CN109112391B - 一种热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种热作模具钢及其制备方法。钢中含有C：0.45％～0.55％，Cr：5.50％～6.50％，Si：0.85％～1.10％，Mn：0.30％～0.50％，Mo：1.20％～1.50％，V：0.60％～1.00％，P≤0.013％，S≤0.03％，Gd：0.15％～0.25％，La：0.10％～0.15％，Y：0.10％～0.15％，其余为Fe和不可避免的杂质。电炉熔炼，钢坯加热温度为1200～1280℃，保温2～4h，开轧温度1150～1250℃，终轧温度820～950℃，冷速5～10℃/s，终冷温度400～550℃。第一阶段等温退火温度830～880℃；第二阶段等温退火温度730～780℃；淬火温度1050～1150℃，回火温度550～650℃。生产的热作模具钢具有高等向性及抗冲击性。

Description

一种热作模具钢及其制备方法
技术领域
本发明属于高合金钢生产领域，特别涉及一种具有高等向性及抗冲击性的热作模具钢材料。
背景技术
如今，我国的模具行业迅速发展，在世界范围内中国模具制造比例逐步提高，模具钢的用量也在显著增加。热作模具钢作为模具钢中的重要组成部分，近年来取得较大进展，但其服役条件十分恶劣，合金元素含量较高，组织结构较为复杂，所以对其性能的要求更加苛刻。
目前，常规模具钢应用中存在性能单一，使用寿命较短等问题，为了提高热作模具钢的综合性能，可采用添加稀土元素来改善析出相的组成、分布、形貌，改变碳化物及夹杂物形态、细化晶粒、净化和强化晶界等来提高其性能。
针对热作模具中添加稀土元素来提高性能，国内外研究学者进行大量研发工作并取得一定成果。
邓开国，李长荣，杨远梅在《中国稀土学报》，2016年，第34卷第4期中发表的论文《铈元素对H13模具钢等向性能的研究》中提出了在H13模具钢中添加Ce元素含量0.05％时，H13的等向性能大幅度提高，横纵向力学性能均呈上升趋势，但其硬度显著降低。
陈研在《铸造技术》，2014年，第35卷第4期中发表的论文《稀土元素Gd和Sc对H13模具钢热疲劳性能的影响》中提出了在H13模具钢中添加稀土元素Gd或Sc，尤其是复合添加Gd和Sc有利于促进H13模具钢中碳化物的弥散分布、细化组织，改善了H13模具钢的热疲劳性能，但对其等向性能并没有提高且生产成本高。
CN 200410010656.8公开了“新型变质热作模具钢”，钢中加入Ce：0.005％～0.100％和Y：0.005％～0.100％作为复合变质元素，以改善新型变质热作模具钢的微观组织来提高性能。通过加入了Y、Ce，细化晶粒，净化了钢液中的氧、硫等有害元素，改变夹杂的形貌、大小及分布，减少了偏析，从而大幅提高热作模具钢的冲击韧性、抗疲劳及抗氧化腐蚀性能；加入稀土元素后，热作模具钢的硬度虽稍有提高，但其硬度及横纵性能比仍不能满足优质热作模具钢的严格要求。
添加稀土元素来提高热作模具钢的性能是行之有效的方法。并且我国稀土资源丰富，可选择利用稀土元素来发展热作模具钢。但如何进行热作模具钢成分及工艺的设计，满足多种性能要求，是发展热作模具钢的关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种热作模具钢及其制备方法，通过在热作模具钢中添加适量的稀土元素Gd、La、Y，结合热轧及热处理工艺，使得该种热作模具钢具有高硬度和优异的硬度均匀性，等向性能和抗冲击性能，具有优异的综合性能。同时该种新型热作模具钢的生产成本低廉，降低了工业生产的经济成本。
具体的技术方案是：
一种热作模具钢的化学成分按质量百分比为：C：0.45％～0.55％，Cr：5.50％～6.50％，Si：0.85％～1.10％，Mn：0.30％～0.50％，Mo：1.20％～1.50％，V：0.60％～1.00％，P≤0.013％，S≤0.03％，Gd：0.15％～0.25％，La：0.10％～0.15％，Y：0.10％～0.15％，其余为Fe和不可避免的杂质。
钢中各元素的作用机理如下：
C：碳一部分参与固溶强化，一部分与合金元素形成碳化物参与沉淀强化。除了初生碳化物，回火过程析出的碳化物产生的二次硬化效果也很重要。碳化物的类型、状态及稳定性对高温热强性及综合性能是较有力的保障。因此，本发明中将C含量控制在0.45％～0.55％；
Si、Mn：Si可提高回火抗力及回火稳定性。Mn具有固溶强化作用，提高钢强度硬度的同时对钢的延展性几乎没有影响，除此之外还可溶于奥氏体，提高钢的淬透性。
对于热作模具钢，偏析在标准中给予了严格界定，受凝固过程组织遗传性的影响，这类组织很难去除，我们的研究表明适当降低Mn和Si的含量有助于偏析的控制。因此，本发明中适当降低了Mn和Si的含量，将Si、Mn含量分别控制在Si：0.85％～1.10％、Mn：0.30％～0.50％；
Cr：Cr在热作模具钢中提高淬硬性和淬透性。Cr加入钢中后可生成多种类型碳化物，它也可以溶入其他碳化物中。这些碳化物在加热时能在较低温度下溶解，使基体中含有必要的碳量，保证马氏体有高硬度。淬火加热时，Cr几乎全部溶入奥氏体中，使热作模具钢具有很高的淬透性。因此，本发明中将Cr含量控制在5.50％～6.50％；
Mo：Mo能降低钢的结晶温度，同时凝固区间又窄，这对铸态组织有细化作用。含Mo的热作模具钢中碳化物细小，分布比较均匀，提高钢的强度硬度及冲击性能。因此，本发明中将Mo含量控制在1.20％～1.50％；
V：V的加入可产生析出强化，析出的VC作为形核核心，起到细晶强化作用，使得钢的强度硬度及韧性同时提高，改善热作模具钢的综合性能。因此，本发明中将V含量控制在0.60％～1.00％；
P、S：P是钢中有害元素，降低钢的韧性，提高脆性。S可使钢的加工性能和机械性能恶化。控制P、S在钢中的含量可改善钢的性能，但考虑到成本等问题，本发明将P、S含量控制在P≤0.013％，S≤0.03％；
稀土元素Gd、La、Y：稀土元素Gd、La、Y在钢中固溶度很低，但可使钢中的点缺陷的数量增加，能量升高，提高钢的硬度。其固溶在钢中，使位错在移动过程中，受到阻碍，发生缠结，成为冲击断口韧窝形成的中心，可使韧窝分布更加均匀，改善冲击性能。
加入适量的Gd、La、Y，可以使析出相从条片状变为圆形颗粒状，成分由硫化物变为稀土硫化物，较均匀的分布在基体上，析出相变为圆形颗粒状，可减小应力集中，并且对位错和裂纹扩展有阻碍作用，提高热作模具钢的横向韧性，使轧制后的钢依然具有优异的等向性能。Gd、La、Y三种元素同时作用，对位错及裂纹扩展阻碍作用更加明显，可显著提高热作模具钢的冲击性能。
除此之外，Gd、La、Y与钢中的非金属原子结合生成熔点较高的稀土化合物，细小的稀土化合物在钢凝固过程中成为非自发的形核核心，随着过冷度的增加，形核率迅速增加，因此加入稀土元素可细化热作模具钢的原始凝固组织，热轧后，稀土化合物作为第二相粒子阻碍晶粒长大，减小晶粒尺寸，细化晶粒，使得模具钢的硬度提高且具有良好的硬度均匀性。大部分的杂质元素与稀土元素形成稳定的化合物，存在于晶内，因此晶界上夹杂物减少，净化了晶界，减少因夹杂物产生的晶界应力，强化晶界，阻碍晶间裂纹形成和扩展，增加裂纹在最初的形成功，从而提高冲击功。
因此，本发明中将稀土元素Gd、La、Y的含量分别控制为Gd：0.15％～0.25％，La：0.10％～0.15％，Y：0.10％～0.15％。
本发明还提供了该种热作模具钢的制备方法，包括铁水预处理，电炉冶炼、铸造、热轧、热处理。其主要工艺包括：
采用电炉熔炼，钢水经铸造成钢坯；
热轧工艺：钢坯加热温度控制在1200～1280℃，保温2～4h，可降低冶金偏析带来的影响。控制开轧温度为1150～1250℃，终轧温度为820～950℃。轧后进入ACC冷却(加速冷却)，冷却速率控制在5～10℃/s，终冷温度为400～550℃。可细化铁素体晶粒，且产生细小的第二相粒子，提高细晶强化和析出强化的效果。
热处理工艺：(1)等温球化退火：第一阶段等温退火保温温度为830～880℃，保温时间为1～3h；第二阶段等温退火保温温度为730～780℃，保温时间为1～3h。降低热作模具钢硬度，均匀组织，为下一步工艺做准备。(2)调质工艺：淬火温度为1050～1150℃，保温30～50min，采用油淬，淬火后立即进行回火，回火温度为550～650℃，保温2～4h，每次回火之间均冷却至室温，回火2～3次。可获得强度、硬度和韧性配合的性能，提高该种热作模具钢的综合性能。
有益效果：
本发明在目前研究成果及生产实际的基础上，利用稀土元素在热作模具钢中的作用及对热作模具钢冲击韧性和等向性能的影响，对热作模具钢成分及制备方法进行设计研究，发现此热作模具钢横向冲击功处于37.0～41.8J之间，纵向冲击功处于43.2～45.7J之间。钢板均匀度达3HRC，基本处于47～49HRC之间。等向性能达到0.85～0.91，具有优异的综合性能，超过国内外优质热作模具钢。
具体实施方式
以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
表1为实施例钢的化学成分；表2为实施例钢的热轧工艺；表3为实施例钢的热处理工艺；表4为终态钢板的洛氏硬度性能；表5为热作模具钢冲击性能及等向性能。
表1本发明实施例化学成分，wt％
实施例 C Cr Si Mn Mo V P S Gd La Y
1 0.50 6.0 0.90 0.40 1.30 0.80 0.012 0.02 0.20 0.12 0.14
2 0.48 5.8 1.00 0.50 1.20 0.90 0.013 0.03 0.25 0.15 0.15
3 0.55 5.6 0.98 0.45 1.40 0.70 0.011 0.02 0.18 0.13 0.12
4 0.53 6.2 1.05 0.30 1.50 1.00 0.012 0.015 0.15 0.11 0.10
5 0.47 5.5 0.87 0.35 1.29 0.60 0.010 0.03 0.16 0.1 0.125
6 0.45 6.5 0.93 0.38 1.47 0.64 0.013 0.02 0.17 0.14 0.11
7 0.52 5.7 0.85 0.47 1.25 0.85 0.012 0.03 0.21 0.135 0.13
8 0.49 6.1 1.10 0.42 1.45 0.78 0.011 0.02 0.19 0.128 0.145
表2实施例钢的热轧工艺
Figure BDA0001332047370000061
表3实施例钢的热处理工艺
Figure BDA0001332047370000062
表4终态钢板洛氏硬度性能
Figure BDA0001332047370000071
表5热作模具钢等向性能
Figure BDA0001332047370000081
由表可知，横向冲击功处于37.0～41.8J之间，纵向冲击功处于43.2～45.7J之间。钢板均匀度达3HRC，基本处于47～49HRC之间。等向性能达到0.85～0.91，已经超过国内外优质热作模具钢。

Claims (1)

1.一种热作模具钢的制备方法，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.47％～0.55％，Cr：5.80％～6.50％，Si：0.85％～1.10％，Mn：0.30％～0.50％，Mo：1.25％～1.47％，V：0.60％～0.90％，P：0.010％～0.013％，S：0.015％～0.03％，Gd：0.15％～0.25％，La：0.10％～0.15％，Y：0.10％～0.15％，其余为Fe和不可避免的杂质；
钢板的生产工艺为：包括铁水预处理，电炉冶炼、铸造、热轧、热处理，其中，热轧工艺中，钢坯的加热温度为1200～1280℃，保温2～4h，控制开轧温度为1150～1250℃，终轧温度为820～950℃，轧后进入ACC冷却，冷却速率控制在5～10℃/s，终冷温度为400～550℃；
热处理采用等温球化退火和调质处理工艺：(1)等温球化退火：第一阶段等温退火保温温度为830～880℃，保温时间为1～3h；第二阶段等温退火保温温度为730～780℃，保温时间为1～3h；(2)调质工艺：淬火温度为1050～1150℃，保温30～50min，采用油淬，淬火后立即进行回火，回火温度为550～650℃，保温2～4h，每次回火之间均冷却至室温，回火2～3次。
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