CN110863156B - 一种热作模具钢及其高效的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热作模具钢及其高效的制备方法，该热作模具钢的化学成分的重量百分比为：C：0.34％‑0.45％，Si：1.00％‑1.40％，Mn：0.50％‑0.60％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr：5.00％‑6.00％，Mo：1.00％‑1.20％，Nb：0.08％‑0.12％，Ni：1.00％‑1.30％，余量为Fe及不可避免杂质。优点是：合金成分优化，采用机械扩散与热扩散共同作用，使该种热作模具钢成分均匀化，缩短合金元素均匀化所需要的时间，提高生产效率，减小生产成本，生产出的热作模具钢洛氏硬度为55‑57HRC，等向性能好，热稳定性良好。

Description

一种热作模具钢及其高效的制备方法

技术领域

本发明涉及一种热作模具钢及其高效的制备方法。

背景技术

当今世界模具是主要的成型工具，模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一。近几十年随着中国经济的飞速发展，带动了机械制造产业的发展和模具产业的发展，也推动了模具钢的发展，但是其中超过50％的优质模具钢需要进口，而一些大型、精密、复杂、长寿命的模具钢几乎完全需要进口材料。热作模具钢是消耗最快和要求最高的模具钢之一。热作模具钢要求材料具有高的淬透性、高的高温强度、高的耐磨性、高的韧度、高的抗热裂能力和高的耐熔损性能等。近年来国内一些钢铁制造企业、研究单位和高校一直以热作模具钢作为研究和开发对象，力求我国生产的热作模具钢材能达到国外优质钢的水平，并不断创新研究开发。

专利申请号：200810040044.1，稀土奥氏体型热作模具钢及其制备方法，是一种高热稳定性、高强度、高韧性的加稀土的奥氏体型热作模具钢，其硬度及热稳定性均优于H13钢，但是随着稀土的加入，其高温均匀化温度比正常提高30-40℃，并保温8-10h，使钢的成分均匀化，防止成分偏析，随后采用锻造加工及固溶处理和时效处理，生产周期长。

专利申请号：200910199544.4，复合微合金化高热强性热作模具钢及其制备方法，具有高的纯净度、高的热强性、好的热稳定性同时具有优异的热疲劳性能。其成分及重量百分比为：C 0.25％-0.40％，Si 1.0％-1.8％，Mn 0.01％-0.3％，Cr 3.5％-5.0％，Mo2.0％-3.5％， V 0.8％-1.5％，Nb 0.03％-0.07％，稀土元素(Ce+La)0.05％-0.1％，P<0.02％，S<0.02％。同时添加Mo和V，且Mo元素含量较高，合金成本高。采用5-10h高温均质化处理及锻造固溶处理，生产周期长，成本高昂。

专利申请号：201710203441.5，一种热作模具钢锻件的制造工艺；专利申请号201611205030.1，高合金热作模具钢的制备工艺；均采用锻造的方式制备热作模具钢，生产工序繁琐，但其产品性能方面并没有明显优势。专利申请号：201510776761.0，一种提高4Cr5MoSiV1热作模具钢性能的制备方法，在控氧条件下添加纯稀土La和Ce，经扩散均匀化退火，三维方向的三次镦粗、拔长锻造，锻后水、空气双介质交替快速冷却，其得到的4Cr5MoSiV1热作模具钢具有稳定的回火组织及极佳的等向性，但是难以保证热稳定性。

综上，目前通常采用长时间高温扩散退火改善元素的不均匀分布，并溶解偏析带中存在的大块共晶碳化物从而减轻组织不均匀性对钢材力学性能的不利影响。但是此种方法需进行长时间的加热保温，占用了热处理炉，降低生产效率，且消耗了大量的煤气，增加了生产成本。需对其工艺进行改进。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种热作模具钢及其高效的制备方法，合金化成分设计合理，并提供该种热作模具钢高效、环保、低成本的生产工艺，使得该种模具钢既经济又可保证极佳的性能。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种热作模具钢，该热作模具钢的化学成分的重量百分比为：

C：0.34％-0.45％，Si：1.00％-1.40％，Mn：0.50％-0.60％，P≤0.015％，S≤0.015％， Cr：5.00％-6.00％，Mo：1.00％-1.20％，Nb：0.08％-0.12％，Ni：1.00％-1.30％，余量为Fe 及不可避免杂质，其中Ni/Nb≥9.2。

本发明钢成分设计理由如下：

C：钢中含碳量决定淬火钢的基体硬度，对热作模具钢而言，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化。另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。对热作模具钢，这种合金碳化物除少量残留的以外，还要求它在回火过程中在回火马氏体基体上弥散析出碳化物产生二次硬化现象，均匀分布的残留合金碳化物和回火马氏体组织来决定热作模具钢的性能。为保证热作模具钢的综合机械性能，选择加入C含量为0.34％-0.45％。

Si：硅作为钢中的合金元素，以固溶体形态存在于铁素体或奥氏体中，不形成碳化物，提高淬火温度，提高淬透性。Si也为提高回火抗力的有效元素。Si降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，增加回火稳定性。但随着Si含量的增加，球化的碳化物尺寸变大，间距增加，促进偏析，形成带状组织，使横向性能低于纵向。因此，需要合适控制其含量，选择加入Si含量为1.00％-1.40％。

Mn：钢中含有Mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与S有较大的亲合力，可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS，而以具有一定塑性的MnS存在，从而消除硫的有害影响，改善钢的热加工性能。选择加入Mn含量为0.50％-0.60％。

P、S：过多会影响钢的均质性及纯净度，但考虑到生产成本，选择控制在P≤0.015％， S≤0.015％。

Cr：铬对热作模具钢的耐磨性、高温强度、热态硬度、韧性和淬透性都有有利的影响。铬一部分固溶到基体起到固溶强化作用，另一部分与碳结合形成碳化物。淬火加热时铬溶于奥氏体，淬火后固溶于马氏体中，可以提高钢的抗回火软化能力，回火时由基体中析出，一般形成合金碳化物，随着回火温度的升高及时间的延长有粗化的趋势。选择加入Cr含量为5.00％-6.00％。

Mo：钼在钢中可提高钢的淬透性，同时在钢中形成特殊的碳化物，提高钢的二次硬化能力和回火稳定性，钼与碳结合，在回火时析出更多细小短杆状碳化物，对提高钢的回火稳定性起了很大的作用。选择加入Mo含量为1.00％-1.20％。

Nb：本发明采用以Nb代V的设计思路，Nb相对于V更易形成稳定细小弥散的MC 型碳化物，Nb与C、N均有较强的亲和力，其碳、氮化物溶解温度很高，如Nb(N、C) 溶解温度为1150℃。在奥氏体化时，这些微合金化碳、氮化物部分不溶解，阻碍奥氏体晶粒长大，相变时作为晶核，促使晶粒细化，添加少量Nb即可得到显著效果。选择加入Nb 含量为0.08％-0.12％。

Ni：本发明又加入一定量Ni，且Ni/Nb≥9.2使该种模具钢具有一定淬透性和韧性，同时使Mo-Nb-Ni合金化发挥最佳作用。选择加入Ni含量为1.00％-1.30％。

一种热作模具钢高效的制备方法，包括以下步骤：

1)采用铁水预处理-转炉冶炼-炉外精炼方式进行冶炼，板坯连铸得到连铸坯，将连铸坯进行轧制预变形，变形量控制在15％-25％，随后进行高温均质化处理，将连铸坯加热到 1200-1250℃，并保温2.5-5h；

2)板坯开轧温度控制在1100-1180℃，在轧制阶段用高压水充分除磷，前三道次累积压下率在20％-30％，使热作模具钢组织充分奥氏体化，促进高温再结晶；二阶段开轧温度控制在870-930℃，终轧温度控制在820-870℃，二阶段累积压下率46％-65％，成品厚度为 12-80mm；轧后钢板进行堆垛缓冷；

3)采用淬火+回火的热处理工艺，淬火温度控制在1020-1050℃，保温30-60min，回火温度480-540℃，保温2-5h。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用以Nb代V，增Si降Mo，Mo、Nb、Ni合理搭配、共同作用的设计思路进行合金成分优化以兼顾合金成本及热作模具钢性能，采用机械扩散与热扩散共同作用，使该种热作模具钢成分均匀化，大大缩短合金元素均匀化所需要的时间，较常规成分均匀化时间缩短1倍，提高生产效率，减小生产成本，生产出的热作模具钢洛氏硬度为 55-57HRC，等向性能为0.84-0.89，热稳定性良好，具有优异的综合性能。满足高效、环保、低成本的优质模具钢研发目标。本发明的制备方法具有以下优点：

1、本发明采用机械扩散与热扩散共同作用，使该种热作模具钢成分均匀化，防止成分偏析，改善钢的凝固组织，且大大缩短合金元素均匀化所需要的时间，较常规成分均匀化时间8-10h缩短1倍，减少占用加热炉时间，提高生产效率，减小生产成本。

2、本发明采用中温轧制，可达到细化晶粒、使组织均匀，提高该种模具钢力学性能、改善轧材表面质量的目的。

3、模具钢淬火为了获得该种钢所能达到的最大硬度，为了得到该种材料的高强度且避免韧性降低，需设定该种淬火温度上限。随后进行回火使模具钢硬度下降，主要是由于淬火时形成过饱和高硬度的马氏体，过饱和马氏体在热力学是不稳定的状态，在回火处理时，将会发生碳合金元素的脱溶，伴随着马氏体硬度的逐渐降低。回火后，析出细小弥散的碳化物，消除应力，使钢板具有稳定均匀的组织及良好的综合性能。

附图说明

图1是实施例的热稳定性曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

一种热作模具钢，该热作模具钢的化学成分的重量百分比为：

C：0.34％-0.45％，Si：1.00％-1.40％，Mn：0.50％-0.60％，P≤0.015％，S≤0.015％， Cr：5.00％-6.00％，Mo：1.00％-1.20％，Nb：0.08％-0.12％，Ni：1.00％-1.30％，余量为Fe 及不可避免杂质。

一种热作模具钢高效的制备方法，包括以下步骤：

1)采用铁水预处理-转炉冶炼-炉外精炼(LF+RH)方式进行冶炼，板坯连铸得到连铸坯，将连铸坯进行轧制预变形，变形量控制在15％-25％，随后进行高温均质化处理，将连铸坯加热到1200-1250℃，并保温2.5-5h。

本发明采用机械扩散与热扩散共同作用，使该种热作模具钢成分均匀化，防止成分偏析，改善钢的凝固组织，且大大缩短合金元素均匀化所需要的时间，较常规成分均匀化时间8-10h缩短1倍，减少占用加热炉时间，提高生产效率，减小生产成本。

2)板坯开轧温度控制在1100-1180℃，在轧制阶段过程用高压水充分除磷，前三道次累积压下率在20％-30％，使热作模具钢组织充分奥氏体化，促进高温再结晶，为后续控制轧制做好组织准备。二阶段开轧温度控制在870-930℃，终轧温度820-870℃，二阶段累积压下率46％-65％，成品厚度为12-80mm。本发明采用中温轧制，可达到细化晶粒、使组织均匀，提高该种模具钢力学性能、改善轧材表面质量的目的。轧后钢板进行堆垛缓冷。

3)本发明采用淬火+回火的热处理工艺。淬火温度1020-1050℃，保温30-60min，回火温度480-540℃，保温2-3h，空冷至室温，回火2-3次。模具钢淬火为了获得该种钢所能达到的最大硬度，为了得到该种材料的高强度且避免韧性降低，需设定该种淬火温度上限。随后进行回火使模具钢硬度下降，主要是由于淬火时形成过饱和高硬度的马氏体，过饱和马氏体在热力学是不稳定的状态，在回火处理时，将会发生碳合金元素的脱溶，伴随着马氏体硬度的逐渐降低。回火后，析出细小弥散的碳化物，使钢板具有稳定均匀的组织及良好的综合性能。

实施例见表1-表6：

表1本发明实施例及对比例热作模具钢化学成分(wt％)

表2实施例连铸坯的预变形与加热工艺

表3实施例的热轧工艺

表4实施例的热处理工艺

表5终态钢板的洛氏硬度性能

表6各实施例的等向性能

见图1、表5，本发明在620℃下，不同保温时间进行热稳定性试验，发现本发明的热作模具钢热稳定性明显优于H13热作模具钢。

Claims (1)

1.一种热作模具钢高效的制备方法，其特征在于，该热作模具钢的化学成分的重量百分比为：

C：0.34％-0.45％，Si：1.00％-1.40％，Mn：0.50％-0.60％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr：5.00％-6.00％，Mo：1.00％-1.20％，Nb：0.08％-0.12％，Ni：1.00％-1.30％，余量为Fe及不可避免杂质，其中Ni/Nb≥9.2；

所述的热作模具钢高效的制备方法，包括以下步骤：

1)采用铁水预处理-转炉冶炼-炉外精炼方式进行冶炼，板坯连铸得到连铸坯，将连铸坯进行轧制预变形，变形量控制在15％-25％，随后进行高温均质化处理，将连铸坯加热到1200-1250℃，并保温2.5-5h；

2)板坯开轧温度控制在1100-1180℃，在轧制阶段用高压水充分除磷，前三道次累积压下率在20％-30％，使热作模具钢组织充分奥氏体化，促进高温再结晶；二阶段开轧温度控制在870-930℃，终轧温度控制在820-870℃，二阶段累积压下率46％-65％，成品厚度为12-80mm；轧后钢板进行堆垛缓冷；

3)采用淬火+回火的热处理工艺，淬火温度控制在1020-1050℃，保温30-60min，回火温度480-540℃，保温2-5h。

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