CN109402335A - 一种渗钛层模具钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料，更具体地，本发明涉及一种渗钛层模具钢及其制备方法。本发明的第一方面提供了一种渗钛层模具钢，包含C，Si，P，S，Zr，Mo，Mg，Al，Nb，TiO2，铁族元素。

Description

一种渗钛层模具钢及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料，更具体地，本发明涉及一种渗钛层模具钢及其制备方法。
背景技术
模具，是工业生产的基础工艺装备，在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯等产品中，60～80％的零部件都依靠模具成型，因此模具被称为“百业之母”。随着模具市场逐年的发展扩大，生产模具的材料-模具钢的用量也在显著增加，其中热作模具钢钢的消耗量约占模具钢产品的30％以上。热作模具钢钢对硬度要求适当，侧重于红硬性，导热性，耐磨性。因此含碳量低，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性、红硬性为主。随着模具工业的迅速发展，对热作模具钢的使用寿命、加工精度提出了更高要求。渗钛层模具钢性能的好坏和使用寿命的长短，将直接影响加工产品的质量和生产的经济效益。
目前市场上制作出的渗钛层模具钢存在着热稳定性差，冲击韧性差，热疲劳性差的问题，因此，本领域需开发出一种热稳定性较好，抗冲击韧性好，热疲劳性和淬透性优异的渗钛层模具钢。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种渗钛层模具钢，包含C，Si，P，S，Zr，Mo，Mg，Al，Nb，TiO2，铁族元素。
作为本发明的一种优选技术方案，其中，按重量份计，包含3～8份C，2～6份Si，0.1～1份P，0.03～0.1份S，10～30份Zr，5～20份Mo，0.1～1份Mg，0.5～1.5份Al，8～25份Nb，5～15份TiO2，30～60份铁族元素。
作为本发明的一种优选技术方案，其中，按重量份计，包含5.5份C，4份Si，0.65份P，0.08份S，20份Zr，13份Mo，0.55份Mg，1.2份Al，18份Nb，12份TiO2，50份铁族元素。
作为本发明的一种优选技术方案，其中，铁族元素选自Mn、Cr、V、Co、Ni、Zn和Fe中的任一种或多种组合。
作为本发明的一种优选技术方案，其中，铁族元素包括Mn、Cr、V、Co以及Fe。
作为本发明的一种优选技术方案，其中，Mn、Cr、V、Co以及Fe的质量比为1：(1～4)：(0.8～2.5)：(0.6～1.2)：(5～15)。
作为本发明的一种优选技术方案，其中，Mn、Cr、V、Co以及Fe的质量比为1：3：2.0：0.9：10。
为了解决上述技术问题，本发明第二个方面提供了一种所述渗钛层模具钢的制备方法，包含如下步骤：
S1：冶炼工艺：熔炼，称取配方量的原料，除Cr、Mo以及TiO2，其他均置于1360～1500℃下熔炼至1/3时，放入配方量的Cr和Mo继续熔炼形成钢水；
S2：钢水铸成钢锭：钢锭模预热，注入钢水，保温7～8小时，使钢成分均匀化，脱模后缓慢冷却进行退火处理；
S3：锻造或轧制成型材：将所得钢锭加热至300℃～1150℃并透烧完全始锻；
S4：型材球化退火工艺；
S5：TD处理。
作为本发明的一种优选技术方案，其中，型材球化退火工艺的步骤为：保持升温速度60～80℃/小时升温至850℃，保温；随炉冷却至750℃，退火，最后随炉冷却至500～550℃，出炉空冷，表面精整。
作为本发明的一种优选技术方案，其中，TD处理过程为：在750～950℃下分别将基盐以及TiO2加入炉内，熟化，将事先预热处理的试样以吊挂的方式放入盐浴中保温6h；再将试样取出放在淬火油中冷却后出油空冷。
本发明的有益效果是：
本发明的渗钛层模具钢热稳定性优异，冲击韧性较好，耐热疲劳性以及淬透性优异。
具体实施方式
除非另有说明、从上下文暗示或属于现有技术的惯例，否则本申请中所有的份数和百分比都基于重量，且所用的测试和表征方法都是与本申请的提交日期同步的。如果现有技术中披露的具体术语的定义与本申请中提供的任何定义不一致，则以本申请中提供的术语定义为准。
下面结合具体实施方式对本发明提供技术方案中的技术特征作进一步清楚、完整的描述，并非对其保护范围的限制。
本发明中的词语“优选的”、“优选地”、“更优选的”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。本发明中所未详细提及的内容为现有技术。
为了解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种渗钛层模具钢，包含C，Si，P，S，Zr，Mo，Mg，Al，Nb，TiO2，铁族元素。
其中所述的C，Si，P，S，Zr，Mo，Mg，Al，Nb均指元素，下面出现的Mn、Cr、V、Co、Ni、Zn和Fe也均指元素。
优选地，在一种实施方式中，按重量份计，所述渗钛层模具钢包含3～8份C，2～6份Si，0.1～1份P，0.03～0.1份S，10～30份Zr，5～20份Mo，0.1～1份Mg，0.5～1.5份Al，8～25份Nb，5～15份TiO2，30～60份铁族元素。
进一步优选地，在一种实施方式中，按重量份计，所述渗钛层模具钢包含4～7份C，3～5份Si，0.3～0.8份P，0.05～0.09份S，15～25份Zr，10～15份Mo，0.3～0.8份Mg，0.8～1.4份Al，15～20份Nb，8～13份TiO2，40～55份铁族元素。
更优选地，在一种实施方式中，按重量份计，所述渗钛层模具钢包含5.5份C，4份Si，0.65份P，0.08份S，20份Zr，13份Mo，0.55份Mg，1.2份Al，18份Nb，12份TiO2，50份铁族元素。
在一种实施方式中，所述铁族元素选自Mn、Cr、V、Co、Ni、Zn和Fe中的任一种或多种组合。
优选地，在一种实施方式中，所述铁族元素包括Mn、Cr、V、Co以及Fe。
在一种实施方式中，所述Mn、Cr、V、Co以及Fe的质量比为1：(1～4)：(0.8～2.5)：(0.6～1.2)：(5～15)；优选地，所述Mn、Cr、V、Co以及Fe的质量比为1：3：2.0：0.9：10。
申请人发现，在控制Zr、Mg、V的质量，可以使产品的热稳定性最好，冲击韧性最好，耐热疲劳性性能优异以及淬透性性能最好。可能的原因为Zr偏聚到晶界，减少晶界缺陷，提高晶界结合力，降低晶界扩散速率，从而减缓位错攀移，能有效地阻止高温加热时晶粒的长大，少量加入可以抑制晶粒长大，从而提高强韧性，有效增加钢整体力学性能的均一性，降低钢的变形和开裂。若加入过多，则容易在钢液凝固过程中产生较多的大颗粒伪共晶碳化物，严重损害韧性。因此锆的含量优选重量份为10～30份。
镁可提高固溶处理的固溶温度，从而保证了绝大部分合金元素在高温时溶入奥氏体，加大了时效处理的析出强化效果。同时，镁在晶界偏聚降低晶界能和相界能，改善和细化晶界碳化物及其他晶界析出相的状态，使有害杂质形成低熔点的化合物MgS等，净化晶界。此外，由于Mg有过烧倾向，而V减弱了Mg的作用，且Mg能降低碳活度，使稳定性很好的VC溶点降低，从而在淬火温度下VC也能较多溶解，使钢获得较好的淬透性和回火稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明第二个方面提供了一种所述渗钛层模具钢的制备方法，包含如下步骤：
S1：冶炼工艺：熔炼，称取配方量的原料，除Cr、Mo以及Ti，其他均置于1360～1500℃下熔炼至1/3时，放入配方量的Cr和Mo继续熔炼形成钢水；
S2：钢水铸成钢锭：钢锭模预热，注入钢水，保温7～8小时，使钢成分均匀化，脱模后缓慢冷却进行退火处理；
S3：锻造或轧制成型材：将所得钢锭加热至300℃～1150℃并透烧完全始锻；
S4：型材球化退火工艺；
S5：TD处理。
在一种实施方式中，型材球化退火工艺的步骤为：保持升温速度60～80℃/小时升温至850℃，保温；随炉冷却至750℃，退火，最后随炉冷却至500～550℃，出炉空冷，表面精整。
优选地，型材球化退火工艺的步骤为：保持升温速度60～80℃/小时升温至850℃，保温8个小时；随炉冷却至750℃，退火8小时，以清除锻造过程中产生的应力，最后随炉冷却至500～550℃，出炉空冷，表面精整。
在一种实施方式中，TD处理过程为：在750～950℃下分别将基盐以及TiO2加入炉内，熟化，将事先预热处理的试样以吊挂的方式放入盐浴中保温6h；再将试样取出放在淬火油中冷却后出油空冷，其中TD模具表面超硬化处理技术，采用金属碳化物扩散覆层TD(Thermal Diffusion Carbide Coating Process)原理，是在一定的处理温度下将工件置于硼砂熔盐及其特种介质中，通过特种熔盐中的金属原子和工件中的碳、氮原子产生化学反应，扩散在工件表面而形成一层几微米至二十余微米的钒、铌、铬、钛等的金属碳化层。
优选地，TD处理过程为：在750～950℃分别将基盐以及TiO2加入炉内，在炉温达到950℃时，熟化0.5h；然后，将事先预热处理的试样以吊挂的方式放入盐浴中保温6h；最后，将试样取出放在淬火油中冷却至50～100℃后出油空冷。
在一种实施方式中，基盐为氯化钡与氯化钾；所述氯化钡与氯化钾的重量比为1：(0.8～1.2)；所述氯化钡与氯化钾的重量比为1：1。
更优选地，所述渗钛层模具钢的制备方法，包含如下步骤：
S1：冶炼工艺：熔炼，称取配方量的原料，除Cr、Mo以及Ti，其他均置于1400～1450℃下熔炼至1/3时，放入配方量的Cr和Mo继续熔炼形成钢水；
S2：钢水铸成钢锭：钢锭模预热，注入钢水，保温7.5小时，使钢成分均匀化，脱模后缓慢冷却进行退火处理；
S3：锻造或轧制成型材：将所得钢锭加热至1050℃并透烧完全始锻；
S4：型材球化退火工艺：保持升温速度75℃/小时升温至850℃，保温8个小时；随炉冷却至750℃，退火8小时，以清除锻造过程中产生的应力，最后随炉冷却至550℃，出炉空冷，表面精整；
S5：TD处理：在850℃分别将基盐以及TiO2加入炉内，在炉温达到950℃时，熟化0.5h；然后，将事先预热处理的试样以吊挂的方式放入盐浴中保温6h；最后，将试样取出放在淬火油中冷却至85℃后出油空冷，即得渗钛层模具钢。
下面以具体的实施例来说明。
实施例1
本发明的实施例1提供一种渗钛层模具钢，按重量份计，所述渗钛层模具钢包含5.5份C，4份Si，0.65份P，0.08份S，20份Zr，13份Mo，0.55份Mg，1.2份Al，18份Nb，12份TiO2，50份铁族元素；
所述铁族元素包括Mn、Cr、V、Co以及Fe，所述Mn、Cr、V、Co以及Fe的质量比为1：3：2.0：0.9：10；所述渗钛层模具钢的制备方法，包含如下步骤：
S1：冶炼工艺：熔炼，称取配方量的原料，除Cr、Mo以及Ti，其他均置于1400～1450℃下熔炼至1/3时，放入配方量的Cr和Mo继续熔炼形成钢水；
S2：钢水铸成钢锭：钢锭模预热，注入钢水，保温7.5小时，使钢成分均匀化，脱模后缓慢冷却进行退火处理；
S3：锻造或轧制成型材：将所得钢锭加热至1050℃并透烧完全始锻；
S4：型材球化退火工艺：保持升温速度75℃/小时升温至850℃，保温8个小时；随炉冷却至750℃，退火8小时，以清除锻造过程中产生的应力，最后随炉冷却至550℃，出炉空冷，表面精整；
S5：TD处理：在850℃分别将基盐以及TiO2加入炉内，在炉温达到950℃时，熟化0.5h；然后，将事先预热处理的试样以吊挂的方式放入盐浴中保温6h；最后，将试样取出放在淬火油中冷却至85℃后出油空冷，即得渗钛层模具钢；
基盐为氯化钡与氯化钾，所述氯化钡与氯化钾的重量比为1：1。
实施例2
本发明的实施例2提供一种渗钛层模具钢，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，按重量份计，所述渗钛层模具钢包含8份C，6份Si，1份P，0.1份S，30份Zr，20份Mo，1份Mg，1.5份Al，25份Nb，15份TiO2，60份铁族元素。
实施例3
本发明的实施例3提供一种渗钛层模具钢，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，按重量份计，所述渗钛层模具钢包含3份C，2份Si，0.1份P，0.03份S，10份Zr，5份Mo，0.1份Mg，0.5份Al，8份Nb，5份TiO2，30份铁族元素。
实施例4
本发明的实施例4提供一种渗钛层模具钢，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，按重量份计，所述渗钛层模具钢包含5.5份C，4份Si，0.65份P，0.08份S，8份Zr，13份Mo，0.55份Mg，1.2份Al，18份Nb，12份TiO2，50份铁族元素。
实施例5
本发明的实施例5提供一种渗钛层模具钢，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，按重量份计，所述渗钛层模具钢包含5.5份C，4份Si，0.65份P，0.08份S，35份Zr，13份Mo，0.55份Mg，1.2份Al，18份Nb，12份TiO2，50份铁族元素。
实施例6
本发明的实施例6提供一种渗钛层模具钢，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，按重量份计，所述渗钛层模具钢包含5.5份C，4份Si，0.65份P，0.08份S，20份Zr，13份Mo，1.2份Mg，1.2份Al，18份Nb，12份TiO2，50份铁族元素。
实施例7
本发明的实施例7提供一种渗钛层模具钢，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，按重量份计，所述渗钛层模具钢包含5.5份C，4份Si，0.65份P，0.08份S，20份Zr，13份Mo，0.08份Mg，1.2份Al，18份Nb，12份TiO2，50份铁族元素。
实施例8
本发明的实施例8提供一种渗钛层模具钢，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，所述Mn、Cr、V、Co以及Fe的质量比为1：3：3.0：0.9：10。
实施例9
本发明的实施例9提供一种渗钛层模具钢，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，所述Mn、Cr、V、Co以及Fe的质量比为1：3：0.5：0.9：10。
实施例10
本发明的实施例10提供一种渗钛层模具钢，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，将所述Zr的含量替换为0。
实施例11
本发明的实施例11提供一种渗钛层模具钢，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，将所述Mg的含量替换为0。
实施例12
本发明的实施例12提供一种渗钛层模具钢，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，将所述V的含量替换为0。
性能评价测试
1)冲击韧性
将按照实施例1-12所提供的配方以及工艺所制备得到的产品进行性能测试，冲击韧性按GB2106来进行测试，测试结果见表1。
表1
实施例 1 2 3 4 5
冲击韧性/(J/cm<sup>2</sup>) 0.597 0.576 0.582 0.326 0.334
实施例 6 7 8 9 10
冲击韧性/(J/cm<sup>2</sup>) 0.328 0.335 0.341 0.339 0.219
实施例 11 12
冲击韧性/(J/cm<sup>2</sup>) 0.224 0.209
2)热稳定性测试
将上述实施例1-12所制备得到的渗钛层模具钢，取样30*30*20mm试样，在1100℃保温30min，油冷，在650℃回火两次，每次回火2h，最终回火硬度为48HRC。将试样在550℃保温1-100h，获得在不同保温时间下的硬度。测试结果见表2。
表2
3)热疲劳性能测试
在25-700℃进行冷热循环，经过3000次冷热循环后，对比实施例1～12所得到的渗钛层模具钢进行热疲劳表面和截面硬度梯度，经过3000次循环后，实施例1～3的渗钛层模具钢表面纹理清晰，无明显变化；实施例4～12所得到的渗钛层模具钢表面出现裂纹。
通过实验发现，本发明提供的渗钛层模具钢热稳定性优异，冲击韧性较好，耐热疲劳性以及淬透性优异。
需要指出，以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。如实施例1中所采用的方案也可用于保湿面霜或精华中，因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种渗钛层模具钢，其特征在于，包含如下：
C，Si，P，S，Zr，Mo，Mg，Al，Nb，TiO2，铁族元素。
2.根据权利要求1所述渗钛层模具钢，其特征在于，按重量份计，包含3～8份C，2～6份Si，0.1～1份P，0.03～0.1份S，10～30份Zr，5～20份Mo，0.1～1份Mg，0.5～1.5份Al，8～25份Nb，5～15份TiO2，30～60份铁族元素。
3.根据权利要求2所述渗钛层模具钢，其特征在于，按重量份计，包含5.5份C，4份Si，0.65份P，0.08份S，20份Zr，13份Mo，0.55份Mg，1.2份Al，18份Nb，12份TiO2，50份铁族元素。
4.根据权利要求1所述渗钛层模具钢，其特征在于，铁族元素选自Mn、Cr、V、Co、Ni、Zn和Fe中的任一种或多种组合。
5.根据权利要求4所述渗钛层模具钢，其特征在于，铁族元素包括Mn、Cr、V、Co以及Fe。
6.根据权利要求5所述渗钛层模具钢，其特征在于，Mn、Cr、V、Co以及Fe的质量比为1：(1～4)：(0.8～2.5)：(0.6～1.2)：(5～15)。
7.根据权利要求6所述渗钛层模具钢，其特征在于，Mn、Cr、V、Co以及Fe的质量比为1：3：2.0：0.9：10。
8.根据权利要求1～7任一项所述渗钛层模具钢的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
S1：冶炼工艺：熔炼，称取配方量的原料，除Cr、Mo以及TiO2，其他均置于1360～1500℃下熔炼至1/3时，放入配方量的Cr和Mo继续熔炼形成钢水；
S2：钢水铸成钢锭：钢锭模预热，注入钢水，保温7～8小时，使钢成分均匀化，脱模后缓慢冷却进行退火处理；
S3：锻造或轧制成型材：将所得钢锭加热至300℃～1150℃并透烧完全始锻；
S4：型材球化退火工艺；
S5：TD处理。
9.根据权利要求8所述渗钛层模具钢的制备方法，其特征在于，型材球化退火工艺的步骤为：保持升温速度60～80℃/小时升温至850℃，保温8个小时；随炉冷却至750℃，退火8小时，以清除锻造过程中产生的应力，最后随炉冷却至500～550℃，出炉空冷，表面精整。
10.根据权利要求8所述渗钛层模具钢的制备方法，其特征在于，TD处理过程为：在750～950℃下分别将基盐以及TiO2加入炉内，熟化，将事先预热处理的试样以吊挂的方式放入盐浴中保温6h；再将试样取出放在淬火油中冷却后出油空冷。
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