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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