CN111020382B

CN111020382B - 一种高热稳定性压铸模具钢及其制备方法

Info

Publication number: CN111020382B
Application number: CN201911260855.7A
Authority: CN
Inventors: 吴晓春
Original assignee: Shanghai Shijin New Material Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Shijin New Material Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2039-12-10
Also published as: CN111020382A

Abstract

本发明涉及合金钢制造领域，尤其涉及一种高热稳定性压铸模具钢及其制备和热处理方法。本发明提供了一种压铸模具钢，所述压铸模具钢所包含组分的质量百分比为：C 0.3～0.45％，Si 0.2～0.5％，Mn 0.30～0.60％，Cr 2.00～4.00％，Mo 1.80～3.00％，V 0.40～0.80％，S≤0.005％，P≤0.02％，余量为Fe。本发明所述压铸模具钢的制备方法包括：配料、冶炼、浇铸、电渣重熔、高温均质化、锻造、固溶、球化处理，最后进行淬火和回火热处理。相比常用的H13(4Cr5MoSiV1)、DIEVAR(4Cr5Mo2V)、QRO90(4Cr3Mo2V1)压铸模具钢，本发明所述压铸模具钢在保证极高的强韧性配比的同时，具有更优的热稳定性能。

Description

一种高热稳定性压铸模具钢及其制备方法

技术领域

本发明属于合金钢制造工艺技术领域，尤其涉及一种高热稳定性压铸模具钢及其制备方法。

背景技术

近年来，随着我国汽车等制造产品的发展，模具钢行业在我国占据重要地位，特别是在热作压铸模具钢研究方面有了很大的进展。但由于压铸模具服役时会受到冷热交替及连续冲击载荷的作用产生很多热损伤，包括热疲劳、热磨损并导致开裂等失效，而降低热作模具的使用寿命，并且造成经济损失，因此要求热作压铸模具钢具有较强的红硬性、高温热强性和良好的热稳定性等。

传统的常用压铸模具材料主要有H系列如H13(4Cr5MoSiV1)、H11(4Cr5MoSiV)此类钢种碳化物均匀，淬透性好，韧性较高，但抗回火软化性能较差、高温热强性不足，不能满足高温条件下服役的要求；瑞典Uddholm公司通过新工艺以及精炼技术，同时减少C、Si元素，提高合金元素Mo的含量而推出的新型热作模具钢DIEVAR(4Cr5Mo2V)，该钢相对于H13有良好的耐磨性能和抗冷热疲劳性能，但当温度高于620℃时其热疲劳性能会出现明显下降。

含3.0％Cr的QRO系钢是由瑞典研发的新型模具钢，且在模具工业得到了广泛应用，主要以QRO45、QRO80、QRO90为代表，考虑到H13钢中Cr含量为5％左右，由于Cr与碳的结合能力较强，钢中较高的Cr含量容易在回火时形成较多M23C6，使得这种类型的碳化物不仅硬度较低，且在保温的过程中容易粗化，使得模具钢的热稳定性降低。虽V与C的结合力强于Cr，且V的碳化物具有较高的抗回火软化能力，但Cr含量较高会妨碍VC的析出和转变。QRO系列模具钢相对于H13钢降低了Cr的含量，增加了与碳亲和力强于Cr且对抗回火软化能力贡献较大的Mo元素，使得该钢具有较强的抗回火软化性能。可见，传统的压铸模具钢的开发主要是通过优化合金元素含量、采用先进的冶炼工艺及锻造工艺，以改善模具钢内部组织结构，提高热作模具钢的耐磨性、高温热强性、抗回火软化性、冲击韧性等性能。最终改善模具服役寿命、满足现代模具工业的需要。

为满足国内高端热压铸模具钢市场的需求，本发明在比较成熟的QRO90(4Cr3Mo2V1)和DIEVAR(4Cr5Mo2V)钢成分的基础上进一步优化Mo、V、Si等元素的含量，从而提高钢的强度、耐磨性、热稳定性和热疲劳性能，同时保持较高的韧性，以保证压铸模具的寿命。

发明内容

本发明的目的是基于上述现有技术的缺陷，提供一种压铸模具钢，保证极高的强韧性配比的同时，具有更优的热稳定性能。

上述目的可以通过以下技术方案实现：一种高热稳定性压铸模具钢，所述压铸模具钢由如下质量百分比的组分组成：C 0.3～0.45％，Si0.2～0.5％，Mn 0.30～0.60％，Cr2.00～4.00％，Mo 1.80～3.00％，V0.40～0.80％，S≤0.005％，P≤0.02％，余量为Fe。

优选地，所述压铸模具钢由如下质量百分比的组分组成：C0.35～0.45％，Si 0.3～0.5％，Mn 0.5～0.6％，Cr 2.5～3.5％，Mo 2.0～3.0％，V0.60～0.80％，S≤0.004％，P≤0.015％，余量为Fe。

优选地，所述压铸模具钢由如下质量百分比的组分组成：C 0.38％，Si 0.31％，Mn0.51％，Cr 3.01％，Mo 2.34％，V 0.61％，S 0.004％，P 0.014％，余量为Fe。

进一步地，本发明还提供了一种高热稳定性压铸模具钢的制备方法，包括以下步骤：

1)冶炼：按压铸模具钢所含组分的质量百分比进行配料、熔炼；

2)电渣重熔：将熔炼浇注后的钢锭切除钢锭冒口，清除其表面氧化皮后放到电渣重熔装置中，钢锭自下而上逐步结晶，完成电渣重熔；

3)高温均质化热处理：均质化温度为1220～1270℃，均质化时间T1；

4)锻造：将经过高温均质化处理的钢锭炉冷降温至1100～1200℃温度范围内进行锻造加工；

5)固溶处理：固溶温度为1060～1120℃，固溶时间T2，然后快冷至模块表面温度最高点250℃以下；

6)球化退火：第一段等温温度为780～880℃保温一段时间T3，第二段等温温度为700～750℃保温一段时间T4，后炉冷到200～300℃后出炉空冷；

7)淬火及回火热处理：淬火温度为1010～1060℃，冷却后，立即回火处理，回火采用500～620℃回火。

优选地，步骤3)中所述均质化时间T1根据电渣锭的直径、装炉量和装炉方式制定，一般T1≥10h；

优选地，步骤4)中终锻温度为850～900℃；

优选地，步骤5)中所述固溶时间T2根据工件有效尺寸、装炉量和装炉方式而定，根据实际由经验公式和模拟计算确定，T2≥2h；

优选地，步骤6)中两段加热保温时间均根据工件有效尺寸、装炉量和装炉方式而定，优选地T3≥4h，T4≥8h；

优选地，步骤7)中所述冷却的温度为80℃；

优选地，步骤7)中回火次数2次；

优选地，步骤7)中每次回火时间为T5，优选地T5为2h。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述压铸模具钢具有高热稳定高温强度性能，在合金化思路基础上，合金化特点结合现有QRO90钢的高温稳定性和DIEVAR钢的高淬透性、高温强度的优点，通过协调C、Cr、Mo、V形成碳化物的配比，保持高Mo和低Si以保证钢的强度、硬度和耐磨性的基础上又能使钢具有良好的红硬性并降低Si对脆性断裂的影响，而过多的V会使模具钢淬火过程中未溶解的V系碳化物较多，会导致韧性降低，据此，本发明钢降低V元素以减少未溶解的V系碳化物含量，提高工艺性能，降低Cr元素含量，来提高发明钢的耐磨性和热稳定性能。并且通过合理的制备和热处理工艺，减少钢材夹杂成分偏析等问题，均匀细化组织，使材料具有更优的强度。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明，以充分说明本发明的目的、技术特征和技术效果。

图1是本发明实施例1高热稳定性压铸模具钢发明钢退火态显微组织。

图2是本发明实施例1高热稳定性压铸模具钢发明钢回火特性曲线。

图3是本发明实施例1高热稳定性压铸模具钢发明钢与DIEVAR钢热稳定性对比。

图4是本发明实施例1高热稳定性压铸模具钢发明钢与DIEVAR钢热导率对比。

图5是本发明实施例1高热稳定性压铸模具钢发明钢与QRO90和DIEVAR钢耐磨性能对比。

图6是本发明实施例1高热稳定性压铸模具钢发明钢与DIEVAR钢高温硬度对比。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例是用来举例说明本发明的，并不限定本发明的范围。实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。

实施例1-3

一种高热稳定性压铸模具钢，化学成分组成及质量百分比如下：

实施例4

上述实施例1中压铸模具钢的制备工艺过程和步骤如下：

A.冶炼：按高热稳定性压铸模具钢的化学成分及重量百分比如上表所示，进行配料、熔炼；

B.电渣重熔：将熔炼浇注后的钢锭切除钢锭冒口，清除其表面氧化皮后放到电渣重熔装置中，钢锭自下而上逐步结晶，完成电渣重熔；

C.高温均质化热处理：均质化温度为1250℃，时间T1均质化时间为10h；

D.锻造：将经过高温均质化处理的钢锭降温至1100℃温度范围内进行锻造加工，终锻温度880℃，锻造时的镦粗比为2.3，拔长比为4.2；

E.固溶处理：固溶温度为1090℃，固溶时间T2为2h；然后快冷至模块表面温度最高点250℃以下；

F.球化退火：第一段等温温度为810℃保温4h，第二段等温温度为720℃保温8h，后炉冷到250℃后出炉空冷；

G.淬火及回火热处理：淬火温度为1030℃，冷却至80℃后，立即回火处理，回火采用600℃回火，回火2次，每次回火时间为2h。

实施例5

上述实施例2中压铸模具钢的制备工艺过程和步骤如下：

C.高温均质化热处理：均质化温度为1220℃，时间T1为12h；

D.锻造：将经过高温均质化处理的钢锭降温至1180℃温度范围内进行锻造加工，终锻温度880℃，锻造时的镦粗比为3，拔长比为5.3；

E.固溶处理：固溶温度为1100℃，固溶时间3h；然后快冷至模块表面温度最高点250℃以下；

F.球化退火：第一段等温温度为820℃保温5h，第二段等温温度为720℃保温9h，后炉冷到200～300℃后出炉空冷；

G.淬火及回火热处理：淬火温度为1020℃，冷却至80℃后，立即回火处理，回火采用605℃回火，回火2次，每次回火时间为2h。

实施例6

上述实施例3压铸模具钢的制备工艺过程和步骤如下：

C.高温均质化热处理：均质化温度为1270℃，时间T1均质化时间13h；

D.锻造：将经过高温均质化处理的钢锭降温至1200℃温度范围内进行锻造加工，终锻温度860℃，锻造时的镦粗比为3.5，拔长比为6.8；

E.固溶处理：固溶温度为1120℃，固溶时间T2为3h；然后快冷至模块表面温度最高点250℃以下；

F.球化退火：第一段等温温度为820℃保温4h，第二段等温温度为740℃保温10h，后炉冷到200～300℃后出炉空冷；

G.淬火及回火热处理：淬火温度为1020℃，冷却至80℃后，立即回火处理，回火采用610℃回火，2次，每次回火时间为2h。

实施例7性能测试

经过上述制造工艺后，在实施例1制备得到的成品钢上取样进行性能检测：

(1)淬火硬度：59.3～59.7HRC，回火硬度：44.3～45.8HRC，图1是成品钢退火态显微组织。由图1可知，产品钢显微组织为：粒状珠光体+碳化物，未见液析碳化物，二次碳化物颗粒细小且均匀弥散地分布在基体上。

(2)回火特性曲线

选择不同的回火温度进行回火实验，回火两次每次2h，进行硬度测试，硬度变化曲线见附图2，在450～600℃试验钢的硬度都高于51HRC，说明本试验钢具有良好的回火特性，在500～520℃，试验钢出现二次硬化峰。

(3)冲击韧性试验：

按照标准(NADCA#207)取冲击试样，试样尺寸为7mm×10mm×55mm无缺口。室温冲击功值：本发明钢冲击功值在390～400J之间，DIEVAR钢在390～420J，冲击韧性水平相当。都达到NADCA#207标准的超级钢冲击功要求。

(4)高温稳定性

将试验钢和对比钢(DIEVAR钢)预先热处理至硬度为44～46HRC，后分别在600℃和650℃下进行不同时间的保温实验，测定不同时间的硬度值，结果见附图3。在600℃本发明钢与DIEVAR钢的硬度差越来越大，发明钢在时间增加的情况下硬度下降情况明显小于DIEVAR钢，在650℃时随着时间延长两种钢硬度下降都比较明显，但是发明钢的硬度值明显下降幅度小于DIEVAR钢，说明发明钢热稳定性能优于DIEVAR钢。

(5)导热率

分别测定100℃、200℃、300℃、400℃、500℃和600℃温度下的热导率，结果见附图4，可见本发明钢的导热率明显高于DIEVAR钢。

(6)耐磨性能

采用UMT-3高温摩擦磨损试验机对发明钢、QRO90钢和DIEVAR钢的耐磨性能进行评价，对磨材料SiC、载荷20N，磨损时间60min。620℃下磨损体积分别为0.22mm³、0.35mm³和0.40mm³，发明钢具有最好的高温耐磨性能，结果见附图5。

(7)高温硬度

利用高温维氏硬度计测试了发明钢和DIEVAR钢在25℃、200℃、300℃、400℃、500℃、550℃、600℃、650℃和700℃的维氏硬度值，在不同温度下发明钢的硬度均高于DIEVAR钢，结果见附图6。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种高热稳定性压铸模具钢，其特征在于，所述压铸模具钢由如下质量百分比的组分组成：C 0.38％，Si 0.31％，Mn 0.51％，Cr 3.01％，Mo 2.34％，V 0.61％，S 0.004％，P0.01％，余量为Fe；所述的高热稳定性压铸模具钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3)高温均质化热处理：均质化温度为1220～1270℃，均质化时间T1；所述均质化时间T1≥10h；

4)锻造：将经过高温均质化处理的钢锭炉冷降温至1100～1200℃温度范围内进行锻造加工，终锻温度为850～900℃；

7)淬火及回火热处理：淬火温度为1010～1060℃，冷却至80℃后，立即回火处理，采用500～620℃回火，回火2次，每次回火时间为2h。