CN110885947A

CN110885947A - 一种高性能强韧热作模具钢及其制备方法

Info

Publication number: CN110885947A
Application number: CN201811047375.8A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Bilong Mould Material Technology Nantong Co Ltd
Current assignee: Bilong Mould Material Technology Nantong Co Ltd
Priority date: 2018-09-09
Filing date: 2018-09-09
Publication date: 2020-03-17

Abstract

本发明涉及一种高性能强韧热作模具钢及其制造工艺，所述高性能强韧热作模具钢采用的组成成分及其质量百分比如下：C 0.20～0.35%，Si≤0.38%，Mn 0.32～0.65%，Cr 4.20～4.60%，Mo 2.50～3.00%，W 0.15～0.25%，V 0.35～0.75%，Nb 0.03～0.05%，P＜0.01%，S＜0.005%，Fe余量；本发明模具钢的制造过程如下：电弧炉熔炼、浇涛，电渣重熔，然后采用二镦二拔进行锻造加工，最后进行退火、淬火和回火的热处理工艺。本发明的优点在于：本发明热作模具钢质地纯净、组织均匀，室温抗拉强度大于1860MPa，具有优良的高温强度、红硬性、冲击韧性和抗回火（热疲劳）性能。

Description

一种高性能强韧热作模具钢及其制备方法

技术领域

本发明属于合金工具钢技术领域，涉及一种热作模具钢，特别涉及一种压铸模用高性能强韧热作模具钢及其制备方法。

背景技术

随着我国的汽车行业、轨道交通、航空航天、工程机械等行业快速发展，模具用钢量需求很大，尤其是热成形类的高端模具钢。由于热作模具工况条件非常恶劣，承受各种应力及金属熔液对模具工作表面的溶蚀，在工作中反复发生炽热金属的加热和冷却介质(水、油、空气)冷却的热循环交替过程，极易产生热疲劳、龟裂、熔蚀等。因此要求模具材料具有高的热强度、高温硬度、冲击韧性、淬透性、好的热稳定性和抗冷热疲劳性能等。

热作模具钢是在较高温度下（一般高于500℃）使用的模具用钢，其中起到高温热强性和热稳定性的合金元素通常是Cr、Mo、V等合金元素，因此目前的一些研究工作主要是对这些合金元素的调整。业内H13和3Cr2W8V是使用最广泛的两种热作模具钢，但由于H13钢作为中耐热型热作模具钢，其工作温度不宜超过600℃，其应用受到限制；而3Cr2W8V钢，使用温度可达650℃，但因韧塑性水平低、冷热疲劳性能和导热性差，容易因冷热疲劳而产生龟裂，甚至因为韧性不足导致断裂。因此，在目前国内制造业高速发展的情况下，亟需一种高温条件下高强韧的热作模具钢及其制备方法。本发明从提高模具有效厚度的角度出发，打破国内大型压铸模用钢依赖进口的局面，使大型压铸模用钢国产化，提高国产模具钢的竞争力和模具钢制造水平，从而开发出了一种大型压铸模用高强韧热作模具钢。。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大型压铸模用高强韧热作模具钢及其制造工艺，以解决上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种大型压铸模用高性能热作模具钢，其创新点在于：所述高强韧热作模具钢采用的组成成分及其质量百分比如下：C 0.20～0 .35%，Si ≤0.38%，Mn 0.32～0 .65%，Cr 4.20～4.60%，Mo 2.50%～3.00%，W 0.15～0.25%，V 0.35～0.75%，Nb 0.03～0.05%，P＜0.01%，S＜0.005%，Fe余量。

进一步地，所述高性能热作模具钢采用的组成成分及其最佳质量百分比如下：C0.25%，Si 0.30%，Mn 0.55%，Cr 4.40%，Mo 2.80%，W 0.20%，V 0.50%，Nb 0.04%，P≤0.009%，S≤0.003%，Fe余量。

本发明通过如下技术方案和步骤实现：

（1）电弧炉熔炼。在电弧炉中加入碎铁矿石及废钢等原料，同时加入石灰，加热熔化，冶炼进行氧化脱碳脱磷。加入高熔点的Mo和W，然后吹氧，在1540～1600℃下冶炼1～2小时。浇铸成电极棒并空冷。

（2）电渣重熔。采用的渣系主要成分的重量配比为：46～55％CaF₂，8～12％CaO，17～23％Al₂O₃，6～10％MgO，6～10％SiO₂，2～6％FeO六元渣系，在氩气保护气氛下电渣重熔,烘烤温度800～840℃，保温时间10～14h，保护罩内氧含量60～100ppm,熔速为400～440kg/h。电渣重熔过程分阶段控制冶炼电流和电压，控制范围：电压60～80V、电流7000～10000A。浇注出炉。

（3）锻造。采用二镦二拔变形工艺。第一次镦粗，将坯料加热至1150～1200℃，保温6～8小时出炉，在镦粗漏盘中镦粗，上加球面镦粗板整体镦粗，终锻温度≥900℃；第一次拔长，将经过第一次镦粗的坯料加热至1130～1180℃，保温6～9小时出炉，使用宽度为1000mm的宽砧进行强压拔长，压下量20～30%，终锻温度≥900℃；第二次镦粗和拔长过程按4～5h退火，开锻温度≥1060℃，终锻温度≥860℃，塑性变形量控制在30～40%/次；锻造结束后，钢件空冷至600～650℃后放入保温炉缓冷，缓冷时间在不少于60h，出炉温度≤100℃。

（4）热处理。退火：将待热处理锻件放入热处理炉内，450～480℃保温5～7h，然后以≤50℃/h的升温速度加热至680～720℃，保温10～12h，再以≤120℃/h的升温速度加热至950～970℃，保温8～10h，以≤60℃/h的降温速度随炉冷却到280～320℃后出炉空冷；

淬火：将退火后的锻件在≤300℃时装入真空气淬炉，以≤120℃/h的升温速度加热至1040～1100℃，保温3h，气淬至室温；回火：将淬火后的锻件在≤300℃时第三次装炉，以≤120℃/h的升温速度加热至550～620℃,保温8～10h，出炉空冷。

本发明具有的有益效果是，按以上成分及工艺制备的模具钢热稳定性好，可在700℃条件下，保持较高硬度，硬度在HRC47以上；本发明的热作模具钢质地纯净、组织均匀，室温抗拉强度Rm≥1860MPa,具有优良的高温强度、红硬性、冲击韧性、抗回火(热疲劳)性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1 为本实施例热作模具钢的回火特性曲线。

图2 为本实施例热作模具钢在上述热处理工艺后的退火组织图。

实施例

以每50吨钢为例，冶炼工艺如下：

（1）熔炼：电弧炉中加入高纯铁水49吨，同时按成分比例加入铁钼合金、铁钨合金，冶炼进行氧化脱碳脱磷，控制熔体碱度在7～8之间，然后以50L/min的速度吹氧，在1580℃下冶炼1.5小时，浇铸成φ500mm的电极棒并空冷。

（2）电渣重熔：采用的渣系主要成分的重量配比为：50％CaF2，10％CaO，20％Al2O3，8％MgO，8％SiO2，4％FeO六元渣系，在氩气保护气氛下电渣重熔,烘烤温度820℃，保温时间12h，保护罩内氧含量为80ppm，熔速为420kg/h，电渣重熔过程冶炼电流8000A，电压70V，电渣重熔成2000Kg的电渣锭。

（3）锻造：将坯料加热至1180℃，保温7小时出炉，在镦粗漏盘中镦粗，上加球面镦粗板整体镦粗，终锻温度950℃；将经过第一次镦粗的坯料加热至1150℃，保温8小时出炉，使用宽度为1000mm的宽砧进行强压拔长，压下量25%，终锻温度930℃；第二次镦粗和拔长过程按5h退火，开锻温度1080℃，终锻温度900℃，塑性变形量控制在35%/次；锻造结束后，钢件空冷至630℃后放入保温炉缓冷，缓冷70h，出炉温度100℃。

（4）热处理：退火，将锻件放入470℃的热处理炉内保温6h，然后以≤40℃/h的升温速度加热至700℃，保温10h，再以100℃/h的升温速度加热至960℃，保温9h，以50℃/h的降温速度随炉冷却到300℃，出炉空冷；淬火，将退火后的锻件在200℃时装入真空淬火炉，以100℃/h的升温速度加热至1080℃保温3h，气淬至室温；回火，将淬火后的锻件在100℃时第三次装炉，以110℃/h的升温速度加热至590℃保温10h，出炉空冷。

本实施例所述热作模具钢的化学组分为：C 0.26％，Si 0.34％，Mn 0.58％，Cr4.2％，Mo 2.8％，W 0.17％，V 0.6％，P≤0.0007％，S≤0.0003％，余量为Fe。

将上述冶炼方法得到的模具钢试样进行性能测试，结果如下：

（1）回火特性：在1080℃淬火后的回火硬度随回火温度变化的特性曲线如附图1所示；

（2）硬度测试：淬火硬度：56.2HRC；回火硬度：51HRC；

（3）退火组织：本发明钢的退火组织如附图2所示。

经开模实际生产测试，本发明的热作模具钢使用寿命为同等产品的1.8倍。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。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

1.一种高性能强韧热作模具钢，其特征在于：所述热作模具钢采用的组成成分及其质量百分比如下：C 0.20～0 .35%，Si ≤0.38%，Mn 0.32～0 .65%，Cr 4.20～4.60%，Mo2.50%～3.00%，W 0.15～0.25%，V 0.35～0.75%，Nb 0.03～0.05%，P ＜0.01%，S ＜0.005%，Fe余量。

2.根据权利要求1所述的高性能强韧热作模具钢，其特征在于：所述高性能强韧热作模具钢采用的组成成分及其最佳质量百分比如下：C 0.25%，Si 0.30%，Mn 0.55%，Cr 4.40%，Mo 2.80%，W 0.20%，V 0.50%，Nb 0.04%，P ≤0.009%，S ≤0.003%，Fe余量。

3.根据权利要求1所述的高性能强韧热作模具钢的制备方法，其特征在于采用以下步骤：

（1）采用电弧炉熔炼，在1540～1600℃下冶炼1～2小时，然后浇铸成电极棒并空冷；

（2）电渣重熔：采用六元渣系，在氩气保护气氛下电渣重熔，电渣重熔过程分阶段控制冶炼电流和电压，控制范围：电压60～80V、电流7000～10000A；

（3）锻造：采用二镦二拔变形工艺；锻造结束后，钢件空冷至600～650℃后放入保温炉缓冷，缓冷时间在不少于60h，出炉温度≤100℃；

（4）热处理：工艺过程为退火、淬火、回火。

4.根据权利要求3所述高性能强韧热作模具钢的制备方法，其特征在于步骤（1）所述熔炼过程包括氧化脱碳和脱磷。

5.根据权利要求3所述高性能强韧热作模具钢的制备方法，其特征在于步骤（2）所述六元渣系成分的重量配比为：46～55％CaF₂，8～12％CaO，17～23％Al₂O₃，6～10％MgO，6～10％SiO₂，2～6％FeO。

6.根据权利要求3所述高性能强韧热作模具钢的制备方法，其特征在于步骤（3）：采用二镦二拔变形工艺，塑性变形量控制在30～40%/次。

7.根据权利要求3所述高性能强韧热作模具钢的制备方法，其特征在于步骤（4）所述淬火为真空气淬。