CN109321826A - 一种高锰低铬型热作模具钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高锰低铬型热作模具钢及其制备方法，属于热作模具钢技术领域。本发明以高锰低铬型热作模具钢的质量百分数计，包括C 0.35~0.45%、Si 0.50~1.20%、Mn 0.60~1.20%、Cr 3.75~4.50%、Mo 0.80~1.20%、V 0.30~0.60%、Co 0.50~5.50%、Ni 0.80~3.00%、P＜0.02%、S＜0.02%，余量为Fe和不可避免杂质。本发明的高锰低铬型热作模具钢经过配料、熔炼、浇涛、电渣重熔、高温均质化处理、锻造、退火、热处理的工艺进行制备。与现有H13热作模具钢相比，本发明的高锰低铬型热作模具钢具有更高的强韧性和高的热稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种高锰低铬型热作模具钢及其制备方法，属于热作模具钢技术领域。
背景技术
模具是工业发展的基础，是现代制造业发展水平的标志之一。没有高水平的模具，就不会有高水平的工业产品。模具成型如精密冲压、精密锻造、压力铸造、冷挤压、热挤压等新工艺代替传统的切削加工工艺能大幅度降低产品成本、提高产品质量和生产效率、改善材料利用率、节约资源。
热作模具是用于热态金属成型主要工具，如热锻模、热挤压模、压铸模等。由于热作模具服役条件复杂，工作特点是长时间在高温高压、激冷激热条件下承受交变载荷，容易使模具表面产生热疲劳裂纹而失效。因此要求热作模具钢应具备高而均匀的硬度、高的强韧性和淬透性、高的抗回火稳定性及良好的抗热疲劳性能。
热作模具钢属于中碳合金钢，在凝固过程中碳及合金元素易在树枝晶间剩余的残液内富集，尤其是高富集的碳与铬元素易以共晶方式形成不规则粗大的M7C3、 M3C(M=Fe,Cr)等共晶碳化物。不规则粗大的共晶碳化物具有高的硬度和脆性，在热处理或使用过程中的应力作用下，不规则碳化物尖端易形成应力集中和显微裂纹而降低模具的使用性能和使用寿命。
目前广泛使用的典型热作模具钢主要是3Cr2W8V和H13钢。3Cr2W8V因合金总含量高，具有较高的强度和硬度、耐冷热疲劳性良好和较好的淬透性，但其韧性和塑性较差，只适用制作高温、高应力下，不受冲击负荷的凸模、凹模。H13钢有高的淬透性、高的韧性和抗热裂能力，但回火二次硬化能力较差，使用温度高于540℃时硬度迅速下降，即H13钢服役的最高工作温度为540℃。随着社会经济和工业的发展，模具服役条件日益苛刻，同时人们对生产效率、产品质量及资源和环境问题的日益关注，现代制造业对模具的使用性能和服役寿命提出更高的要求。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，热作模具钢服役环境的特殊性，采用多元复合强化原理，提供一种具有更高强韧性和抗回火稳定性的高锰低铬型热作模具钢及其制备方法，本发明的高锰低铬型热作模具钢不仅具有高的硬度，而且具有高的韧性和热稳定性。
一种高锰低铬型热作模具钢，以高锰低铬型热作模具钢的质量百分数计，包括C0.35~0.45%、Si 0.50~1.20%、Mn 0.60~1.20%、Cr 3.75~4.50%、Mo 0.80~1.20%、V 0.30~0.60%、Co 0.50~5.50%、Ni 0.80~3.00%、P＜0.02%、S＜0.02%，余量为Fe和不可避免杂质。
本发明所述高锰低铬型热作模具钢的制备方法，具体步骤为：
（1）按照高锰低铬型热作模具钢的化学成分进行配料：C 0.35~0.45%、Si 0.50~1.20%、Mn 0.60~1.20%、Cr 3.75~4.50%、Mo 0.80~1.20%、V 0.30~0.60%、Co 0.50~5.50%、Ni 0.80~3.00%、P＜0.02%、S＜0.02%，余量为Fe和不可避免杂质；
（2）将步骤（1）所配物料加入到感应炉或电炉中进行感应熔炼或电弧炉熔炼得到钢水；
（3）将步骤（2）熔炼的钢水搅拌均匀，然后进行浇铸得到钢锭Ⅰ，再将钢锭Ⅰ进行电渣重熔得到重熔钢水，重熔钢水经结晶器冷却结晶得到钢锭Ⅱ；
（4）高温均质化处理：将步骤（3）的钢锭Ⅱ加热匀速升温至温度为1230~1280℃并进行高温均质化处理8~10h；
（5）将步骤（4）高温均质化处理的钢锭Ⅱ加热匀速升温至温度为1150~1180℃进行保温至钢锭Ⅱ透烧进行锻造处理得到锻造钢，其中锻造处理的始锻温度为1100~1150℃，终锻温度≥900℃；
（6）退火处理：将步骤（5）的锻造钢置于温度为850~880℃下进行退火保温处理8~10h，随炉冷却至温度为500~550℃，然后出炉空冷或埋砂冷却得到预制钢料；
（7）热处理：将步骤（6）的预制钢料加热至温度为1000~1100℃进行奥氏体化至预制钢料完全奥氏体化，淬入油中进行硬化处理，再置于温度为520~620℃下进行两次回火处理得到高锰低铬型热作模具钢，其中每次回火处理的时间为2~4h；
进一步地，所述步骤（2）中熔炼温度为1580~1650℃。
本发明的有益效果：
（1）与传统铬系热作模具钢（H13钢）相比，本发明高锰低铬型热作模具钢降低Cr和Mo的含量，增加Mn含量，并复合添加Ni和Co元素，使得高锰低铬型热作模具钢不仅具有高的硬度，而且具有高的冲击韧性和热稳定性；
（2）本发明的Cr元素为强碳化物形成元素，在凝固过程中易与C形成液析碳化物（Cr7C3），这类碳化物不规则且熔点较高，在热处理奥氏体化过程中不能消除，大块不规则的碳化物不仅降低材料的热稳定性，同时容易成为疲劳裂纹源，降低材料的热疲劳抗力，因此本发明降低了热作模具钢的铬含量，减少了液析碳化物的形成；
（3）本发明的Mo元素为强碳化物形成元素，但是造价高昂，使得传统铬系热作模具钢（H13钢）的经济学较差；
（4）本发明的Mn元素为弱碳化物形成元素，在奥氏体化的过程中，大部分溶入到了基体当中，提高了基体中的合金含量，提高淬透性，增强了固溶强化作用，从而提高基体的强度，更好地抵抗材料的热循环应力，提高热疲劳抗力；
（5）本发明的Si、Ni、Co元素的复合添加，能够促使强碳化物形成元素形成细小弥散的MC型碳化物，不易聚集长大，在回火过程中，增强二次硬化效果，极大的提高钢的热稳定性和冲击韧性；能提高钢的强度和硬度，降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性，提高钢的耐热性；提高钢的强度,而不降低其塑性,改善钢的低温韧性,降低钢的临界冷却速度,提高钢的淬透性；并且非碳化物形成元素的固溶强化作用，赋予钢更好的红硬性和热强性，改善钢的高温性能和抗氧化以及耐腐蚀性能，提高钢的马氏体相变开始点即Ms点。
附图说明
图1为实施例1高锰低铬型热作模具钢与H13钢热稳定性硬度对比图；
图2为实施例2高锰低铬型热作模具钢与H13钢的冲击实验对比图；
图3为实施例3高锰低铬型热作模具钢与H13钢在不同回火温度下的硬度对比图；
图4为实施例4高锰低铬型热作模具钢与H13钢不同回火温度的硬度对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：以本实施例高锰低铬型热作模具钢的质量百分数计，包括C 0.35%、Si0.50%、Mn 0.60%、Cr 3.75%、Mo 0.80%、V 0.30%、Co 0.50%、Ni 0.80%、P 0.006%、S 0.004%，余量为Fe和不可避免杂质；
一种高锰低铬型热作模具钢的制备方法，具体步骤为：
（1）按照高锰低铬型热作模具钢的化学成分称取生铁、硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁钴、镍进行配料；
（2）将步骤（1）所配物料加入到感应炉中进行感应熔炼得到钢水，其中熔炼温度为1640℃；
（3）将步骤（2）熔炼的钢水搅拌均匀，然后进行浇铸得到Φ80mm的钢锭Ⅰ，再将钢锭Ⅰ作为自耗电极放置于电渣重熔装置中进行电渣重熔得到重熔钢水，重熔钢水经过渣池的渣层下落至水冷结晶器中经结晶器冷却结晶得到钢锭Ⅱ；
（4）高温均质化处理：将步骤（3）的钢锭Ⅱ加热匀速升温至温度为1230℃并进行高温均质化处理10h；
（5）将步骤（4）高温均质化处理的钢锭Ⅱ加热匀速升温至温度为1150℃进行保温至钢锭Ⅱ透烧进行锻造处理得到锻造钢，其中锻造处理的始锻温度为1100℃，终锻温度为900℃；
（6）退火处理：将步骤（5）的锻造钢置于温度为860℃下进行退火保温处理10h，随炉冷却至温度为500℃，然后出炉空冷或埋砂冷却得到预制钢料；
（7）热处理：将步骤（6）的预制钢料加热至温度为1030℃进行奥氏体化至预制钢料完全奥氏体化，淬入油中进行硬化处理，再置于温度为560℃下进行两次回火处理得到高锰低铬型热作模具钢，其中每次回火处理的时间为2h；
性能测试：本实施例的高锰低铬型热作模具钢力学性能测试：
（1）淬火硬度：52.5HRC；回火硬度：47 HRC
（2）热稳定性：
本实施例高锰低铬型热作模具钢在620℃条件下与常用的H13钢进行热稳定性对比实验，H13钢经过淬回火处理之后使其硬度值与本实施例钢相近，均为45.5～47HRC，试验结果如附图1所示，从图1可知，在温度为620℃保温22h的过程中，本实施例高锰低铬型热作模具钢从热稳定实验开始，直至实验结束，其硬度值均高于H13钢；本实施例高锰低铬型热作模具钢保温时间增加至32h的硬度为33HRC，而H13钢保温22h的硬度值已降至32HRC；对比相同保温时间22h，本实施例高锰低铬型热作模具钢的硬度值高出H13钢4HRC，其热稳定性明显优于H13钢。
实施例2：以本实施例高锰低铬型热作模具钢的质量百分数计，包括C0.40%、Si0.80%、Mn0.80%、Cr4.00%、Mo1.00%、V0.40%、Co2.50%、Ni1.50%、P0.006%、S0.004%，余量为Fe和不可避免杂质；
一种高锰低铬型热作模具钢的制备方法，具体步骤为：
（1）按照高锰低铬型热作模具钢的化学成分称取生铁、硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁钴、镍进行配料；
（2）将步骤（1）所配物料加入到感应炉中进行感应熔炼得到钢水，其中熔炼温度为1640℃；
（3）将步骤（2）熔炼的钢水搅拌均匀，然后进行浇铸得到Φ80mm的钢锭Ⅰ，再将钢锭Ⅰ作为自耗电极放置于电渣重熔装置中进行电渣重熔得到重熔钢水，重熔钢水经过渣池的渣层下落至水冷结晶器中经结晶器冷却结晶得到钢锭Ⅱ；
（4）高温均质化处理：将步骤（3）的钢锭Ⅱ加热匀速升温至温度为1230℃并进行高温均质化处理10h；
（5）将步骤（4）高温均质化处理的钢锭Ⅱ加热匀速升温至温度为1150℃进行保温至钢锭Ⅱ透烧进行锻造处理得到锻造钢，其中锻造处理的始锻温度为1100℃，终锻温度为900℃；
（6）退火处理：将步骤（5）的锻造钢置于温度为860℃下进行退火保温处理10h，随炉冷却至温度为500℃，然后出炉空冷或埋砂冷却得到预制钢料；
（7）热处理：将步骤（6）的预制钢料加热至温度为1040℃进行奥氏体化至预制钢料完全奥氏体化，淬入油中进行硬化处理，再置于温度为580℃下进行两次回火处理得到高锰低铬型热作模具钢，其中每次回火处理的时间为2h；
性能测试：本实施例的高锰低铬型热作模具钢力学性能测试：
（1）淬火硬度：53HRC；回火硬度：48HRC
（2）冲击韧性实验：
在本实施例高锰低铬型热作模具钢坯料上取横向冲击试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm（不开缺口）。高锰低铬型热作模具钢经1040℃淬火后在580℃条件下与常用的H13钢进行冲击韧性对比实验，试验结果如附图2所示，从图2可知，本实施例与H13钢经相同工艺处理后，其冲击韧性明显优于H13钢。
实施例3：以本实施例高锰低铬型热作模具钢的质量百分数计，包括C0.42%、Si1.00%、Mn1.00%、Cr4.20 %、Mo1.10%、V0.50%、Co4.50%、Ni2.50%、P0.006%、S0.004%，余量为Fe和不可避免杂质；
一种高锰低铬型热作模具钢的制备方法，具体步骤为：
（1）按照高锰低铬型热作模具钢的化学成分称取生铁、硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁钴、镍进行配料；
（2）将步骤（1）所配物料加入到电炉中进行电炉熔炼得到钢水，其中熔炼温度为1640℃；
（3）将步骤（2）熔炼的钢水搅拌均匀，然后进行浇铸得到Φ80mm的钢锭Ⅰ，再将钢锭Ⅰ作为自耗电极放置于电渣重熔装置中进行电渣重熔得到重熔钢水，重熔钢水经过渣池的渣层下落至水冷结晶器中经结晶器冷却结晶得到钢锭Ⅱ；
（4）高温均质化处理：将步骤（3）的钢锭Ⅱ加热匀速升温至温度为1230℃并进行高温均质化处理10h；
（5）将步骤（4）高温均质化处理的钢锭Ⅱ加热匀速升温至温度为1150℃进行保温至钢锭Ⅱ透烧进行锻造处理得到锻造钢，其中锻造处理的始锻温度为1100℃，终锻温度为900℃；
（6）退火处理：将步骤（5）的锻造钢置于温度为860℃下进行退火保温处理10h，随炉冷却至温度为500℃，然后出炉空冷或埋砂冷却得到预制钢料；
（7）热处理：将步骤（6）的预制钢料加热至温度为1050℃进行奥氏体化至预制钢料完全奥氏体化，淬入油中进行硬化处理，再置于温度为560-700℃下进行两次回火处理，其中每次回火处理的时间为2h；
性能测试：本实施例的高锰低铬型热作模具钢力学性能测试：
本实施例与H13钢回火硬度对比试验，实验结果如图3所示。由图3可知，在560-580℃区间回火，本实施例的硬度与H13钢相近。在600-700℃区间回火，本实施例的硬度值均高于H13钢，本实施例具有更好的抗回火稳定性。
实施例4：以本实施例高锰低铬型热作模具钢的质量百分数计，包括C0.45%、Si1.20%、Mn1.20%、Cr4.50%、Mo1.20%、V0.60%、Co5.50%、Ni3.00%、P0.006%、S0.004%，余量为Fe和不可避免杂质；
一种高锰低铬型热作模具钢的制备方法，具体步骤为：
（1）按照高锰低铬型热作模具钢的化学成分称取生铁、硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、钒铁钴、镍进行配料；
（2）将步骤（1）所配物料加入到电炉中进行电炉熔炼得到钢水，其中熔炼温度为1640℃；
（3）将步骤（2）熔炼的钢水搅拌均匀，然后进行浇铸得到Φ80mm的钢锭Ⅰ，再将钢锭Ⅰ作为自耗电极放置于电渣重熔装置中进行电渣重熔得到重熔钢水，重熔钢水经过渣池的渣层下落至水冷结晶器中经结晶器冷却结晶得到钢锭Ⅱ；
（4）高温均质化处理：将步骤（3）的钢锭Ⅱ加热匀速升温至温度为1230℃并进行高温均质化处理10h；
（5）将步骤（4）高温均质化处理的钢锭Ⅱ加热匀速升温至温度为1150℃进行保温至钢锭Ⅱ透烧进行锻造处理得到锻造钢，其中锻造处理的始锻温度为1100℃，终锻温度为900℃；
（6）退火处理：将步骤（5）的锻造钢置于温度为860℃下进行退火保温处理10h，随炉冷却至温度为500℃，然后出炉空冷或埋砂冷却得到预制钢料；
（7）热处理：将步骤（6）的预制钢料加热至温度为1060℃进行奥氏体化至预制钢料完全奥氏体化，淬入油中进行硬化处理，再置于温度为200-650℃下进行两次回火处理，其中每次回火处理的时间为2h；
性能测试：本实施例的高锰低铬型热作模具钢力学性能测试：
本实施例经1060℃淬火后在200-650℃区间回火2小时2次后的硬度试验如图4所示。从图4可知，本实施例在500-560℃区间回火产生二次硬化效应，其硬度值最高达54-56HRC，表明该实施例具有良好的高温热强性。
Claims (3)
1.一种高锰低铬型热作模具钢，其特征在于：以高锰低铬型热作模具钢的质量百分数计，包括C 0.35~0.45%、Si 0.50~1.20%、Mn 0.60~1.20%、Cr 3.75~4.50%、Mo 0.80~1.20%、V0.30~0.60%、Co 0.50~5.50%、Ni 0.80~3.00%、P＜0.02%、S＜0.02%，余量为Fe和不可避免杂质。
2.权利要求1所述高锰低铬型热作模具钢的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）按照高锰低铬型热作模具钢的化学成分进行配料：C 0.35~0.45%、Si 0.50~1.20%、Mn 0.60~1.20%、Cr 3.75~4.50%、Mo 0.80~1.20%、V 0.30~0.60%、Co 0.50~5.50%、Ni 0.80~3.00%、P＜0.02%、S＜0.02%，余量为Fe和不可避免杂质；
（2）将步骤（1）所配物料加入到感应炉或电炉中进行感应熔炼或电弧炉熔炼得到钢水；
（3）将步骤（2）熔炼的钢水搅拌均匀，然后进行浇铸得到钢锭Ⅰ，再将钢锭Ⅰ进行电渣重熔得到重熔钢水，重熔钢水经结晶器冷却结晶得到钢锭Ⅱ；
（4）高温均质化处理：将步骤（3）的钢锭Ⅱ加热匀速升温至温度为1230~1280℃并进行高温均质化处理8~10h；
（5）将步骤（4）高温均质化处理的钢锭Ⅱ加热匀速升温至温度为1150~1180℃进行保温至钢锭Ⅱ透烧进行锻造处理得到锻造钢，其中锻造处理的始锻温度为1100~1150℃，终锻温度≥900℃；
（6）退火处理：将步骤（5）的锻造钢置于温度为850~880℃下进行退火保温处理8~10h，随炉冷却至温度为500~550℃，然后出炉空冷或埋砂冷却得到预制钢料；
（7）热处理：将步骤（6）的预制钢料加热至温度为1000~1100℃进行奥氏体化至预制钢料完全奥氏体化，淬入油中进行硬化处理，再置于温度为520~620℃下进行两次回火处理得到高锰低铬型热作模具钢，其中每次回火处理的时间为2~4h。
3.根据权利要求1所述高锰低铬型热作模具钢的制备方法，其特征在于：步骤（2）中熔炼温度为1580~1650℃。
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2018
- 2018-10-24 CN CN201811242134.9A patent/CN109321826A/zh active Pending
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