下性能测试：
(1)淬火硬度：54.8-55.8HRC，回火硬度52-54HRC。
(2)冲击韧性试验：按照NADCA#207-90标准取冲击试样，试样尺寸为7×10×55mm无缺口，其室温冲击功值：293-324J。
(3)抗回火稳定性：在580℃保温20小时后，硬度从53.6HRC降至48.5HRC，降幅为5.1HRC。
(4)耐磨性实验：采用UMT-3高温摩擦磨损试验机进行评价，其在580℃下磨损体积：0.05mm3。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种变强度热冲压模具材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、电炉冶炼：所述变强度热冲压模具材料的化学成分的质量百分比为：C 0.40～0.55％，Si≤0.50％，Mn 0.94～1.50％，Cr 2.50～2.93％，Mo 2.43～3.00％，V 0.50～0.80％，P≤0.010％，S≤0.001％，Fe余量，Mn、Mo和Cr的质量比为1～1.2:2.0～2.1:3.0～3.2；配料后放入电炉中进行熔炼，浇铸成母材待用，然后进行电渣重熔，通过结晶器冷却制备出电渣锭；
步骤2、高温扩散退火：将所述电渣锭加热到1250～1270℃，进行扩散退火；
步骤3、热加工成形：将经过高温均质化处理的所述电渣锭降温至1150～1200℃温度范围内进行多向锻造加工，锻制成模块，锻造加工的镦粗比≥2，拔长比≥4；
步骤4、组织细化处理：固溶温度为1060～1100℃，然后将所述模块水冷至模块表面温度200～250℃；第一阶段等温温度为870～890℃，第二阶段等温退火温度为770～790℃；
步骤5、淬回火热处理：在真空炉中加热至1020～1060℃，采用高压气淬冷却至80℃以下，随后进行回火处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，扩散退火时间≥10h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，终锻温度为850～900℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，所述回火处理在540～620℃温度范围内进行。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，所述回火处理进行2～3次。
6.一种变强度热冲压模具材料的制备方法在汽车制造中的应用，其特征在于，通过权利要求1-5中任意一项权利要求制备的所述变强度热冲压模具材料用作变强度汽车板热冲压成形模具专用钢。
Priority Applications (1)
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