CN110484830A - 一种高氮型热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

一种高氮型热作模具钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种高氮型热作模具钢及其制备方法，属于热作模具钢技术领域，本发明实施例提供的高氮型热作模具钢，按重量百分比计，所述钢化学成分如下：C：0.37‑0.42％，Si：0.80‑1.20％，Mn：0.30‑0.50％，Cr：5.0‑5.50％，Mo：1.20‑1.75％，V：0.80‑1.20％，P＜0.010％，S＜0.005％，N：0.15‑0.30％，Fe余量。

Description

一种高氮型热作模具钢及其制备方法
技术领域
本发明属于热作模具钢技术领域，具体涉及一种高氮型热作模具钢及其制备方法。
背景技术
热作模具是用于液态金属成型的主要工具，其服役条件复杂，且长时间在高温高压、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具有高的强韧性、高热强性和良好的热疲劳性能。
目前，热作模具钢一般为H13钢，H13钢是C-Cr-Mo-Si-V马氏体型热作模具钢，是目前使用最广泛最具代表性的热作模具钢种，它具有较高的淬透性和高的韧性、优良的热稳定性和抗热疲劳性能，但使用温度不高于540℃，强度也不够高。目前有大量研究工作通过合金成分及热处理对其性能进行优化。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的高氮型热作模具钢及其制备方法。
本发明实施例提供一种高氮型热作模具钢，按重量百分比计，所述钢化学成分如下：C：0.37-0.42％，Si：0.80-1.20％，Mn：0.30-0.50％，Cr：5.0-5.50％,Mo：1.20-1.75％,V：0.80-1.20％,P＜0.010％，S＜0.005％，N：0.15-0.30％，Fe余量。
进一步的，按体积百分比计，所述钢的金相组织为铁素体基体+球状碳化物，且碳化物平均尺寸＜0.3μm。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种高氮型热作模具钢的制备方法，包括冶炼、锻造、冷却、退火处理步骤；
所述冶炼中，按照所述钢化学成分进行配料后，通过熔炼并浇铸成型，获得钢锭；
所述锻造中，将所述钢锭加热升温至1100-1250℃后，进行多向锻造，获得锻坯；所述多向锻造的终锻温度≥900℃；
所述冷却中，将所述锻坯冷却至300-500℃，获得冷却锻坯；
所述退火处理中，将所述冷却锻坯于850-860℃下保温6-8h后，缓冷到300-500℃，再空冷至室温。
进一步的，冶炼步骤中，所述熔炼在真空感应炉中进行。
进一步的，锻造步骤中，所述加热升温时，采用多级升温方式，第一阶段升温至400-600℃保温3-5h；第二阶段升温至800-900℃保温2-3h，最后升温至1100-1250℃，保温时间为8-10h。
进一步的，锻造步骤中，所述多向锻造采用两墩两拔锻造方式，锻造压缩比≥3，总锻比≥5。
进一步的，冷却步骤中，所述冷却采用油冷或水冷方式。
进一步的，所述方法还包括机加工步骤，所述机加工中，通过铣床，铣光钢表面氧化铁皮后，对所述钢进行定型，获得高氮型热作模具钢。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供的高氮型热作模具钢，通过提高N元素含量，将N重量百分比含量提高到0.15-0.30％，并通过N、C原子与碳化物形成元素之间的交互作用，改变析出相的组成和分布，提高材料的机械性能和使用性能。
本发明实施例提供的高氮型热作模具钢的制备方法，通过冶炼、锻造、冷却、退火处理步骤，并提供控制上述步骤的工艺参数，通过温度、时间、冷速等参数的配置控制组织的转变，达到使高氮型热作模具钢的组织均匀，碳化物细小弥散，从而具备优良的高温抗回火软化性能和热强性能。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例1中高氮型热作模具钢的回火特性曲线；
图2是本发明实施例1中高氮型热作模具钢的退火组织；
图3是本发明实施例1中高氮型热作模具钢的淬火组织；
图4是本发明实施例1中高氮型热作模具钢的回火组织；
图5是本发明实施例1中高氮型热作模具钢与H13钢在600℃下的热稳定性对比图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
本申请提供一种高氮型热作模具钢，按重量百分比计，所述钢化学成分如下：C：0.37-0.42％，Si：0.80-1.20％，Mn：0.30-0.50％，Cr：5.0-5.50％,Mo：1.20-1.75％,V：0.80-1.20％,P＜0.010％，S＜0.005％，N：0.15-0.30％，Fe余量。
本申请中，按体积百分比计，所述钢的金相组织为铁素体基体+球状碳化物，且碳化物平均尺寸＜0.3μm。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种高氮型热作模具钢的制备方法，包括冶炼、锻造、冷却、退火处理步骤；
所述冶炼中，按照所述钢化学成分进行配料后，通过熔炼并浇铸成型，获得钢锭；
所述锻造中，将所述钢锭加热升温至1100-1250℃后，进行多向锻造，获得锻坯；所述多向锻造的终锻温度≥900℃；
所述冷却中，将所述锻坯冷却至300-500℃，获得冷却锻坯；
所述退火处理中，将所述冷却锻坯于850-860℃下保温6-8h后，缓冷到300-500℃，再空冷至室温。
本申请冶炼步骤中，所述熔炼在真空感应炉中进行。
本申请锻造步骤中，所述加热升温时，采用多级升温方式，第一阶段升温至400-600℃保温3-5h；第二阶段升温至800-900℃保温2-3h，最后升温至1100-1250℃，保温时间为8-10h。
本申请锻造步骤中，所述多向锻造采用两墩两拔锻造方式，锻造压缩比≥3，总锻比≥5。
本申请冷却步骤中，所述冷却采用油冷或水冷方式。
本申请中，所述方法还包括机加工步骤，所述机加工中，通过铣床，铣光钢表面氧化铁皮后，对所述钢进行定型，获得高氮型热作模具钢。
下面将结合具体实施例对本申请进行详细说明。
实施例1
本实施例中高氮型热作模具钢的钢化学成分如下(按重量百分比计)：
C Si Mn P S Cr Mo V N
0.37％ 0.97％ 0.41％ 0.008％ 0.004％ 5.48％ 1.33％ 1.02％ 0.0170％
本实施例中高氮型热作模具钢的制备方法如下：
(1)冶炼：按上述的合金元素配比在感应炉中进行冶炼，熔炼温度为1550℃，浇铸成电极棒。
(2)锻造：采用多级升温方式，将上述钢锭加热升温至1180℃，进行多向锻造加工，采用两墩两拔锻造方式，终锻温度为900℃；
(3)冷却：对锻造成形后的锻坯进行控制冷却，采用油冷或水冷的方式快速冷至400℃左右，送退火炉；
(5)退火处理：在855℃下保温6h，而后缓冷到300℃进行空冷；
(6)机加工：铣光表面氧化铁皮，去除表面缺陷，按最终尺寸定型。
实施例2
本实施例中高氮型热作模具钢的钢化学成分如下(按重量百分比计)：
C Si Mn P S Cr Mo V N
0.40％ 1.12％ 0.44％ 0.008％ 0.003％ 5.33％ 1.3％ 1.01％ 0.0294％
本实施例中高氮型热作模具钢的制备方法与上述实施例1相同。
实施例3
本实施例中高氮型热作模具钢的钢化学成分如下(按重量百分比计)：
C Si Mn P S Cr Mo V N
0.37％ 0.80％ 0.30％ 0.009％ 0.004％ 5.0％ 1.20％ 0.80％ 0.0150％
本实施例中高氮型热作模具钢的制备方法与上述实施例1相同。
实施例4
本实施例中高氮型热作模具钢的钢化学成分如下(按重量百分比计)：
C Si Mn P S Cr Mo V N
0.42％ 1.20％ 0.50％ 0.009％ 0.004％ 5.50％ 1.75％ 1.20％ 0.30％
本实施例中高氮型热作模具钢的制备方法与上述实施例1相同。
实施例5
本实施例中高氮型热作模具钢的钢化学成分与实施例1相同。
本实施例中高氮型热作模具钢的制备方法如下：
(1)冶炼：按上述的合金元素配比在感应炉中进行冶炼，熔炼温度为1550℃，浇铸成电极棒。
(2)锻造：采用多级升温方式，将上述钢锭加热升温至1100℃，进行多向锻造加工，采用两墩两拔锻造方式，终锻温度为900℃；
(3)冷却：对锻造成形后的锻坯进行控制冷却，采用油冷或水冷的方式快速冷至300℃左右，送退火炉；
(5)退火处理：在850℃下保温6h，而后缓冷到300℃进行空冷；
(6)机加工：铣光表面氧化铁皮，去除表面缺陷，按最终尺寸定型。
实施例6
本实施例中高氮型热作模具钢的钢化学成分与实施例1相同。
本实施例中高氮型热作模具钢的制备方法如下：
(1)冶炼：按上述的合金元素配比在感应炉中进行冶炼，熔炼温度为1550℃，浇铸成电极棒。
(2)锻造：采用多级升温方式，将上述钢锭加热升温至1250℃，进行多向锻造加工，采用两墩两拔锻造方式，终锻温度为1000℃；
(3)冷却：对锻造成形后的锻坯进行控制冷却，采用油冷或水冷的方式快速冷至480℃左右，送退火炉；
(5)退火处理：在860℃下保温8h，而后缓冷到500℃进行空冷；
(6)机加工：铣光表面氧化铁皮，去除表面缺陷，按最终尺寸定型。
以现有H13钢作对比例，对实施例1-6和对比例的钢性能测试，测试结果如表1所示。
表1
表1中：
相变点的测试：采用热膨胀法测定钢的相变点；
室温冲击功的测试：按照NADCA207-2003标准，试样尺寸为10×10×55mm，V型缺口；
热稳定性的测试：在600℃下，保温20小时后的钢硬度。
针对各附图的详细说明：
从图1可知，实施例1和2均表现出明显的回火二次硬化的现象，硬化峰温度在520℃左右，硬度值达到55HRC左右。
从图2可知，高氮型热作模具钢退火态组织为铁素体基体+球状碳化物，组织均匀，碳化物细小弥散分布。
从图3可知，高氮型热作模具钢淬火态组织为马氏体。
从图4可知，高氮型热作模具钢回火态组织为回火马氏体。
从图5可知，本发明实施例1中高氮型热作模具钢与H13钢在600℃下的热稳定性对比中，在600℃下进行测试，测试开始时，先将H13钢经过淬回火处理后使其硬度值与本发明钢相近，均为50HRC，随着保温时间的增加，H13钢的硬度明显比本发明实施例1中高氮型热作模具钢下降的更快更低，因此，可以得知，本发明实施例提供的高氮型热作模具钢与H13钢相比，具有更好的热稳定性。
与现有技术相比，本申请具有以下特点：
仅通过提高钢中N元素含量，优化了钢的组织，提高了钢的机械性能和使用性能。本发明运用到大生产中简单易行，在冶炼过程中，只需要在常规热作模具钢冶炼流程和方法的基础上，利用转炉或电炉氧枪切换气源，向钢液中吹入氮气，或在精炼过程中，采用吹氮器向钢液吹入氮气，直至钢液中氮含量满足发明要求的范围即可。氮气来源在钢厂中极为简易，且成本极低。冶炼完毕之后，后续的浇注、锻造、热处理也是在该发明钢种成分基础上采用的常规工艺手段，没有任何增加成本的环节。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种高氮型热作模具钢，其特征在于，按重量百分比计，所述钢化学成分如下：C：0.37-0.42％，Si：0.80-1.20％，Mn：0.30-0.50％，Cr：5.0-5.50％，Mo：1.20-1.75％，V：0.80-1.20％，P＜0.010％，S＜0.005％，N：0.15-0.30％，Fe余量。
2.根据权利要求1所述的一种高氮型热作模具钢，其特征在于，按体积百分比计，所述钢的金相组织为铁素体基体+球状碳化物，且碳化物平均尺寸＜0.3μm。
3.一种如权利要求1或2所述的高氮型热作模具钢的制备方法，其特征在于，包括冶炼、锻造、冷却、退火处理步骤；
所述冶炼中，按照所述钢化学成分进行配料后，通过熔炼并浇铸成型，获得钢锭；
所述锻造中，将所述钢锭加热升温至1100-1250℃后，进行多向锻造，获得锻坯；所述多向锻造的终锻温度≥900℃；
所述冷却中，将所述锻坯冷却至300-500℃，获得冷却锻坯；
所述退火处理中，将所述冷却锻坯于850-860℃下保温6-8h后，缓冷到300-500℃，再空冷至室温。
4.根据权利要求3所述的一种高氮型热作模具钢的制备方法，其特征在于，冶炼步骤中，所述熔炼在真空感应炉中进行。
5.根据权利要求3所述的一种高氮型热作模具钢的制备方法，其特征在于，锻造步骤中，所述加热升温时，采用多级升温方式，第一阶段升温至400-600℃保温3-5h；第二阶段升温至800-900℃保温2-3h，最后升温至1100-1250℃，保温时间为8-10h。
6.根据权利要求3所述的一种高氮型热作模具钢的制备方法，其特征在于，锻造步骤中，所述多向锻造采用两墩两拔锻造方式，锻造压缩比≥3，总锻比≥5。
7.根据权利要求3所述的一种高氮型热作模具钢的制备方法，其特征在于，冷却步骤中，所述冷却采用油冷或水冷方式。
8.根据权利要求7所述的一种高氮型热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述冷却速率为300-3000℃/h。
9.根据权利要求3所述的一种高氮型热作模具钢的制备方法，其特征在于，退火处理步骤中，所述缓冷速率为10-30℃/h。
10.根据权利要求3所述的一种高氮型热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述方法还包括机加工步骤，所述机加工中，通过铣床，铣光钢表面氧化铁皮后，对所述钢进行定型，获得高氮型热作模具钢。
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CN115505839A (zh) * 2022-08-18 2022-12-23 马鞍山钢铁股份有限公司 一种高氮高强韧性h13模具钢及其短流程连铸连轧生产工艺

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