CN109136765B - 一种热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

一种热作模具钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热作模具钢，其为Cr3系马氏体型热作模具钢，包含以下合金元素：C 0.35～0.42％，Si 0.80～1.20％，Mn 0.30～0.60％，Cr 2.50～3.50％，Mo 2.30～3.20％，V 0.45～0.65％，P＜0.015％，S＜0.002％，Fe余量。本发明还公开了一种热作模具钢的制备方法，包括配料、冶炼、浇涛，电渣重熔；高温扩散退火，多向锻造热加工；预备热处理；最终热处理。本发明制备的钢具有高的热稳定性、热强性及良好的韧性等优势，满足当前模具制造对其材料的高温性能要求。

Description

一种热作模具钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金钢制造领域，具体涉及一种热作模具钢及其制备方法。
背景技术
热稳定性、热强性及韧性是热作模具钢极为重要的性能指标，关系到其服役寿命的长短。目前国内常用的热作模具钢为Cr5系热作模具钢，如：4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV和4Cr5Mo2V等，其具有良好的淬透性、淬硬性、强韧性及冷热疲劳性能。其中使用最为广泛的热作模具钢为4Cr5MoSiV1，其具体的化学成分质量百分比为C 0.32～0.45％、Cr 4.75～5.50t％、Mo 1.20～1.75％、V 0.80～1.20％、Si 0.80～1.2％、Mn 0.20～0.5％、P≤0.030％、S≤0.005％。其中含有较高的Cr、Mo和V元素，属于过共析钢。4Cr5MoSiV1的冶金制造方法是采用电炉熔炼加电渣重熔，然后锻造成材。该钢在冶炼过程中由于Cr和V元素含量较高，成材后的组织中存在大量的大块液析碳化物，使得材料的韧性不足，容易出现早期开裂失效。除此以外，由于4Cr5MoSiV1中含有大量的Cr元素，其回火态二次碳化物容易在服役条件下长大粗化和发生类型转变，而且回火马氏体中的合金元素也容易析出而降低钢的强度，故其高温性能不佳，一般使用温度不能超过600℃。
发明内容
针对现有Cr5系热作模具钢存在的技术缺陷，本发明提供了一种Cr3系马氏体型热作模具钢及其制备和热处理方法，以满足国内市场对于高热稳定性及热强性热作模具钢的需求。其具体技术方案如下：
本发明在第一方面提供了一种热作模具钢，其为Cr3系马氏体型热作模具钢，包含以下合金元素(重量百分比)：C 0.35～0.42％，Si 0.80～1.20％，Mn 0.30～0.60％，Cr2.50～3.50％，Mo 2.30～3.20％，V 0.45～0.65％，P＜0.015％，S＜0.002％，Fe余量。
在较优实施例中，上述热作模具钢包含以下合金元素(重量百分比)：C 0.38％，Si1.10％，Mn 0.50％，Cr 2.50％，Mo 3.00％，V 0.50％，P 0.010％，S 0.001％，Fe余量。
本发明在第二方面提供了一种热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、电炉冶炼：按照Cr3系马氏体型热作模具钢的化学成分及重量百分比：C0.35～0.42％，Si 0.80～1.20％，Mn 0.30～0.60％，Cr 2.50～3.50％，Mo 2.30～3.20％，V 0.45～0.65％，P＜0.015％，S＜0.002％，Fe余量，配料后放入电炉中进行熔炼，然后经过精炼、真空脱气，浇铸成电极棒，最后电渣重熔成电渣锭，备用；
步骤2、高温扩散退火：对电渣锭进行高温扩散退火，以均匀组织、消除合金成分偏析和液析碳化物；
步骤3、锻造：将经高温扩散退火的电渣锭进行多向锻造加工；
步骤4、预备热处理：对锻造成形后的锻坯进行固溶处理，然后水冷；再采用两段式等温球化退火工艺对锻坯进行处理；
步骤5、最终热处理：将预备热处理后的锻坯置于真空炉中进行奥氏体化，高压气淬冷却后出炉，随后进行回火热处理。
优选地，本发明还提供了一种热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、电炉冶炼：按照Cr3系马氏体型热作模具钢的化学成分及重量百分比：C0.38％，Si 1.10％，Mn 0.50％，Cr 2.50％，Mo 3.00％，V 0.50％，P 0.010％，S 0.001％，Fe余量，配料后放入电炉中进行熔炼，然后经过精炼、真空脱气，浇铸成电极棒，最后电渣重熔成电渣锭，备用；
步骤2、高温扩散退火：对电渣锭进行高温扩散退火，以均匀组织、消除合金成分偏析和液析碳化物；
步骤3、锻造：将经高温扩散退火的电渣锭进行多向锻造加工；
步骤4、预备热处理：对锻造成形后的锻坯进行固溶处理，然后水冷；再采用两段式等温球化退火工艺对锻坯进行处理；
步骤5、最终热处理：将预备热处理后的锻坯置于真空炉中进行奥氏体化，高压气淬冷却后出炉，随后进行回火热处理。
优选地，上述步骤2中，在1250～1280℃温度范围内进行高温扩散退火，保温时间不小于12小时。
优选地，上述步骤3中，多向锻造加工在1100～1200℃温度范围内进行，终锻温度≥900℃。
优选地，上述步骤3中，镦粗比≥2，两镦两拔。
优选地，上述步骤4中，固溶处理在1050～1100℃温度范围内进行，然后水冷至250℃以下；两段式等温球化退火工艺的第一段温度为820～880℃；第二段温度为720～780℃。
优选地，上述步骤5中，奥氏体化在1000～1050℃温度范围内进行，高压气淬冷却至80℃以下出炉。
优选地，上述步骤5中，回火热处理在540～620℃温度范围内进行，回火次数为2～3次。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：大幅度改善了目前常用的Cr5系热作模具钢由于Cr系碳化物在回火过程中不稳定，易于转变和粗化，而大大降低其热稳定性能；以及V含量较高生成较多液析碳化物，后续无法消除，导致冲击韧性较低等性能缺陷，通过增加Mo元素，显著提高本发明钢的热稳定性和淬透性。与Cr5系热作模具钢相比，本发明钢具有更佳的高温抗回火软化性能和热强性，且将当前非常昂贵的V元素减少了一半，经济性更加突出，节约了合金成本，也符合目前国内可持续、经济型的发展模式。
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制备得到的钢的退火组织、淬火组织和回火组织；
图2示出了本发明较优实施例中制备得到的钢的回火特性曲线；
图3示出了本发明较优实施例中制备得到的钢与4Cr5MoSiV1钢620℃热稳定性对比；
图4示出了本发明较优实施例中制备得到的钢与4Cr5MoSiV1钢高温抗拉性能对比。
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。
实施例1
本实例中，采用Cr3系马氏体型热作模具钢的化学成分及其重量百分比如下：
Figure BDA0001815213080000031
本实施例中，Cr3系马氏体型热作模具钢的工艺过程和步骤如下：
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，然后浇铸成电极棒，最后电渣重熔成φ600mm电渣锭，备用。
步骤2、高温扩散退火：将电渣锭加热至1250℃保温12小时进行高温扩散退火，均匀组织，消除合金成分偏析和液析碳化物。
步骤3、锻造：将上述电渣锭温度调整到1100℃进行多向锻造加工；镦粗比≥2，两镦两拔，终锻温度≥900℃。
步骤4、预备热处理：将锻造成形后的锻坯(截面尺寸300×800mm)加热到1050℃进行固溶处理，然后放入水槽中进行水冷，冷至250℃以下。然后采用两段式等温球化退火工艺：第一段温度为875℃；第二段温度为765℃。
步骤5、最终热处理：从预备热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℃、620℃和560℃三次回火热处理。
经过上述制造工艺后，进行性能测试：
1、金相组织
按照上述热处理方法后的退火组织、淬火组织和回火组织如附图1所示。
2、回火特性
淬火后的回火硬度随回火温度变化的特性曲线如附图2所示。
3、硬度测试
淬火硬度：55.4～57.3HRC，回火硬度46.6～48.2HRC。
4、冲击韧性试验：
按照NADCA#207-90标准取样，试样尺寸为7×10×55mm，进行无缺口试验。室温冲击功值：360～385J。
5、热稳定性
本实施例中制备得到的钢在620℃条件下与4Cr5MoSiV1进行稳定性对比实验，4Cr5MoSiV1经过淬回火处理之后使其硬度值与本实施例钢接近，均为48HRC左右。在620℃保温20h，硬度从48.0HRC降到42.6HRC，降幅为5.4HRC，如附图3所示。
6、热强性
在室温到700℃范围内，本实施例钢的抗拉强度从1842MPa降低到405MPa，如附图4所示。
实施例2
本实例中，采用Cr3系马氏体型热作模具钢的化学成分及其重量百分比如下：
Figure BDA0001815213080000051
本实施例中，Cr3系马氏体型热作模具钢的工艺过程和步骤如下：
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，然后浇铸成电极棒，最后电渣重熔成φ600mm电渣锭，备用。
步骤2、高温扩散退火：将电渣锭加热至1280℃保温15小时进行高温扩散退火，均匀组织，消除合金成分偏析和液析碳化物。
步骤3、锻造：将上述电渣锭温度调整到1200℃进行多向锻造加工；镦粗比≥2，两镦两拔，终锻温度≥900℃。
步骤4、预备热处理：将锻造成形后的锻坯(截面尺寸300×800mm)加热到1100℃进行固溶处理，然后放入水槽中进行水冷，冷至250℃以下。然后采用两段式等温球化退火工艺：第一段温度为880℃；第二段温度为780℃。
步骤5、最终热处理：从预备热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1000℃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℃、600℃和550℃三次回火热处理。
成品模块截面尺寸为350×810mm，对其进行力学性能测试：
1、回火特性
淬火后的回火硬度随回火温度变化的特性曲线如附图2所示。
2、硬度测试
淬火硬度：54.5～56.5HRC，回火硬度46.0～48.0HRC。
3、冲击韧性试验：
按照NADCA#207-90标准取样，试样尺寸为7×10×55mm，进行无缺口试验。室温冲击功值：372～390J。
4、热稳定性
本实施例中制备得到的钢在620℃条件下与4Cr5MoSiV1进行稳定性对比实验，4Cr5MoSiV1经过淬回火处理之后使其硬度值与本实施例钢接近，均为48HRC左右。在620℃保温20h，硬度从48.0HRC降到41.6HRC，降幅为6.4HRC，如附图3所示。
5、热强性
在室温到700℃范围内，本实施例钢的抗拉强度从1762MPa降低到355MPa，如附图4所示。
实施例3
本实例中，采用Cr3系马氏体型热作模具钢的组成成分及其重量百分比如下：
Figure BDA0001815213080000061
本实施例中，Cr3系马氏体型热作模具钢的工艺过程和步骤如下：
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，然后浇铸成电极棒，最后电渣重熔成φ600mm电渣锭，备用。
步骤2、高温扩散退火：将电渣锭加热至1270℃保温12小时进行高温扩散退火，均匀组织，消除合金成分偏析和液析碳化物。
步骤3、锻造：将上述电渣锭温度调整到1200℃温度范围内进行多向锻造加工；镦粗比≥2，两镦两拔，终锻温度≥900℃。
步骤4、预备热处理：将锻造成形后的锻坯(截面尺寸300×800mm)加热到1080℃进行固溶处理，然后放入水槽中进行水冷，冷至250℃以下。然后采用两段式等温球化退火工艺：第一段温度为820℃；第二段温度为720℃。
步骤5、最终热处理：从预备热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℃、610℃和550℃三次回火热处理。
成品模块尺寸为420×910mm，对其进行力学性能测试：
1、回火特性：
淬火后的回火硬度随回火温度变化的特性曲线如附图2所示。
2、硬度测试
淬火硬度：55.1～56.9HRC，回火硬度45.8～47.5HRC。
3、冲击韧性试验：
按照NADCA#207-90标准取样，试样尺寸为7×10×55mm，进行无缺口试验。室温冲击功值：370～385J。
4、热稳定性
本实施例钢在620℃条件下与4Cr5MoSiV1进行稳定性对比实验，4Cr5MoSiV1经过淬回火处理之后使其硬度值与本实施例钢接近，均为48HRC左右。在620℃保温20h，硬度从48.0HRC降到42.0HRC，降幅为6HRC如附图3所示。
5、热强性
在室温到700℃范围内，本实施例钢抗拉强度从1788MPa降低到381MPa，如附图4所示。
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 (2)

1.一种热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、电炉冶炼：按照Cr3系马氏体型热作模具钢的化学成分及重量百分比：C 0.35～0.42％，Si 0.80～1.20％，Mn 0.30～0.60％，Cr 2.50～3.50％，Mo 2.30～3.20％，V 0.45～0.65％，P＜0.015％，S＜0.002％，Fe余量，配料后放入电炉中进行熔炼，然后经过精炼、真空脱气，浇铸成电极棒，最后电渣重熔成电渣锭，备用；
步骤2、高温扩散退火：对所述电渣锭进行高温扩散退火，以均匀组织、消除合金成分偏析和液析碳化物，其中，在1250～1280℃温度范围内进行高温扩散退火，保温时间不小于12小时；
步骤3、锻造：将经高温扩散退火的所述电渣锭进行多向锻造加工，其中，多向锻造加工在1100～1200℃温度范围内进行，终锻温度≥900℃，镦粗比≥2，两镦两拔；
步骤4、预备热处理：对锻造成形后的锻坯进行固溶处理，然后水冷；再采用两段式等温球化退火工艺对所述锻坯进行处理，其中，固溶处理在1050～1100℃温度范围内进行，然后水冷至250℃以下；两段式等温球化退火工艺的第一段温度为820～880℃；第二段温度为720～780℃；
步骤5、最终热处理：将预备热处理后的所述锻坯置于真空炉中进行奥氏体化，高压气淬冷却后出炉，随后进行回火热处理，其中，奥氏体化在1000～1050℃温度范围内进行，高压气淬冷却至80℃以下出炉，回火热处理在540～620℃温度范围内进行，回火次数为2～3次。
2.根据权利要求1所述的一种热作模具钢的制备方法，其特征在于，
步骤1中，按照Cr3系马氏体型热作模具钢的化学成分及重量百分比：C 0.38％，Si1.10％，Mn 0.50％，Cr 2.50％，Mo 3.00％，V 0.50％，P 0.010％，S 0.001％，Fe余量。
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