CN110042322A - 一种替代45模钢的预硬模钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种替代45模钢的预硬模钢及其制备方法，该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：C：0.18～0.22％；Mn：1.6～1.8％；Cr：1.6～1.8％；S：≤0.035％；P：≤0.035％；其余为Fe和杂质。通过碳、锰和铬相互协同作用，实现了在钢坯中碳元素偏析轻微，内外部硬度均匀，32～35HRC，达到了45模钢调质硬度，可替代45模钢使用，即可替代45模钢使用，即满足使用要求，从而使钢的制备工艺中省去调质热处理工序。

Description

一种替代45模钢的预硬模钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属复合材料技术领域，具体地说是一种替代45模钢的预硬模钢及其制备方法。
背景技术
模具钢是用来制造冷冲模、热锻模压铸模等模具的钢种。模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本，而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具自身材料、制备及热处理工艺的影响。而随着科学技术的进步及社会发展需求，对模具材料的要求越来越高，尤其是大型模具材料，其产出的成品体积较大，若是使用的模具综合性能存在不足缺陷，将会给制造企业带来严重的损失；而现有的模具材料已经逐渐无法满足市场及企业的需要。
中国专利文献(申请号为：201511011973.6)公开了一种模具材料，其包括采用70份的低碳钢，28份的黄铜，0.5份的铬，0.2份的镍，1份钛，0.3份的硅混合制成。该发明的各种金属配比合理，使得模具具有良好的抗氧化性、良好的耐磨损性，采用材料中占比少的金属先混合再与材料中大占比的材料混合，使得材料混合更充分，使得材料具有良好的热疲劳性。但是，材料的碳含量高，力学性能及加工型有待进一步提高。
中国专利文献(申请号为：201710521915.0)公开了一种模具钢，其包括以下重量份的原料组成：碳2-5份；硅30-40份；锰0.5-2份；铝0.5-1.5份；磷0.5-1份；铁50-60份；铬2-4份；钒0.1-0.5份。另外，该发明在原料组分中还添加有少量的高岭土，提高了可塑性和使用寿命，但其未有结合数据说明，也未阐明导线的其它性能指标。
目前大量使用45号模具钢，而45号模具钢由于淬透性差，心部不能完全淬透，必须将心部予以切除才能进行调质处理，使其加工工艺复杂，且调质处理可能引起的缺陷风险。45号模具钢的制备工艺过程为：配料——冶炼(1600℃)——浇铸——锻造(1200℃)——空冷——去应力退火(620℃)——开框(心部切除)——调质——机加工。
因此，有必要开发一种低成本、质量稳定、内外硬度均匀的低碳的替代45模钢的预硬模钢。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种低成本、质量稳定、内外硬度均匀的低碳的替代45模钢的预硬模钢。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：
C：0.18～0.22％；Mn：1.6～1.8％；Cr：1.6～1.8％；S：≤0.035％；P：≤0.035％；其余为Fe和杂质。
作为本发明的优选技术方案，该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：C：0.21％；Mn：1.7％；Cr：1.7％；S：0.025％；P：0.025％；其余为Fe和杂质。
作为本发明的优选技术方案，该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：C：0.19％；Mn：1.6％；Cr：1.8％；P：0.02％；S：0.01％；其余为Fe和杂质。
作为本发明的优选技术方案，该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：C：0.2％；Mn：1.8％；Cr：1.6％；P：0.01％；S：0.005％；其余为Fe和杂质。
本发明主要组份范围确定的理由如下：
碳，它与碳化物形成元素形成的各种碳化物是钢材获得高温强度的重要组织因素。适量的过剩碳化物可阻止晶粒长大，提高耐磨性。但碳含量过高，会使钢材失去塑性，另外由于碳化物过多，分布不均匀，也会引起模具崩裂。本发明碳适宜的含量为0.18～0.22％；锰，在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，且有较高的强度和硬度，提钢的淬性，改善钢的热加工性能；本发明锰适宜的含量为1.6～1.8％；铬，主要作用是提高钢的淬透性、耐磨性和抗氧化性，铬是一种强烈的碳化物形成元素，它能与碳形成多种化合物，以及与铁碳形成复合的化合物，提高钢的硬度和强度，但过高的铬含量有损于钢的高温强度；本发明铬适宜的含量为1.6～1.8％％。通过碳、锰和铬相互协同作用，实现了在钢坯中碳元素偏析轻微，内外部硬度均匀，32～35HRC，达到了45模钢调质硬度，可替代45模钢使用，即满足使用要求，从而使钢的制备工艺中省去调质热处理工序；同时，由于大截面45模钢由于淬透性差，心部不能完全淬透，必须将心部予以切除才能进行调质处理；该替代45模钢的预硬模钢相比45模钢：①工艺周期短，缩短近2/3；②成本低，节省约1000元/吨；③质量稳定，降低调质处理可能引起的缺陷风险；④实现了大截面塑料模具钢的低成本化生产应用。
本发明还要解决的技术问题是，提供一种低成本、质量稳定、内外硬度均匀的低碳的替代45模钢的预硬模钢的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，该替代45模钢的预硬模钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按待制备替代45模钢的预硬模钢的各元素质量百分比称取原料，C：0.18～0.22％；Mn：1.6～1.8％；Cr：1.6～1.8％；其余为Fe和杂质；同时控制原料中的有害元素含量，其中：S：≤0.035％；P：≤0.035％；
(2)冶炼：将步骤(1)中的原材料加入到温度为1600℃的冶炼炉中进行冶炼，然后转入LF炉，加入精炼剂，再在真空的条件下，温度为1600℃下精炼60min；
(3)浇铸：将步骤(2)中精炼后的熔液在氩气的保护下浇铸成钢坯，拉坯速度为1.18～1.22m/min；
(4)锻造：将步骤(3)得到的钢坯进行锻造；
(5)空冷：对步骤(4)中进行锻造后的钢坯出炉在空气中放置冷却；
(6)退火处理：将冷却后的钢坯进行去应力退火处理；
(7)机加工：对去应力后的钢坯进行机加工。
采用上述技术方案，由于大截面45模钢由于淬透性差，心部不能完全淬透，必须将心部予以切除才能进行调质处理；因此，通过碳、锰和铬相互协同作用，实现了在钢坯中碳元素偏析轻微，内外部硬度均匀，32～35HRC，达到了45模钢调质硬度，可替代45模钢使用，即满足使用要求，从而使钢的制备工艺中省去调质热处理工序。45号钢的化学成分(％)：
0.42-0.50C，0.17-0.37Si，0.50-0.80Mn，0.035P，0.035S，0.25Ni，0.25Cr，0.25Cu，45号模具钢的制备工艺过程为：配料——冶炼(1600℃)——浇铸——锻造(1200℃)——空冷——去应力退火(620℃)——开框(心部切除)——调质——机加工。与本发明的成分对比，可以看出，45号钢的化学成分更加复杂，同时由于淬透性差，心部不能完全淬透，必须将心部予以切除才能进行调质处理；而本发明的制备工艺过程为：配料——冶炼(1600℃)——浇铸——锻造(1200℃)——空冷——去应力退火(470-480℃)——机加工。相比45模钢：①工艺周期短，缩短近2/3；②成本低，节省约1000元/吨；③质量稳定，降低调质处理可能引起的缺陷风险。④实现了大截面塑料模具钢的低成本化生产应用，市场反应很好。
进一步改进在于，所述步骤(4)对浇铸得到的钢坯进行锻造的具体步骤包括：
将钢坯在温度为800～900℃的加热炉中加热3个小时，然后调节加热炉的升温速率及加热温度，使所述加热炉以105～110℃/50min的升温速率加热至1100～1300℃，保温2～4h对钢坯进行锻造，开锻温度为1150～1200℃，停锻温度为1000～1050℃，且开锻压下量为25mm；锻造后在空气中冷却。
进一步改进在于，所述步骤(6)退火处理的具体步骤包括：将在空气中冷却后的钢坯放入退火炉中，调节温度升温速率，使退火炉以50～60℃/60min的升温速率加热至470～480℃，并在470～480℃下保温3～4h，再调节温度降温速率，使退火炉以200～220℃/60min的降温速率降至室温并使钢坯冷却后出炉。
进一步改进在于，所述步骤(3)中的浇铸采用下注法，在水口用氩气保护浇注。
进一步改进在于，所述步骤(2)中的所述精炼剂由37wt％的NaCI、32wt％的NaSiF6、13wt％Na2SO4、15wt％KCI和3wt％SiO2组成。经过大量实验证明，该配方的精炼剂可以更高效的精炼原料，节省工艺时间，从而降低成本。
进一步改进在于，所述步骤(2)中的真空条件的真空度为0.01～0.09pa。
在研制新钢种时，在保证钢的良好性能的前提下，从经济意义上讲：1)充分利用国家资源，节省稀缺或贵重的合金元素；2)充分发挥多元少量的作用；3)充分利用热处理方法。
本发明有以下优点和效果：该替代45模钢的预硬模钢具有内部和外部的硬度均匀分布的特点且硬度稳定在32-35HRC，达到了45模钢调质硬度；且C含量控制在0.18～0.22％较窄的范围内，保证钢的性能稳定；该替代45模钢的预硬模钢相比45模钢：①工艺周期短，缩短近2/3；②成本低，节省约1000元/吨；③质量稳定，降低调质处理可能引起的缺陷风险；④实现了大截面塑料模具钢的低成本化生产应用。
附图说明
图1为该替代45模钢的预硬模钢去应力退火后的金相组织图片；其中A为100倍室温组织；B为400倍室温组织；
图2为该替代45模钢的预硬模钢的实施例2的表层到心部的硬度值曲线图。
具体实施方式
实施例1：该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：
C：0.18％；Mn：1.8％；Cr：1.8％；S：0.028％；P：0.03％；其余为Fe和杂质；
实施例2：该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：
C：0.21％；Mn：1.7％；Cr：1.7％；S：0.025％；P：0.025％；其余为Fe和杂质。
实施例3：该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：
C：0.19％；Mn：1.6％；Cr：1.8％；P：0.02％；S：0.01％；其余为Fe和杂质。
实施例4：该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：
C：0.2％；Mn：1.8％；Cr：1.6％；P：0.01％；S：0.005％；其余为Fe和杂质。
实施例5：该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：
C：0.22％；Mn：1.6％；Cr：1.7％；P：0.015％；S：0.015％；其余为Fe和杂质。
实施例6：该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：
C：0.2％；Mn：1.7％；Cr：1.8％；P：0.025％；S：0.005％；其余为Fe和杂质。
实施例7：该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：
C：0.21％；Mn：1.8％；Cr：1.7％；P：0.02％；S：0.015％；其余为Fe和杂质。
实施例8：该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：
C：0.18％；Mn：1.7％；Cr：1.8％；P：0.015％；S：0.025％；其余为Fe和杂质。
实施例9：该替代45模钢的预硬模钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按待制备替代45模钢的预硬模钢的各元素质量百分比称取原料(分别选取上述实施例1～8的质量配比)；
(2)冶炼：将步骤(1)中的原材料加入到温度为1600℃的冶炼炉中进行冶炼，然后转入LF炉，加入精炼剂，再在真空的条件下，真空度为0.05pa，温度为1600℃下精炼60min；所述精炼剂由37wt％的NaCI、32wt％的NaSiF6、13wt％Na2SO4、15wt％KCI和3wt％SiO2组成；
(3)浇铸：将步骤(2)中精炼后的熔液在氩气的保护下浇铸成钢坯，拉坯速度为1.18m/min；浇铸采用下注法，在水口用氩气保护浇注；
(4)锻造：将步骤(3)得到的钢坯进行锻造；将钢坯在温度为800～900℃的加热炉中加热3个小时，然后调节加热炉的升温速率及加热温度，使所述加热炉以110℃/50min的升温速率加热至1200℃，保温2.5h对钢坯进行锻造，开锻温度为1150℃，停锻温度为1050℃，且开锻压下量为25mm；
(5)空冷：对步骤(4)中进行锻造后的钢坯出炉在空气中放置冷却；
(6)退火处理：将冷却后的钢坯进行去应力退火处理；将在空气中冷却后的钢坯放入退火炉中，调节温度升温速率，使退火炉以50℃/60min的升温速率加热至480℃，并在480℃下保温3h，再调节温度降温速率，使退火炉以200℃/60min的降温速率降至室温并使钢坯冷却后出炉
(7)机加工：对去应力后的钢坯进行机加工。
该发明所得到的模具钢的钢号命名为DDM。
经由上述制备方法得到的8个样品替代45模钢的预硬模钢，其内外硬度均在32～35HRC，均达到了45模钢调质硬度，可替代45模钢使用，即满足使用要求，说明此方法制备的替代45模钢的预硬模钢具有可控性，且稳定性高。
如图1所示，为实施例2去应力退火后的金相组织图，从图中可以看出该替代45模钢的预硬模钢为珠光体+铁素体，晶粒度4级。
同时如图2所示，为实施例2的表层到心部的内外硬度表。
表1实施例2的表层到心部的内外硬度表
距表面的距离(mm) 硬度值(HRC)
0 32
10 34
20 32.3
30 34
40 34.2
50 33.8
60 34.7
70 32.3
80 34
90 33.2
100 33.6
110 33.7
120 33.5
130 32.1
140 32
150 32.5
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种替代45模钢的预硬模钢，其特征在于：该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：C：0.18～0.22％；Mn：1.6～1.8％；Cr：1.6～1.8％；S：≤0.035％；P：≤0.035％；其余为Fe和杂质。
2.根据权利要求1所述的替代45模钢的预硬模钢，其特征在于，该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：C：0.21％；Mn：1.7％；Cr：1.7％；S：0.025％；P：0.025％；其余为Fe和杂质。
3.根据权利要求2所述替代45模钢的预硬模钢，其特征在于，该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：C：0.19％；Mn：1.6％；Cr：1.8％；P：0.02％；S：0.01％；其余为Fe和杂质。
4.根据权利要求3所述替代45模钢的预硬模钢，其特征在于，该替代45模钢的预硬模钢包括如下质量百分比的成分：C：0.2％；Mn：1.8％；Cr：1.6％；P：0.01％；S：0.005％；其余为Fe和杂质。
5.一种根据权利要求1-4所述的替代45模钢的预硬模钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配料：按待制备替代45模钢的预硬模钢的各元素质量百分比称取原料，C：0.18～0.22％；Mn：1.6～1.8％；Cr：1.6～1.8％；其余为Fe和杂质；同时控制原料中的有害元素含量，其中：S：≤0.035％；P：≤0.035％；
(2)冶炼：将步骤(1)中的原材料加入到温度为1600℃的冶炼炉中进行冶炼，然后转入LF炉，加入精炼剂，再在真空的条件下，温度为1600℃下精炼60min；
(3)浇铸：将步骤(2)中精炼后的熔液在氩气的保护下浇铸成钢坯，拉坯速度为1.18～1.22m/min；
(4)锻造：将步骤(3)得到的钢坯进行锻造；
(5)空冷：对步骤(4)中进行锻造后的钢坯出炉在空气中放置冷却；
(6)退火处理：将冷却后的钢坯进行去应力退火处理；
(7)机加工：对去应力后的钢坯进行机加工。
6.根据权利要求5所述的替代45模钢的预硬模钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)对浇铸得到的钢坯进行锻造的具体步骤包括：
将钢坯在温度为800～900℃的加热炉中加热3个小时，然后调节加热炉的升温速率及加热温度，使所述加热炉以105～110℃/50min的升温速率加热至1100～1300℃，保温2～4h对钢坯进行锻造，开锻温度为1150～1200℃，停锻温度为1000～1050℃，且开锻压下量为25mm；锻造后在空气中冷却。
7.根据权利要求6所述的替代45模钢的预硬模钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)退火处理的具体步骤包括：将在空气中冷却后的钢坯放入退火炉中，调节温度升温速率，使退火炉以50～60℃/60min的升温速率加热至470～480℃，并在470～480℃下保温3～4h，再调节温度降温速率，使退火炉以200～220℃/60min的降温速率降至室温并使钢坯冷却后出炉。
8.根据权利要求6所述的替代45模钢的预硬模钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的浇铸采用下注法，在水口用氩气保护浇注。
9.根据权利要求6所述的替代45模钢的预硬模钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的所述精炼剂由37wt％的NaCI、32wt％的NaSiF6、13wt％Na2SO4、15wt％KCI和3wt％SiO2组成。
10.根据权利要求6所述的替代45模钢的预硬模钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的真空条件的真空度为0.01～0.09pa。
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