CN109536844B - 一种耐高温模具钢及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温模具钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温模具钢，包括以下质量百分比的组分：C 0.75％～0.95％，Cr 6％～8％，Si 0.5％～1.5％，Al 3％～5％，Ni 0.3％～0.5％，Zn 0～0.2％，Mn 0.5％～1.5％，B 0.001％～0.5％，Re 0.02％～0.08％，P+S≤0.03％，余量为铁。制备该模具钢时，先将除Zn、B和Re之外的其他材料放入电弧炉内进行初练，然后加入Zn、B和Re进行精炼，将精炼后的钢水浇筑成坯料，然后进行两次回火处理，即可得到具有高强度、高柔韧性和耐高温性能良好的模具钢。采用本发明中的配方及制备方法，可有效解决模具钢强度低、加工性差以及耐高温性差的技术问题。

Description

一种耐高温模具钢及其制备方法
技术领域
本发明属于模具材料技术领域，具体涉及一种耐高温模具钢及其制备方法。
背景技术
热作成形是一种近终成形技术，由于其成形效率高、损耗小，因而在工业生产中广泛使用，其技术的发展水平，已经成为衡量国家制造业水平高低的重要指标。热作成形技术最重要的是用于制造热作模具的合金钢材料，热作模具一般在高温、热冲击等恶劣工作条件下工作的，因此要求热作模具钢具有优良的综合性能。目前，工业生产上广泛使用的是H13钢。H13钢在600℃以下工作，具有良好的热稳定性和抗热疲劳性能，较好的强韧性结合，但在600℃以上，材料的强度和热稳定性急剧下降，失去了原来的优异性能。而高耐热性的H21钢在高温条件下抗热疲劳性能较差，模具常常因发生龟裂纹而失效，这大大降低了模具的使用寿命，增加了生产成本。
鉴于上述热作模具钢的现状，许多国内外钢铁厂和研究机构都致力于开发新型高性能的热作模具钢的，已经取得一定的研究成果，研发了一大批热作模具钢，但其更多的是侧重某一方面的性能，因而其应用领域有限。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种耐高温模具钢及其制备方法，以解决模具钢强度低、加工性差以及耐高温性差的技术问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种耐高温模具钢，耐高温模具钢包括以下质量百分比的组分：C 0.75％～0.95％，Cr 6％～8％，Si 0.5％～1.5％，Al 3％～5％，Ni 0.3％～0.5％，Zn 0～0.2％，Mn 0.5％～1.5％，B 0.001％～0.5％，Re0.02％～0.08％，P+S≤0.03％，余量为铁。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，耐高温模具钢包括以下质量百分比的组分：C 0.8％，Cr 7％，Si 15％，Al5％，Ni 0.4％，Zn 0.1％，Mn 1％，B 0.1％，Re 0.04％，P+S≤0.03％，余量为铁。
进一步，耐高温模具钢包括以下质量百分比的组分：C 0.8％，Cr 8％，Si 0.5％，Al 4％，Ni 0.5％，Mn 1.5％，B 0.001％，Re 0.08％，P+S≤0.03％，余量为铁。
本发明提供的耐高温模具钢中Cr含量处于6％～8％的范围内，不仅可在钢材内形成高合金度的马氏体，使模具钢具有较高的硬度以及优良的耐磨性能，同时可提高模具钢的淬透性和回火稳定性，而且由于模具钢中C的含量不高，不会在模具钢中形成铬铁共晶碳化物，有效控制了模具钢裂纹的产生，模具钢强度大大提高。模具钢中的Ni和Mn可以无限固溶，既可以提高模具钢的耐腐蚀性能和耐热性能，又可以改善模具钢的加工性能。Zn和Re均可改善模具钢原料之间的流动性和润湿性，使各种原料能够有更加充分的混合，所制备出的钢材力学性能和加工性能更优。Si能细化模具钢中的金相晶粒，模具钢的韧性得以提升。B不仅能够提升模具钢的脱氧能力，而且可降低气体溶解度，使模具钢具有优异的健康氧化性能。本发明中模具钢中加有Al，Al具有良好的延展性能和抗氧化性能，可使制备出的模具钢具有良好的柔韧性，便于加工成各种形状的模具。
本发明还提供了一种制备上述耐高温模具钢的方法，制备方法包括以下步骤：
(1)熔炼：将除Zn、B和Re之外的其他材料放入电弧炉内进行初练，然后将初练后的钢水以1450～1500℃的温度出钢到钢包中进行钢包精炼；出钢前向钢水中加入Zn粒和B粒，出钢后向钢水中加入Re；钢包精炼全程底吹氮气，氮气流量为250～300Nm3/min，并将吊包温度控制在1450～1500℃，连续吹气20～30min，完成精炼；
(2)浇注：将精炼后的钢水浇注成坯料，并进行淬火处理；
(3)一次回火：以15～20℃/min的升温速率将淬火后的坯料加热到770～820℃，保温4～6h，然后空冷至150～200℃，保温1～2h；
(4)二次回火：将一次回火后的坯料升温至650～670℃，保温8～10h，然后空冷至室温，得耐高温模具钢。
在上述制备方法的基础上，可以进行如下进一步改进。
进一步，步骤(1)中钢水出钢温度为1470℃。
进一步，步骤(1)中进行钢包精炼时，底吹氮气的流量为280Nm3/min，吹气时间为25min。
进一步，Zn粒和B粒的粒径为1～3cm。
进一步，一次回火时，将坯料加热到800℃，保温5h，然后空冷至150℃，保温2h。
进一步，二次回火时，将坯料加热到650℃，保温9h，然后空冷至室温。
本发明的有益效果是：
1.本发明中的模具钢加有适量的Cr和C，在模具钢内部形成高合金度的马氏体的同时，不会在形成铬铁共晶碳化物，制得的模具钢具有较高的硬度以及优良的耐磨性能，同时不会产生裂纹，力学性能良好。
2.模具钢中加有Ni和Mn，Ni和Mn可以无限固溶，大大提高模具钢的耐热性能和耐腐蚀性能，而且它们与Al相互配合，可以增强模具钢的柔韧性，模具钢的加工性能更好。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
一种耐高温模具钢，包括以下质量百分比的组分：C 0.8％，Cr 7％，Si 1.5％，Al5％，Ni 0.4％，Zn 0.1％，Mn 1％，B 0.1％，Re 0.04％，P+S≤0.03％，余量为铁。该模具钢的制备方法包括以下步骤：
(1)熔炼：称取配比量的材料，然后将除Zn、B和Re之外的其他材料放入电弧炉内进行初练，然后将初练后的钢水以1470℃的温度出钢到钢包中进行钢包精炼；出钢前向钢水中加入粒径均为2cm左右的Zn粒和B粒，出钢后向钢水中加入镧粉和铈粉(Re)；钢包精炼全程底吹氮气，氮气流量为280Nm3/min，并将吊包温度控制在1470℃，连续吹气25min，完成精炼；
(2)浇注：将精炼后的钢水浇注成坯料，并进行淬火处理；
(3)一次回火：以20℃/min的升温速率将淬火后的坯料加热到800℃，保温5h，然后空冷至150℃，保温2h；
(4)二次回火：将一次回火后的坯料升温至650℃，保温9h，然后空冷至室温，得耐高温模具钢。
实施例二
一种耐高温模具钢，包括以下质量百分比的组分：C 0.8％，Cr 8％，Si 0.5％，Al4％，Ni 0.5％，Mn 1.5％，B 0.001％，Re 0.08％，P+S≤0.03％，余量为铁。该模具钢的制备方法包括以下步骤：
(1)熔炼：称取配比量的材料，然后将除B和Re之外的其他材料放入电弧炉内进行初练，然后将初练后的钢水以1450℃的温度出钢到钢包中进行钢包精炼；出钢前向钢水中加入粒径为1cm左右的B粒，出钢后向钢水中加入镧粉和铈粉(Re)；钢包精炼全程底吹氮气，氮气流量为250Nm3/min，并将吊包温度控制在1450℃，连续吹气30min，完成精炼；
(2)浇注：将精炼后的钢水浇注成坯料，并进行淬火处理；
(3)一次回火：以15℃/min的升温速率将淬火后的坯料加热到770℃，保温6h，然后空冷至150℃，保温2h；
(4)二次回火：将一次回火后的坯料升温至670℃，保温8h，然后空冷至室温，得耐高温模具钢。
实施例三
一种耐高温模具钢，包括以下质量百分比的组分：C 0.9％，Cr 6％，Si 1％，Al3％，Ni 0.3％，Zn 0.2％，Mn 0.5％，B 0.5％，Re 0.02％，P+S≤0.03％，余量为铁。该模具钢的制备方法包括以下步骤：
(1)熔炼：称取配比量的材料，然后将除Zn、B和Re之外的其他材料放入电弧炉内进行初练，然后将初练后的钢水以1500℃的温度出钢到钢包中进行钢包精炼；出钢前向钢水中加入粒径为均为1cm左右的Zn粒和B粒，出钢后向钢水中加入镧粉和铈粉(Re)；钢包精炼全程底吹氮气，氮气流量为300Nm3/min，并将吊包温度控制在1500℃，连续吹气20min，完成精炼；
(2)浇注：将精炼后的钢水浇注成坯料，并进行淬火处理；
(3)一次回火：以15℃/min的升温速率将淬火后的坯料加热到820℃，保温4h，然后空冷至200℃，保温1h；
(4)二次回火：将一次回火后的坯料升温至670℃，保温10h，然后空冷至室温，得耐高温模具钢。
对比例一
一种耐高温模具钢及其制备方法，该模具钢除了把实施例一中模具钢的Cr的含量调整到10％外，其余组分的含量不变，制备方法也与实施例一相同。
对比例二
一种耐高温模具钢及其制备方法，该模具钢除了把实施例一中模具钢的Cr的含量调整到4％外，其余组分的含量不变，制备方法也与实施例一相同。
对比例三
一种耐高温模具钢，包括以下质量百分比的组分：C 0.8％，Cr 7％，Si 1.5％，Al5％，Ni 0.4％，Mn 1％，P+S≤0.03％，余量为铁。该模具钢的制备方法包括以下步骤：
(1)熔炼：称取配比量的材料，然后将它们一同加入到电弧炉内进行初练，然后将初练后的钢水以1470℃的温度出钢到钢包中进行钢包精炼；钢包精炼全程底吹氮气，氮气流量为280Nm3/min，并将吊包温度控制在1470℃，连续吹气25min，完成精炼；
(2)浇注：将精炼后的钢水浇注成坯料，并进行淬火处理；
(3)一次回火：以20℃/min的升温速率将淬火后的坯料加热到800℃，保温5h，然后空冷至150℃，保温2h；
(4)二次回火：将一次回火后的坯料升温至650℃，保温9h，然后空冷至室温，得耐高温模具钢。
对比例四
一种耐高温模具钢，包括以下质量百分比的组分：C 1.45％，Cr 12％，Si 0.4％，Al 5％，Mn 0.5％，Mo 0.5％，V 0.2％，P+S≤0.05％，余量为铁。通过熔炼、精炼和多次回火，即可制备出该模具钢。
结果分析
取上述各实验组所制得的模具钢，测定它们的硬度(HRC)、抗拉强度(MPa)、延伸率以及高温持久强度(MPa)等性能，模具钢的高温持久强度为在700℃条件下持续100小时的结果。结果列于表1。
表1模具钢的性能统计
硬度 抗拉强度 延伸率 高温持久强度
实施例一 52.4 1812.9 9.56％ 1128.6
实施例二 53.1 1823.6 9.49％ 1169.5
实施例三 51.8 1806.5 9.62％ 1135.4
对比例一 55.2 1356.8 4.23％ 892.1
对比例二 49.8 1631.2 5.16％ 921.0
对比例三 49.1 1521.6 5.96％ 896.2
对比例四 50.1 1413.3 4.81％ 905.6
从表中可以看出，采用本发明中的配方以及方法所制备出的模具钢具有较高的硬度和优良的抗拉强度，而且延伸率较大，表明本发明中的模具钢强度较高，能够满足模具制备的需求，同时具有良好的柔韧性，便于加工成型；另外，本发明中模具钢的高温持久强度高于现有模具钢的高温持久强度(对比例四)，表明其具有良好的耐热性能，是一种优秀的耐高温模具钢材料。
对比例一与实施例一相比，Cr含量增大，钢材中的铬铁共晶碳化物含量增多，容易在模具钢中产生裂纹，虽然硬度有所上升，但抗拉强度大幅降低，高温持久性也较差，不能满足实际需求。对比例二与实施例一相比，Cr含量降低，不能在模具钢内形成足够的马氏体，硬度降低，也不能满足需要。对比例三与实施例一相比，配方中缺少了B、Zn和Re，其余组分不能得到充分的混合，所得到的刚才力学性能较差。对比例四为现有的模具钢，通过对比发现，本发明通过改进配方和制备方法，所得到的模具钢具有优良的力学性能和耐高温性能，是一种优秀的耐高温模具钢材料。
虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种耐高温模具钢，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：C 0.75%~0.95%，Cr6%~8%，Si 0.5%~1.5%，Al 3%~5%，Ni 0.3%~0.5%，Zn 0~0.2%，Mn 0.5%~1.5%，B 0.001%~0.5%，Re 0.02%~0.08%，P+S≤0.03%，余量为铁；所述模具钢经过以下步骤制得：
(1)熔炼：将除Zn、B和Re之外的其他材料放入电弧炉内进行初练，然后将初练后的钢水以1450~1500℃的温度出钢到钢包中进行钢包精炼；出钢前向钢水中加入Zn粒和B粒，出钢后向钢水中加入Re；钢包精炼全程底吹氮气，氮气流量为250~300Nm3/min，并将吊包温度控制在1450~1500℃，连续吹气20~30min，完成精炼；
(2)浇注：将精炼后的钢水浇注成坯料，并进行淬火处理；
(3)一次回火：以15~20℃/min的升温速率将淬火后的坯料加热到770~820℃，保温4~6h，然后空冷至150~200℃，保温1~2h；
(4)二次回火：将一次回火后的坯料升温至650~670℃，保温8~10h，然后空冷至室温，得耐高温模具钢。
2.根据权利要求1所述的耐高温模具钢，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：C0.8%，Cr 7%，Si 1.5%，Al 5%，Ni 0.4%，Zn 0.1%，Mn 1%，B 0.1%，Re 0.04%，P+S≤0.03%，余量为铁。
3.根据权利要求1所述的耐高温模具钢，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：C0.8%，Cr 8%，Si 0.5%，Al 4%，Ni 0.5%，Mn 1.5%，B 0.001%，Re 0.08%，P+S≤0.03%，余量为铁。
4.根据权利要求1所述的耐高温模具钢，其特征在于：步骤(1)中钢水出钢温度为1470℃。
5.根据权利要求1所述的耐高温模具钢，其特征在于：步骤(1)中进行钢包精炼时，底吹氮气的流量为280Nm3/min，吹气时间为25min。
6.根据权利要求1所述的耐高温模具钢，其特征在于：所述Zn粒和B粒的粒径为1~3cm。
7.根据权利要求1所述的耐高温模具钢，其特征在于：一次回火时，将坯料加热到800℃，保温5h，然后空冷至150℃，保温2h。
8.根据权利要求1所述的耐高温模具钢，其特征在于：二次回火时，将坯料加热到650℃，保温9h，然后空冷至室温。
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