CN111101080A

CN111101080A - 一种耐高温模具钢及其制造方法

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Publication number: CN111101080A
Application number: CN201911385345.2A
Authority: CN
Inventors: 迟宏宵; 马党参; 周健; 殷军伟
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2019-12-28
Filing date: 2019-12-28
Publication date: 2020-05-05

Abstract

一种耐高温模具钢及其制备方法,该模具钢主要有下列质量百分含量的化学成分组成：C：0.2～0.3％，Si：0.2～0.4％，Mn：0.3～0.8％，W：7.0～9.0％，Mo：1.0～4.0％，Cr：6.0～8.0％，Co：6.0～10.0％，V：0～1.0％，Nb：0～0.5％，Re：0～0.05％，Zr：0～0.5％，Ti：0～1.0％，其余为Fe和杂质。优点在于：该种模具钢的成分配比科学合理，抗高温能力强，性能稳定，大大延长了模具的使用寿命，使用过程中不易变形，抗拉强度高，制模精度高。

Description

一种耐高温模具钢及其制造方法

技术领域

本发明属于工模具钢技术领域，特别涉及一种耐高温模具钢及其制备方法。

背景技术

用模具加工成型零件具有生产效率高、质量好、节约材料和成本等一系列优点，应用范围及其广泛。热锻模具钢是一种重要的模具材料，由于热锻模服役是与高温金属长时间接触，受到巨大的挤压力、冲压力、弯曲力、摩擦力及热冲击交变应力等复杂作用，这就要求热锻模具钢具有良好的强韧性、冷热疲劳性及高温热稳定性等。常用的高耐热热作钢是3Cr2W8V、4CrMnSiMoV和4Cr5MoSiV1钢。图1给出了这三种钢的高温力学性能，从图中可以看出，4Cr5MoSiV1钢和3Cr2W8V钢分别在温度低于600℃和650℃时高温抗拉强度均在1000MPa以上，高温硬度高于300HV；从图2可知，400-600℃下4CrMnSiMoV和4Cr5MoSiV1 的高温冲击韧性均高于3Cr2W8V，当温度高于650℃时，虽然高温冲击韧性均有所提升，但高温强度和硬度均急剧下降，不能满足650℃以上高温工况所需的性能(见图1、图2)。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐高温模具钢及其制造方法，通过设计C、 Si、Cr、W、V等合金元素，尤其是针对性能要求进行了元素含量的优化匹配，并合理添加Nb、Co等合金元素,发明能够在650℃以上使用的耐高温模具钢。该模具钢在650℃以上具有良好的强韧性和热稳定性，优异综合性能。

本发明的耐高温模具钢的成分质量百分含量为：C：0.2～0.3％，Si： 0.2～0.4％，Mn：0.3～0.8％，W：7.0～9.0％，Mo：1.0～4.0％，Cr：6.0～ 8.0％，Co：6.0～10.0％，其余为Fe和不可避免的杂质。

在上述耐高温模具钢基础上还可以选自下列元素的一种或几种：V： 0～1.0％，Nb：0～0.5％，Re：0～0.05％，Zr：0～0.5％，Ti：0～1.0％。

上述各元素作用及配比依据：即各元素作用：

1、碳：钢中碳主要形成碳化物，在回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生两次硬化现象。另外重要的是，保持相对较低的含碳量以使钢的Ms点处于相对较高的温度水平，使钢在淬冷至室温时获得以马氏体为主加少量残余奥氏体和均匀分布的碳化物组织，并经回火后获得均匀的回火马氏体组织。避免使过多残余奥氏体在工作温度下发生转变影响工件的工作性能或变形。

2、铬：铬对钢的耐磨损性、高温强度、热态硬度、韧度和淬透性都有有利的影响，同时它溶入基体中会显著改善钢的耐蚀性能。含Cr量小于6％Cr对提高钢回火抗力是有利的，但未能构成二次硬化；当含Cr大于6％的钢淬火后在550℃回火会出现二次硬化效应。铬一部分溶入钢中起固溶强化作用，另一部分与碳结合，按含铬量高低以(Fe,Cr)3C、(Fe, Cr)7C3和M23C6形式存在，从而来影响钢的性能。另外，Cr能阻止V4C3 的生成和推迟Mo2C的共格析出，从而提高该钢耐热变形性能。

3、锰：钢中含有Mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与S有较大的亲合力，可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS，而以具有一定塑性的MnS存在，从而消除硫的有害影响，改善钢的热加工性能。Mn具有固溶强化作用，从而提高铁素体和奥氏体的强度和硬度，虽然其固溶强化效果不及碳、磷和硅，但其对钢的延展性几乎没有影响。锰是弱碳化物形成元素，它可溶入渗碳体中形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C，其形成可降低系统的自由能，即趋于更稳定状态。锰溶入奥氏体中能强烈增加钢的淬透性，同时强烈减低钢的Ms点。

4、硅：硅是一个对铁素体进行置换固溶强化非常有效的元素，仅次于磷，但同时在一定程度上降低钢的韧度和塑性。一般都将Si控制在钢脱氧需要的范围内。置换固溶强化一般引起铁的球面对称畸变，它能与刃形位错产生弹性交互作用，一般不与螺形位错产生交互作用而阻止其运动。这样它与C、N原子的间隙固溶强化相比属于弱强化。Si的固溶使铁素体基体的点阵常数变小，其原子半径0.118nm，α-Fe为0.126nm，由此可见，使点阵常数缩小的固溶合金元素具有较有效的强化作用。Si 也为提高回火抗力的有效元素。Si降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，增加回火稳定性。另外，Si虽然不推迟ε碳化物的生成，但它可固溶于ε碳化物，并提高其稳定性，延迟ε→θ转变。第一类回火脆性与ε→θ转变和沿马氏体条间界分布形成连续薄膜有关，延迟ε→θ转变便意味着提高第一类回火脆性发生温度或抬高回火温度-硬度曲线，可使回火马氏体的ε碳化物与基体保持共格和均匀分布，使回火马氏体保持有良好的强韧性配合。但是，Si易使钢呈现带状组织，使钢的横向性能比纵向性能差，也使钢的脆性转折温度升高；Si还具有促进钢的脱碳敏感性；

5、钼：钼也是碳化物形成元素，和铬一样，可提高钢的高温硬度和淬透性。此外，钼还可细化晶粒，减少回火脆性，增加回火稳定性。钼元素是强碳化物形成元素。钼的固溶温度不高，低温淬火时便可大量固溶，并在回火的过程中以M2C的形式在马氏体板条内的亚晶界上以平行的细针状(二维为层片状)析出，与基体保持共格，提高钢的高温硬度。因此，通过提高钢中Mo含量，在提高回火马氏体的回复、再结晶温度的同时，Mo在钢中能形成较为细小的碳化物，从而进一步提高材料的热强性及热稳定性。钼元素的加入提高了钢奥氏体的稳定性以及钢的淬透性，并且在钢的回火过程中和碳元素结合形成数量较多的较稳定的M2C合金碳化物的析出，这种析出过程是一种弥散的质点强化相析出，较为均匀的分布在钢的基体中，具有较好的二次硬化效果。钼的加入量控制在此范围使得钢在回火的过程中获得更多的M2C合金碳化物，并产生较大的二次强化作用，这对钢的硬度和冲击韧性的提高起着重要的作用。

6、钒：V是置换固溶强化铁素体和形成奥氏体的元素。它和C、N 的亲和力强，形成间隙相化合物，具有FCC点阵结构，但在点阵的正八面体间隙并不都有碳原子，即存在碳原子缺位，这样，碳化钒并不严格按化学式，一般表示为V4C3(VC0.98～0.75)，所以其点阵常数和硬度在一定范围内变化。VC的熔点为2830℃，硬度为2400HV，其残留在钢内将有利于耐磨性提高，其全部溶于奥氏体的温度为1413℃。一般认为， V加入0.05％可细化晶粒，随加入量增加，细化效果加强。因为既使温度趋近700℃，V的碳化物稳定性仍高，仍能保持细小，所以V是有效阻止奥氏体晶粒粗化的元素，也是在高温下服役的钢的重要合金化元素。

7、钴：Co可以最显著提高钢的耐热性和二次硬度。在软化不稳定区和软化稳定区，钴钢都可以获得很高的稳定性。

8、钨：W属于铁素体形成元素，强碳化物形成元素，能有效地提高耐热钢的高温强度和蠕变性能。W超过一定量时会导致高温铁素体的生成，W含量会直接影响钢中Laves相(Fe2(W，Mo))的析出。W在耐热钢中主要起固溶强化作用，或者生成复杂的碳化物和金属间化合物，如Fe2W相。W和Mo能够在钢中形成W-Mo复合强化，一般情况下，对提高钢的蠕变断裂强度，Mo在550℃左右时效果较好，在650℃-700℃时，W比Mo更有效。

9、稀土元素：稀土元素的主要作用是纯化、强韧化晶界，从而提高高温强度、高温塑性及抗氧化性能。稀土元素氧化物对基体组织具有钉扎作用，增加基体和氧化膜之间的浮着力；稀土元素也是钢中很好的脱硫剂，可以清除其他有害杂质(砷、锑、铱等)，改善钢中夹杂物的形态，从而提高钢的冶炼质量和耐热性能；稀土元素对钢晶粒度细化有一定的作用，并且能提高耐热钢的抗蠕变性能。

各元素配比依据：

本发明设计相对较低的C含量(0.2-0.3％)较高的W含量(9-10％)，这样才可能形成M₆C碳化物。如果W含量较低(例如仅7-8％，同时又不含Mo)，则可能产生M₂₃C₆碳化物，这种碳化物在600℃以后极易聚集长大从而使钢的热稳定性降低。而M₆C碳化物的溶解温度较高，一方面，在高温下部分发生溶解，使较多的合金元素溶入基体造成固溶强化；另一方面，剩余部分M₆C碳化物在高温加热条件下可限制晶粒长大，因此提高了钢的高温性能。提高W含量不可避免地会降低钢的塑性和韧性。因此，通常要添加一定量的Mo代替一部分W，因为Mo有助于形成较小尺寸的碳化物。为了在高温下获得高的抗氧化性，要求Cr含量为7-8％。但在使用中性润滑油的情况下可减少Cr含量至5-6％，因为Cr会使M₆C 碳化物更容易聚集。添加Co可以扩大奥氏体相区和防止产生残余铁素体，可以消除W(Mo)和Cr的上述不利影响，同时Co有助于形成强化相Co₇W₆，但不宜超过15％，因为金属间化合物Co₇W₆的数量增多，因而韧性降低，所以本发明中Co含量控制在5.0-10％。添加0-0.5％的Nb还可以形成 NbC，此类碳化物细小且分散，阻止了晶粒的长大，从而增加钢的耐磨性，改善钢的冲击韧性。但含量过高时，则显示了对初生晶粒的粗化，碳化物颗粒较粗大。少量稀土元素Re、Zr的加入可以减轻合金元素偏析并减小碳化物尺寸；形成的稀土氧化物可作为奥氏体形核核心，使残余液相相互隔离，钢中共晶碳化物断网；Re富集在碳化物周围阻止碳化物长大，最终使碳化物尺寸下降，分布更加均匀，提高冲击韧性；作为表面活性元素改变凝固过程中共晶组织的结晶方式，使碳化物形貌变化，并有利于碳化物加热时的球化。本发明Re和Zr含量分别控制在0-0.05％和0-0.5％。Ti作为强碳化物形成元素，与Nb的作用相似，利用Ti、Nb、 V复合增强钢的耐磨性，细化晶粒尺寸，改善冲击韧性。Ti含量控制在 0-1.0％。

本发明的耐高温模具钢制备的工艺步骤及控制的技术参数如下；

1)将上述质量百分比的原料采用转炉、电炉、感应炉、炉外精炼或电渣重熔等方式进行冶炼和铸造，得到钢锭；

2)将步骤1)得到的钢锭进行锻造；

3)退火，将锻造后的坯料分别加热到840℃和760℃，每次保温4-6 小时，然后缓慢随炉冷却。

4)在步骤3)后进行去除应力处理，将钢加热到650℃，保温1-2 小时，之后缓慢冷却。

5)将上述胚料进行淬火处理，将胚料加热到1100-1150℃，保温30 分钟，采用油作为冷却介质。

6)回火，将上一步获得的胚料分别加热到600℃-700℃，回火2-3 次，每次2h，空冷。

该方法中淬火、回火工艺及参数的选取结合原料配方的选取，提高了热稳定性能。

本发明的优点在于：该种模具钢的成分配比科学合理，抗高温能力强，性能稳定，大大延长了模具的使用寿命，使用过程中不易变形，抗拉强度高，制模精度高。

附图说明

图1为Cr2W8V、4Cr5MoSiMoV1和4CrMnSiMoV拉伸强度随温度的变化曲线图。

图2为3Cr2W8V、4Cr5MoSiMoV1和4CrMnSiMoV冲击韧性随温度的变化曲线图。

图3为650℃保温24h热稳定性曲线图。

具体实施方式

根据本发明所设计的化学成分范围，在25kg真空感应炉上冶炼了4 炉本发明钢，其具体化学成分如表1所示。钢水浇铸成锭，并经锻造制成钢锭。钢材退火后，加工成试样，进行性能测试，并与H13钢进行性能对比，对比结果如下：

表1 实施例与对比钢的化学成分

硬度测试：在1120℃保温30min油冷，然后分别加热到600℃、650℃和 700℃回火2次，每次2h空冷，进行硬度测试，表2为硬度测试结果。

表2 不同回火温度下硬度值

由上述测试结果知，发明钢与H13钢相比均具有较高的回火硬度值。 2#钢在1#钢的基础上添加0.1％的Nb后硬度值略有提升，3#钢在2#钢的基础上降低Cr含量硬度值有所下降，4#钢在3#钢的基础上添加0.1％的 Nb，硬度值也略有下降。

1.冲击韧性测试：在坯料上取横向冲击试样，试样尺寸为7mm×11 mm×55mm,采用北美压铸协会标准进行室温冲击功测试，表3为室温冲击功测试结果。

表3 回火后室温冲击韧性值

由上述测试结果可知，本发明所涉及热作模具钢在具有较高硬度的同时，仍具有优良的冲击韧性，远高于H13钢。

2、热稳定性测试：取发明钢和H13钢在650℃条件下进行热稳定性试验，保温时间为2h、4h、8h、16h、24h，测量试验钢的硬度，并绘制硬度曲线如图2所示。从图中可以看出，本发明涉及到的试验钢与H13 钢相比，在650℃保温24h，均具有较高的硬度和回火稳定性(见图3)。

3、热疲劳性能测试：采用UDDEHOLM自约束冷热疲劳试验方法，热疲劳循环温度为室温-700℃，热疲劳试验以循环2000次后钢的表面和截面疲劳损伤情况综合反映，表4为热疲劳性能测试实验结果(主裂纹长度)。

表4 热疲劳性能测试试验结果(主裂纹长度mm)

经过2000次冷热循环后，本发明所涉及热作模具钢，表面裂纹均匀细小，没有明显的主裂纹出现，而H13钢表面裂纹显网状，裂纹之间相互贯通；发明钢的截面裂纹深度远小于H13钢，表现出优良的抗疲劳性能。

Claims

1.一种耐高温模具钢，其特征在于：成分质量百分含量为，C：0.2～0.3％，Si：0.2～0.4％，Mn：0.3～0.8％，W：7.0～9.0％，Mo：1.0～4.0％，Cr：6.0～8.0％，Co：6.0～10.0％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利1所述的耐高温模具钢，其特征在于，还含有选自下列元素的一种或几种：V：0～1.0％，Nb：0～0.5％，Re：0～0.05％，Zr：0～0.5％，Ti：0～1.0％。

3.一种如权利要求1或2所述的耐高温模具钢的制备方法，其特征在于,工艺步骤及控制的技术参数如下：

1)采用转炉、电炉、感应炉、炉外精炼或电渣重熔方式将上述质量百分比的原料在冶炼和铸造，得到钢锭；

2)将步骤1)得到的钢锭进行锻造；

3)退火，将锻造后的胚料分别加热到840℃和760℃，每次保温4-6小时，然后缓慢随炉冷却。

4)在步骤3)后进行去除应力处理，将钢加热到650℃，保温1-2小时，之后缓慢冷却。

5)将上述胚料进行淬火处理，将胚料加热到1100-1150℃，保温30分钟，采用油作为冷却介质。

6)回火，将上一步获得的胚料分别加热到600-700℃，回火2-3次，每次2h，空冷。