CN110983202A - 一种抗热疲劳压铸模具钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗热疲劳压铸模具钢，包括按质量％计的：C：0.35至0.42％，Mn：0.30至0.50％，Si：0.15至0.35％，Cr：5.00至5.50％，Mo：2.50至2.70％，V：0.50至0.70％，Ni：≤0.25％，S：≤0.003％，P：≤0.012％，Cu：≤0.25％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明提供了一种抗热疲劳压铸模具钢，相比于国产的H13钢，其经过了均质化处理和多向锻造处理后，材质更加均匀，具有优越的切削加工性和抛光性，通过多向锻造和超细化处理同样使材料具有了高韧性及高塑性，良好的抗热龟裂性能。

Description

一种抗热疲劳压铸模具钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及热作模具材料加工制备技术领域，制备各类中大型铝镁合金压铸模，挤压模的压铸模具钢，具体涉及一种抗热疲劳压铸模具钢及其制备方法。

背景技术

早期国内并没有专门的压铸模具钢，而是用热锻模具钢代替，效果并不是很理想。目前国内铝镁合金压铸模具钢采用的是牌号为4Cr5MoSiVl钢，又称国产H13，售价大都位于20～40元/kg之间，而进口钢的价格是近乎国产钢的3倍，在70～100元/kg之间。但是，出于获得更好的性能的原因，目前大型精密压铸模具使用的模具钢更倾向于采用进口模具钢，但是，付出的代价是3倍于国产钢的价格。

上述性能中就包括有钢的高温抗疲劳性能，钢材的疲劳过程大体上可分为应力集中部位的热疲劳发生和热疲劳扩展这两个不同性质的阶段。通常的机械零件中认为宏观热疲劳的发生就是其使用极限，几乎不进行允许热疲劳扩展的设计。但是对于冗余度高的结构物，即使发生疲劳热疲劳也不会立即导致破坏。因此，如果在疲劳热疲劳导致最终破坏之前在定期检查中能够发现并维修热疲劳部位、或在使用期间内热疲劳不会增长到导致最终破坏的长度，则即使发生疲劳热疲劳，结构物也可表现出足够的耐用性。

目前国产的压铸模具钢在高温高热环境下使用时，寿命均不够理想。

发明内容

本发明要解决的是现有的压铸用模具钢高温抗疲劳性能差的问题，针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种抗热疲劳压铸模具钢及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种抗热疲劳压铸模具钢，包括按质量％计的：

C：0.35％至0.42％，

Mn：0.30％至0.50％，

Si：0.15％至0.35％，

Cr：5.00％至5.50％，

Mo：2.50％至2.70％，

V：0.50％至0.70％，

Ni：≤0.25％，

S：≤0.003％，

P：≤0.012％，

Cu：≤0.25％，

余量为铁和不可避免的杂质。

进一步地，还含有Nb：0.012％至0.060％，且Nb含量偏差为±0.010％。

进一步地，还含有N：0.030％至0.070％。

进一步地，一种抗热疲劳压铸模具钢的制备方法，包括以下步骤：

S1、将原材料表面进行除锈和除油污处理，在电弧炉中进行熔炼；

S2、将上一步骤产生的钢材料进行真空精炼；

S3、将真空精炼后的钢材料进行电渣重熔处理。

进一步地，在步骤S1中的原材料包括低碳钢、硅铁、铬铁、纯镍以及纯铜。

进一步地，将步骤S3电渣重熔的钢锭进行3D锻造处理，且总锻比≥6.0。

进一步地，还包括将3D锻造处理后的钢材进行均质化处理。

一种抗热疲劳压铸模具钢的制备方法获得的模具。

下面描述在本发明的压铸模具钢的成分作用。

C：0.35％至0.42％，

C是在具有良好的切削性的下贝氏体中维持淬火结构和在回火处理中引起归因于Cr、Mo(W)和V的碳化物的析出的硬化所需要的基本添加元素。如果碳含量太大，基体(matrix)转変成马氏体，导致切削性降低，形成过量的碳化物，导致切削性降低。因此,限定碳含量等于或低于0.42％。另一方面，如果碳含量太小，引起铁素体析出，因此，限定碳含量等于或高于0.35％。

Si：0.15％至0.35％，

Si是在钢制备中可用作脱氧元素的元素，并且这种元素促使硬度提高，并且确保钢的切削加工性。另外，Si可用于防止基体中的马氏体的回火软化以及抑制HAZ软化宽度。为了有效地表现这些作用，Si量的下限为0.15％。然而，当它加入过多时，偏析可能增加，并且热处理后的尺寸变化也可能增加，另外，韧性可能降低。因此，其上限为0.35％。

Mn：0.30％至0.50％，

Mn是适合提高本发明钢材的下贝氏体的淬火性、抑制铁素体的产生和提供中度的淬火和回火硬度的元素。但是，如果Mn含量太大，很难控制维持下贝氏体的热处理；促使转変成马氏体；増加基材的韧性以降低切削性。因此，限定Mn含量等于或低于0.50％。为了提供淬火性，优选Mn的加入量等于或高于0.30％。

Cr：5.00％至5.50％，

Cr是可用于确保预定硬度的元素，当Cr量少于5.50％时，淬火性能可能是差的，并且可能部分形成贝氏体以致降低硬度，并且不能确保耐磨性，Cr量为5.00％以上，但是，当Cr量过多时，可能会形成大量粗大的Cr碳化物，并且钢在热处理后可能收缩，膜耐久度可能降低。因此成分的上限为9.00％。Cr量优选为5.50％以下。

Mo：2.50％至2.70％，

Mo是形成M6C碳化物和形成Ni3Mo金属间化合物的两种元素，并且有助于析出强化因此其最低含量为2.50％。但是当Mo加入过多时，上述碳化物可能过多形成以降低韧性，因此含量上限为2.70％。

V：0.50％至0.70％，

V由于形成碳化物例如VC而有助于增加硬度。另外，当通过渗氮处理例如通过蒸气渗氮、盐浴渗氮或等离子渗氮在基体表面上形成扩散硬化层时，V对于增加表面硬度并且对于增加硬化层是有有效的，因此V的含量最低限度为0.50％；但是当V增加量过多时，可能会导致C的溶解量降低，并且机体的马氏体组织的硬度可能下降，因此，优选为0.70％以下。

为了提高模具的强度，加入了含量比较大的Cr，但是Cr的含量越大，会导致切削性能降低。因此，需要用不仅仅依赖Cr的加入量来提高模具的强度。因此本发明还加入了Mo和V，同时通过Mo和V的加入，增加了本发明钢材在高温下的耐磨性，出色的整体硬化性，以及良好耐热疲劳性。

Ni：≤0.25％，

Ni是通过Al-Ni金属间化合物例如Ni3Al的析出强化来提高硬度所必需的元素，另外，当与Cu组合时，Ni对延缓由Cu的过量加入所引起的热加工脆性以及防止锻造过程中的裂开是有效的。因此其含量优选低于0.25％。

S：≤0.003％，

S是确保切削加工性能的元素，以金属夹杂物MnS的形式出现，然而当它加入过多时，可能导致焊缝破裂，并会导致出现焊接时产生针孔、抛光时产生针孔和经放电处理的表面的粗糙化等模具加工时的后果，而且提供生锈的开始点，从而使得模具本身的性质降低，例如促使机械性能各向异性。因此它的为上限0.003％。

P：≤0.012％，

P可以改善钢材的切削加工性，但是当P的含量过多时，则会降低钢材的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。使钢产生热脆性，因此P的含量低于0.012％

Cu：≤0.25％，

Cu适合在本发明的钢材的回火处理中使Fe-Cu固溶液析出和聚集。固溶液析出和聚集与将结构控制为下贝氏体的相互协同给本发明的钢材提供优异的各向异性。Cu也有提供优异的抗腐蚀性能的作用，但是如果Cu的含量过大，则导致钢材的热加工性能降低，Cu将结构转变为马氏体的作用，将导致切削性降低得更多，因此Cu的上限为0.25％。

Nb：0.012％至0.060％

Nb是确保韧性的有效元素。但是Nb含量超过0.060％，韧性反而会降低。添加时Nb的含量最好在0.012至0.060％之间。

N：0.030％至0.070％。

氮是钢材中形成氮化物的元素。如果过量地形成氮化物，模具的韧性、切削性和抛光性将会变差。因此，将钢材中的氮含量限定在较低的水平，至少为0.030％，在本发明中，氮含量限定为至多0.070％。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种抗热疲劳压铸模具钢，相比于国产的H13钢，其经过了均质化处理和多向锻造处理后，材质更加均匀，具有优越的切削加工性和抛光性，通过多向锻造和超细化处理同样使材料具有了高韧性及高塑性，良好的抗热龟裂性能；

通过添加Mo和V材料，使得钢材高温下具有良好的抗回火软化和热疲劳性能，使用寿命极高。

本发明提供的压铸模具钢材料由于简化了加工工艺，还具有成本低，性价比高等特点，特别适合中大型压铸模，挤压模及热锻模，可为企业大幅度降低成本。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明三向锻造过程示意图；

图2为本发明实施例1退火组织金相图；

图3为本发明实施例2退火组织金相图；

图4为本发明实施例1带状组织金相图；

图5为本发明实施例2带状组织金相图；

图6为本发明实施例1碳化物金相图；

图7为本发明实施例2碳化物金相图；

图8为本发明热处理曲线；

图9为本发明淬火曲线；

图10为本发明试样热疲劳金相图；

图11为对比钢试样热疲劳金相图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述：

本发明具体的制备步骤为，将表1所示的各种组成的钢，经过表面除锈和油污后的低碳钢、硅铁、铬铁、纯镍、纯铜称量后钢材料在电弧炉中真空环境中进行冶炼。炉料熔清后，加入0.02％的石墨颗粒进行精炼，精炼期温度控制在1600℃，真空度控制在10Pa，保温时间为40分钟，精炼结束后，将钢液移至真空炉中，在惰性气体的氛围中，进行脱氧、脱硫、去除夹杂物和进行成分微调，真空度在60Pa，再使用保护气氛电渣炉中进行电渣重熔，使用氩气保护，降低大颗粒夹杂物含量，使夹杂物弥散分布使夹杂物的有害作用降低至最低。获得成份均匀、组织致密、质量高的钢锭，合金的持久性能和塑性都得到提高，消除或减轻了各种宏观和显微缺陷，精炼期温度控制在1600℃，真空度控制在10Pa，能得到低磷、低硫以及低残余元素含量的钢材。

上述冶炼过程结束后，使用3000t水压机以及1800t精锻机锻造，处理后的铸锭进行多向锻造，即，先对出炉的圆柱形钢进行钢锭成型处理，将其锻造成长方体结构，将长方体结构的钢材锻造进行长度和宽度等换，再对长宽等换后的钢材高度方向进行墩粗，这样可以充分对钢材进行锻造，把长方体结构的钢材的长定义为Y向，则X向为宽，而高度方向则为Z向，Z向墩粗后再进行X向墩粗，再进行Y向墩粗，最后进行滚圆成型，即完成了锻造过程。使用三向锻造法以减弱金属流线产生的各项差异，对锻造完成的钢材进行超细化处理，并进一步提高锻件的密实度以及热处理后冲击功的等向性，等向性达到0.87以上。

图2和图3分别为本发明实施例和实施例2的退火组织金相图，组织为均匀珠光体加铁素体。

图4和图5分别为本发明实施例1和实施例2的带状组织金相图，从图中可以看出，组织均匀未见明显偏析带；

图6和图7分别为本发明实施例1和实施例2的碳化物金相图，组织为细小的珠光体加铁素体，晶界上未见明显碳化物，说明碳化物已充分溶解，可显著提高模具韧性。

图8为本发明抗回火曲线，从图中可以看出，在相同的条件下具有比现有的H13钢具有更好的抗回火性能；

图9为本发明淬火曲线，可见，本发明具有更好的淬透性，在同样的淬火温度下可以得到更高的硬度，可显著提高热疲劳性能。

表1

低倍组织

模块检验低倍组织按GB/T1299-2014进行低倍组织检查，在酸浸低倍试样的横截面上不得有目视可见的缩孔、夹杂、分层、裂纹、气泡和白点，中心疏松和锭型偏析按GB/T1299-2014进行检测，低倍检测结果如表3所示，可见本发明方法冶炼的钢材组织残次率较低。

表2

实施例	中心疏松	一般疏松	锭型偏析	一般点偏	边缘点偏	晶间裂纹	皮下气泡
								1	0	1	0	0	0	0	0
2	0	1	0	1	0	0	1
								3	0	1	0	0	0	1	0
4	0	0	0	0	0	0	0

表3

冲击性能

冲击性能是指钢材抵抗冲击荷载的能力。钢的化学成分及冶炼、加工质量都对冲击性能有明显的影响。除此以外，钢的冲击性能受温度的影响较大，冲击性能随温度的下降而减小，本发明中，对试样进行以下热处理制度，在1040℃下，保温30分钟，油冷后，在570℃至620℃下至少进行两次回火，保证硬度47HRC，按照GB/T229进行冲击试验，得到以下数据，可以看出在试样进行了以上热处理后，具有很好的强韧性，以及优良的抗回火软化性能。

表4

热疲劳性能

图10为本发明热疲劳金相图，图11为对比钢试样热疲劳金相图，对比钢采用现有的，1.2344耐压热作模具钢。该钢经电渣重熔,材质均匀,淬透性良好,具有优良的机械加工性能及抛光性能,高韧性及可塑性,良好的高、低温耐磨性以及抗高温疲劳和耐热性。

先取冶炼后的试样和对比的试样，在平台上将两者进行磨光处理，然后就把试样放到熔化了的700℃的铝水中，将试样在熔融的铝水中旋转。同时，将试样放入铝水中再取出，然后用水给他冷却，再将试样放入铝水，重复上述过程，从而模拟试样进行热疲劳，将两个试样重复上述过程2000个循环，试样表面抵抗热疲劳后，试样的表面会掉皮，其余的工况均相同。

之后得到图10和图11所示的裂纹金相图，对比两者，可见，图10中本发明的试样裂纹更少，且裂纹深度更浅，这说明本发明的钢抗热疲劳性能比对比钢要好。

使用本发明提供的抗热疲劳压铸模具钢的制备方法获得的模具，具备了上述抗热疲劳的性能，在高温下相比传统的压铸模具钢裂纹更少，且裂纹深度更浅，能够适用更加严苛的环境。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种抗热疲劳压铸模具钢，其特征在于，包括按质量％计的：

C：0.35％至0.42％，

Mn：0.30％至0.50％，

Si：0.15％至0.35％，

Cr：5.00％至5.50％，

Mo：2.50％至2.70％，

V：0.50％至0.70％，

Ni：≤0.25％，

S：≤0.003％，

P：≤0.012％，

Cu：≤0.25％，

余量为铁和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种抗热疲劳压铸模具钢，其特征在于，还含有Nb：0.012％至0.060％，且Nb含量偏差为±0.010％。

3.根据权利要求1或2所述的一种抗热疲劳压铸模具钢，其特征在于，还含有N：0.030％至0.070％。

4.一种权利要求1所述的一种抗热疲劳压铸模具钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将原材料表面进行除锈和除油污处理，在电弧炉中进行熔炼；

S2、将上一步骤产生的钢材料进行真空精炼；

S3、将真空精炼后的钢材料进行电渣重熔处理。

5.一种权利要求4所述的一种抗热疲劳压铸模具钢的制备方法，其特征在于，在步骤S1中的原材料包括低碳钢、硅铁、铬铁、纯镍以及纯铜。

6.一种权利要求4所述的一种抗热疲劳压铸模具钢的制备方法，其特征在于，将步骤S3电渣重熔的钢锭进行3D锻造处理，且总锻比≥6.0。

7.一种权利要求6所述的一种抗热疲劳压铸模具钢的制备方法，其特征在于，还包括将3D锻造处理后的钢材进行均质化处理。

8.一种根据权利要求4-7任一项所述的一种抗热疲劳压铸模具钢的制备方法获得的模具。

Images