CN111057934A - 一种高性能热作模具钢及其生产工艺 - Google Patents

一种高性能热作模具钢及其生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及特钢锻件技术领域，尤其涉及一种高性能热作模具钢及其生产工艺，包括热作模具钢由如下重量百分比的成分组成：C:0.36～0.39％；Si：0.10～0.50％；Mn：0.20～0.60％；Cr：4.7～5.3％；Mo:2.4～2.6％；V：0.50～0.70％；Ni：0.40～0.70％；S≤0.002％；P≤0.0015％；Fe余量；制备过程如下：电弧炉熔炼、炉外精炼、浇铸、气氛保护电渣重熔、锻造、高温扩散、球化退火处理，本发明中优化了热作模具钢的原料配占比，提供了热作模具钢最优化的化学含量组成方案，可提高钢的热强度以及硬度和韧性，可提高钢在加热和冷却时的临界转变温度，提高强度和韧性，通过Ni元素的加入来提升模具钢的淬透性，在强度相同的条件下，提高钢的塑性和韧性，可大大提高模具的使用寿命。

Description

一种高性能热作模具钢及其生产工艺
技术领域
本发明涉及特钢锻件技技术领域，尤其涉及一种高性能热作模具钢及其生 产工艺。
背景技术
热作模具钢是指适宜于对镁铝等金属进行热变形加工的模具所用的合金 钢，如热锻模、热挤压模、压铸模等。如H13钢最早由美国在上世下半叶开发， 由于其具有十分优异的淬透性，以及韧性好、耐磨性高、抗热疲劳好等特点， 在热作模具钢中，H13钢的综合性能表现十分突出，因此，它迅速被生产厂家 所接受并成为主流热作模具钢，并陆续被世界各发达国家所采用。H13钢的主 要特性是：①具有高的淬透性和高的韧性；②优良的抗热裂能力，在工作场合 可予以水冷；③具有中等耐磨损能力，还可以采用渗碳或渗氮工艺来提高其表 面硬度，但会略为降低抗热裂能力；④因其含碳量较低，回火中二次硬化能力 较差；⑤在较高温度下具有抗软化能力，但使用温度高于540℃时硬度出现 迅速下降(即最高工作温度为540℃)；⑥热处理的变形小；⑦中等和高的切削 加工性；⑧中等抗脱碳能力。更为令人注意的是，它还可用于制造航空工业上 的重要构件。
目前，热作模具正在向大型、精密、长寿命的方向发展，对热作模具钢的 性能提出了更高的要求，H13钢已经不能满足客户对模具性能的使用要求，其 韧性、热强度、抗热裂能力、抗疲劳能力以及淬透性都有待提升。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高性能热 作模具钢。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种高性能热作模具钢，所述的热作模具钢由如下重量百分比的成分组 成：C:0.36～0.39％；Si：0.10～0.50％；Mn：0.20～0.60％；Cr：4.7～5.3％； Mo:2.4～2.6％；V：0.50～0.70％；Ni：0.40～0.70％；S≤0.002％；P≤0.0015％； Fe余量；
一种高性能热作模具钢的生产工艺，包括如下步骤：
S1、确定化学成分：热作模具钢坯的化学成分按重量百分比计为：C:0.36～0.39％；Si：0.10～0.50％；Mn：0.20～0.60％；Cr：4.7～5.3％；Mo:2.4～2.6％； V：0.50～0.70％；Ni：0.40～0.70％；S≤0.002％；P≤0.0015％；Fe余量；
S2、电弧炉熔炼：将S1步骤中所述成分组成的热作模具钢坯料放入电弧 炉中加温至1500℃以上并熔炼成钢水；
S3、炉外精炼：将步骤S2中所制得的钢水倒入过滤包钢精炼炉中，去除 磷、硫等非金属类杂质得到高纯度钢水；
S4、浇铸：取步骤S3中所得高纯度钢水浇铸至热作模具钢铸造模具内， 自然冷却后得到钢坯；
S5、气氛保护电渣重熔：将S4步骤中所得钢坯在气体保护下进行电渣重 熔，获取高纯净度的钢锭；
S6、锻造：将电渣重熔后的钢锭加热进行锻造，得锻件，随后对锻件进行 高温扩散；
S7、淬火油冷处理：将高温扩散处理后的锻件升温至500-650℃，保温 3-5小时；二次升温至800-850℃，保温3-4小时；然后三次升温至1000-1100 ℃，保温20-30小时；最后吊入油池冷却至600-650℃，保温7-9小时；
S8球化退火处理：将淬火油冷处理后的锻件升温至800-900℃，保温23-27小时；二次降温至720-780℃，保温32-37小时；然后三次降温至 600-650℃，保温最后降温至180℃以下，出炉空冷至常温得热作模具钢成 品。
优选的，所述S6步骤中高温扩散热处理升温采用多级升温方式。
优选的，所述S6步骤中钢锭加热的温度为1100～1150℃。
优选的，所述步骤S6中锻造的始锻温度为1100～1200℃、终锻温度为 820～900℃，总锻造比≥6。
本发明的有益效果是：与现有技术相比较，本发明中优化了热作模具钢的 原料配占比，提供了热作模具钢最优化的化学含量组成方案，其中通过提供Si 和V元素的精确含量，V可细化组织晶粒，提高强度和韧性，将提升的Mo元素 以及新增的Ni元素的加入量控制在2.4～2.6％和0.40～0.70％的范围内，以完 善各元素之间组成适配比，利用Mo元素对模具钢的铁素体产生固溶强化作用， 同时也提高碳化物的稳定性，从而提高钢的强度，改善了钢的延展性和韧性并 对耐磨性起到有利作用，使模具钢的抗疲劳能力进一步提升，通过Ni元素的 加入来提升模具钢的淬透性，保证固溶冷却后得到马氏体组织，细化铁元素体晶粒，在强度相同的条件下，提高钢的塑性和韧性，特别是低温韧性，模具钢 集高韧性、高强度、高抗热裂能力、高抗疲劳能力以及高寿命为一体，可以满 足客户对模具性能的使用需求。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显 然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施 例。
实施例1，一种高性能热作模具钢的生产工艺，包括如下步骤：S1、确定 化学成分：热作模具钢坯的化学成分按重量百分比计为：C:0.36％；Si：0.10％； Mn：0.20％；Cr：4.7％；Mo:2.4％；V：0.50％；Ni：0.40％；S：0.001％；P：0.0005％； Fe余量；
S2、电弧炉熔炼：将S1步骤中所述成分组成的热作模具钢坯料放入电弧 炉中加温至1550℃并熔炼成钢水；
S3、炉外精炼：将步骤S2中所制得的钢水倒入过滤包钢精炼炉中，去除 磷、硫等非金属类杂质以提高原材料的纯净度，得到高纯度钢水；
S4、浇铸：取步骤S3中所得高纯度钢水浇铸至热作模具钢铸造模具内， 自然冷却后得到钢坯；
S5、气氛保护电渣重熔：将S4步骤中所得钢坯在气体保护下进行电渣重 熔，获取高纯净度的钢锭；
S6、锻造：将电渣重熔后的钢锭加热(钢锭加热的温度为1100℃)进行锻 造(锻造的始锻温度为1100℃、终锻温度为900℃，总锻造比为6)，得锻 件，随后对锻件进行高温扩散(高温扩散热处理升温采用多级升温方式)；
S7、淬火油冷处理：将高温扩散处理后的锻件升温至650℃，保温3小时； 二次升温至850℃，保温3小时；然后三次升温至1000℃，保温20小时； 最后吊入油池冷却至650℃，保温7小时；
S8球化退火处理：将淬火油冷处理后的锻件升温至850℃，保温23小时； 二次降温至720℃，保温32小时；然后三次降温至650℃，保温最后降温至 160℃，出炉空冷至常温得热作模具钢成品一。
实施例2，一种高性能热作模具钢的生产工艺，包括如下步骤：S1、确定 化学成分：热作模具钢坯的化学成分按重量百分比计为：C:0.37％；Si：0.3％； Mn：0.40％；Cr：5.00％；Mo:2.5％；V：0.60％；Ni：0.50％；S：0.0015％；P：0.001％；Fe余量；
S2、电弧炉熔炼：将S1步骤中所述成分组成的热作模具钢坯料放入电弧 炉中加温至1600℃并熔炼成钢水；
S3、炉外精炼：将步骤S2中所制得的钢水倒入过滤包钢精炼炉中，去除 磷、硫等非金属类杂质以提高原材料的纯净度，得到高纯度钢水；
S4、浇铸：取步骤S3中所得高纯度钢水浇铸至热作模具钢铸造模具内， 自然冷却后得到钢坯；
S5、气氛保护电渣重熔：将S4步骤中所得钢坯在气体保护下进行电渣重 熔，获取高纯净度的钢锭；
S6、锻造：将电渣重熔后的钢锭加热(钢锭加热的温度为1100℃)进行锻 造(锻造的始锻温度为1100℃、终锻温度为900℃，总锻造比为6)，得锻 件，随后对锻件进行高温扩散(高温扩散热处理升温采用多级升温方式)；
S7、淬火油冷处理：将高温扩散处理后的锻件升温至650℃，保温4小时； 二次升温至850℃，保温3.5小时；然后三次升温至1050℃，保温25小时； 最后吊入油池冷却至650℃，保温8小时；
S8球化退火处理：将淬火油冷处理后的锻件升温至850℃，保温25小时； 二次降温至740℃，保温35小时；然后三次降温至650℃，保温最后降温至 150℃，出炉空冷至常温得热作模具钢成品二。
实施例3，一种高性能热作模具钢的生产工艺，包括如下步骤：S1、确定 化学成分：热作模具钢坯的化学成分按重量百分比计为：C:0.39％；Si：0.50％； Mn：0.60％；Cr：5.3％；Mo:2.6％；V：0.70％；Ni：0.70％；S：0.002％；P：0.0015％； Fe余量；
S2、电弧炉熔炼：将S1步骤中所述成分组成的热作模具钢坯料放入电弧 炉中加温至1650℃并熔炼成钢水；
S3、炉外精炼：将步骤S2中所制得的钢水倒入过滤包钢精炼炉中，去除 磷、硫等非金属类杂质以提高原材料的纯净度，得到高纯度钢水；
S4、浇铸：取步骤S3中所得高纯度钢水浇铸至热作模具钢铸造模具内， 自然冷却后得到钢坯；
S5、气氛保护电渣重熔：将S4步骤中所得钢坯在气体保护下进行电渣重 熔，获取高纯净度的钢锭；
S6、锻造：将电渣重熔后的钢锭加热(钢锭加热的温度为1100℃)进行锻 造(锻造的始锻温度为1100℃、终锻温度为900℃，总锻造比为6)，得锻 件，随后对锻件进行高温扩散(高温扩散热处理升温采用多级升温方式)；
S7、淬火油冷处理：将高温扩散处理后的锻件升温至650℃，保温5小时； 二次升温至850℃，保温4小时；然后三次升温至1100℃，保温30小时； 最后吊入油池冷却至650℃，保温9小时；
S8球化退火处理：将淬火油冷处理后的锻件升温至850℃，保温27小时； 二次降温至780℃，保温37小时；然后三次降温至650℃，保温最后降温至 140℃，出炉空冷至常温得热作模具钢成品三。
将实施例中生产的耐高温和高韧性的热作模具钢与H13钢种进行对比：
Figure BDA0002332595910000061
Figure BDA0002332595910000071
从中可以看出，本发明生产的热作模具钢的抗拉强度、硬度以及屈服强度 均优于传统的H13钢种，V可细化组织晶粒，提高强度和韧性，将提升的Mo 元素以及新增的Ni元素的加入量控制在2.4～2.6％和0.40～0.70％的范围内， 以完善各元素之间组成适配比，利用Mo元素对模具钢的铁素体产生固溶强化 作用，同时也提高碳化物的稳定性，从而提高钢的强度，改善了钢的延展性和 韧性并对耐磨性起到有利作用，使模具钢的抗疲劳能力进一步提升，通过Ni 元素的加入来提升模具钢的淬透性，保证固溶冷却后得到马氏体组织，细化铁 元素体晶粒，在强度相同的条件下，提高钢的塑性和韧性，特别是低温韧性， 本发明中的热作模具钢集高强度、高韧性、抗热裂性、抗疲劳、高寿命等性能 为一体，与H13钢相比较，各方面性能显著提升，满足客户的使用需求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。

Claims (5)

1.一种高性能热作模具钢，其特征在于，所述的热作模具钢由如下重量百分比的成分组成：C:0.36～0.39％；Si：0.10～0.50％；Mn：0.20～0.60％；Cr：4.7～5.3％；Mo:2.4～2.6％；V：0.50～0.70％；Ni：0.40～0.70％；S≤0.002％；P≤0.0015％；Fe余量。
2.一种如权利要求书1所述的热作模具钢的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、确定化学成分：热作模具钢坯的化学成分按重量百分比计为：C:0.36～0.39％；Si：0.10～0.50％；Mn：0.20～0.60％；Cr：4.7～5.3％；Mo:2.4～2.6％；V：0.50～0.70％；Ni：0.40～0.70％；S≤0.002％；P≤0.0015％；Fe余量；
S2、电弧炉熔炼：将S1步骤中所述成分组成的热作模具钢坯料放入电弧炉中加温至1500℃以上并熔炼成钢水；
S3、炉外精炼：将步骤S2中所制得的钢水倒入过滤包钢精炼炉中，去除磷、硫等非金属类杂质得到高纯度钢水；
S4、浇铸：取步骤S3中所得高纯度钢水浇铸至热作模具钢铸造模具内，自然冷却后得到钢坯；
S5、气氛保护电渣重熔：将S4步骤中所得钢坯在气体保护下进行电渣重熔，获取高纯净度的钢锭；
S6、锻造：将电渣重熔后的钢锭加热进行锻造，得锻件，随后对锻件进行高温扩散；
S7、淬火油冷处理：将高温扩散处理后的锻件升温至500-650℃，保温3-5小时；二次升温至800-850℃，保温3-4小时；然后三次升温至1000-1100℃，保温20-30小时；最后吊入油池冷却至600-650℃，保温7-9小时；
S8球化退火处理：将淬火油冷处理后的锻件升温至800-900℃，保温23-27小时；二次降温至720-780℃，保温32-37小时；然后三次降温至600-650℃，保温最后降温至180℃以下，出炉空冷至常温得热作模具钢成品。
3.根据权利要求2所述的一种高性能热作模具钢的生产工艺，其特征在于，所述S6步骤中高温扩散热处理升温采用多级升温方式。
4.根据权利要求2所述的一种高性能热作模具钢的生产工艺，其特征在于，所述S6步骤中钢锭加热的温度为1100～1150℃。
5.根据权利要求2所述的一种高性能热作模具钢的生产工艺，其特征在于，所述步骤S6中锻造的始锻温度为1100～1200℃、终锻温度为820～900℃，总锻造比≥6。
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