CN111057950A - 一种耐高温和高韧性的热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及特钢锻件技术领域,尤其涉及一种耐高温和高韧性的热作模具钢及其制备方法,包括热作模具钢由如下重量百分比的成分组成:C:0.38~0.40%;Si:0.25~0.40%;Mn:0.45~0.55%;Cr:4.75~5.3%;Mo:1.7~1.9%;V:0.60~0.80%;Ni:0.30~0.50%;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、淬火油冷处理、球化退火处理,本发明中优化了热作模具钢的原料配占比,将Si、V、Mo以及Ni等元素的含量限制在精准的调控范围内,可以确保对应Si、V、Mo以及Ni等元素的加入量准确,以避免模具钢出现各个性能无法兼容的问题,选取范围内含量的数值可以直接制作出高性能的热作模具钢,成品率显著提升。

Description

一种耐高温和高韧性的热作模具钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及特钢锻件技技术领域,尤其涉及一种耐高温和高韧性的热作模 具钢及其制备方法。
背景技术
热作模具钢主要是指对金属进行热变形加工的模具用的合金工具钢,如热 锻模、热挤压模、压铸模、热镦模等。由于热作模具长时间处于高温高压条件 下工作,因此,要求模具材料具有高的强度、硬度及热稳定性,特别是应有高 热强性、热疲劳性、韧性等性能。模具加工成型具有生产效率高、质量好、节 约材料和成本低等一系列优点,应用范围及其广泛,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。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。
针对上述问题,已有现有技术公开号为:CN110306108A,名称为:一种高 韧性高抗裂性热作模具钢及其制造方法,该发明中通过降低Si、V含量有利于 控制模具钢中的一次碳化物类型,减弱一次碳化物对后续工艺及产品性能的影 响,提高模具钢的韧性;添加Mo元素可以提高材料的高温强度、抗回火稳定 性及冷热疲劳性能;添加Ni元素进行合金化使相变点温度降低、获得马氏体 的临界冷却速率更低,可使模具钢获得更高的淬透性和冲击韧性,从而获得更 佳的综合性能;然而热作模具钢对于加入成分的要求极其严格,若Si、V、Mo 以及Ni等元素的含量调节不当时,热作模具钢的高韧性、高硬度、抗热裂性、 高硬度以及切削加工性无法兼容,该发明中提供的热作模具钢的组成成分范围 过大,例如在提高Mo元素的含量时,但Si、V以及Ni元素选取范围中的数值 不当,虽然模具钢具有较高的强度和硬度,但会降低器切削加工性,难以对模 具钢进行切削处理,同时使后续的热处理工艺被迫改变,进而影响产品的性能, 该发明提供的制备方法并不能直接制作出高性能的热作模具钢,其成品率较 低。
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,而提出的一种耐高温和 高韧性的热作模具钢。
为了实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种耐高温和高韧性的热作模具钢,所述的热作模具钢由如下重量百分比 的成分组成:C:0.38~0.40%;Si:0.25~0.40%;Mn:0.45~0.55%;Cr:4.75~ 5.3%;Mo:1.7~1.9%;V:0.60~0.80%;Ni:0.30~0.50%;S≤0.002%;P≤ 0.0015%;Fe余量;
一种耐高温和高韧性的热作模具钢的制备方法,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:0.38~0.40%;Si:0.25~0.40%;Mn:0.45~0.55%;Cr:4.75~5.3%;Mo:1.7~1.9%; V:0.60~0.80%;Ni:0.30~0.50%;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步骤中锻件高温扩散的温度为1050℃,持续时间为6h, 晶粒度>8.5。
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1020-1050℃、终锻温度为 810-840℃,总锻造比≥8。
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,将Si、V、Mo以及Ni等元素的含量限制在精准的调控范围内, 在减弱模具钢中一次碳化物对后续工艺及产品性能的影响、提高模具钢的韧 性、提高材料的高温强度、抗回火稳定性、冷热疲劳性能、获得更高的淬透性 和冲击韧性以及具有较长的使用寿命的基础上,可以确保对应Si、V、Mo以及 Ni等元素的加入量准确,以避免模具钢出现各个性能无法兼容的问题,选取范 围内含量的数值可以直接制作出高性能的热作模具钢,成品率显著提升。
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1,一种耐高温和高韧性的热作模具钢的制备方法,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:0.38%; Si:0.25%;Mn:0.45%;Cr:4.75%;Mo:1.7%;V:0.60%;Ni:0.30%;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1020℃、终锻温度为810℃,总锻造比为8),得锻 件,随后对锻件进行高温扩散(锻件高温扩散的温度为1050℃,持续时间为 6h,晶粒度为8.6);
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2,一种耐高温和高韧性的热作模具钢的制备方法,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:0.3%;Mn:0.50%;Cr:5.00%;Mo:1.8%;V:0.70%;Ni:0.40%;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1020℃、终锻温度为810℃,总锻造比为8),得锻 件,随后对锻件进行高温扩散(锻件高温扩散的温度为1050℃,持续时间为 6h,晶粒度为8.6);
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3,一种耐高温和高韧性的热作模具钢的制备方法,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:0.40%; Si:0.40%;Mn:0.55%;Cr:5.3%;Mo:1.9%;V:0.80%;Ni:0.50%;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1020℃、终锻温度为810℃,总锻造比为8),得锻 件,随后对锻件进行高温扩散(锻件高温扩散的温度为1050℃,持续时间为 6h,晶粒度为8.6);
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720℃,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。
将上述三种成品按ASTM45进行检验,检测结果如下:
Figure BDA0002340737310000071
由上述检测结果可知,本发明提出的一种耐高温和高韧性的热作模具钢含 有的杂质量小,所有检验结果均满足使用标准,具有更好的韧性和强度。
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:
抗拉强度/MPa 硬度/HRC 屈服强度/Mpa
H13 1420 45 585
成品一 1480 46 635
成品二 1470 47 633
成品三 1465 46 628
从中可以看出,本发明生产的耐高温和高韧性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,利用Ni-Mo复合合金化充分提高模 具钢的韧性、淬透性和抗热裂性等性能,保证模具热处理的组织、硬度及均匀 性,同时成品率提升至100%,模具的使用寿命大大延长,切削加工性能好,避 免了模具钢出现高强度、高韧性、抗热裂性能无法兼容的问题,提升了我国模 具制造水平和市场竞争力,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)

1.一种耐高温和高韧性的热作模具钢,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:0.38~0.40%;Si:0.25~0.40%;Mn:0.45~0.55%;Cr:4.75~5.3%;Mo:1.7~1.9%;V:0.60~0.80%;Ni:0.30~0.50%;S≤0.002%;P≤0.0015%;Fe余量。
2.一种如权利要求书1所述的耐高温和高韧性的热作模具钢的制备方法,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:0.38~0.40%;Si:0.25~0.40%;Mn:0.45~0.55%;Cr:4.75~5.3%;Mo:1.7~1.9%;V:0.60~0.80%;Ni:0.30~0.50%;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所述的一种耐高温和高韧性的热作模具钢的制备方法,其特征在于,所述S6步骤中锻件高温扩散的温度为1050℃,持续时间为6h,晶粒度>8.5。
4.根据权利要求2所述的一种耐高温和高韧性的热作模具钢的制备方法,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所述的一种耐高温和高韧性的热作模具钢的制备方法,其特征在于,所述步骤S6中锻造的始锻温度为1020-1050℃、终锻温度为810-840℃,总锻造比≥8。
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