CN111893395A - 一种高强度模具钢及其热处理方法 - Google Patents

一种高强度模具钢及其热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度模具钢及其热处理方法，所述的高强度模具钢包括的化学成分及各成分所占的质量配比为：碳0.30％‑0.40％、铬2.7％‑3.0％、锰0.25％‑0.42％、镍1.3％‑1.5％、硅0.35％‑0.45％、钒0.4％‑0.55％、钼2.5％‑3.0％、钨0.1％‑0.2％、锡0.01％‑0.02％,余量为铁和少量杂质，所述高强度模具钢内部设有复合材料，所述复合材料为超细陶瓷粉末，所述复合材料所占的质量配比为：2％‑3％，本发明通过设置良好的组分及配比，使得模具钢具有良好的硬度、抗压屈服强度和抗压弯曲强度，同时具有一定的韧性以及耐磨性，通过在合金钢内部加入复合材料，可细化模具钢的晶粒，促进模具钢球化过程，并显著提高模具钢的耐磨性，使得模具钢的各方面性能均得到改善。

Description

一种高强度模具钢及其热处理方法
技术领域
本发明涉及模具钢材的加工工艺技术领域，具体领域为一种高强度模具 钢及其热处理方法。
背景技术
模具钢是用来制造冷冲模、热锻模和压铸模等模具的钢种。模具是机械 制造、无线电仪表、电机、电器等工业部门中制造零件的主要加工工具。模 具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本，而 模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材 料和热处理的影响。模具钢可分为热作模具钢、冷作模具钢、塑料模具钢和 塑胶模具钢四大类。
在工作过程中，模具承受着冲击载荷，为了减少在使用过程中的折断、 崩刃等形式的损坏，要求模具钢具有一定的韧性，模具钢的化学成分，晶粒 度，纯净度，碳化物和夹杂物等的数量、形貌、尺寸大小及分布情况，以及 模具钢的热处理制度和热处理后得到的金相组织等因素都对钢的韧性带来很 大的影响。特别是钢的纯净度和热加工变形情况对于其横向韧性的影响更为 明显。钢的韧性、强度和耐磨性往往是相互矛盾的。因此，要合理地选择钢 的化学成分并且采用合理的精炼、热加工和热处理工艺，以使模具材料的耐 磨性、强度和韧性达到最佳的配合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度模具钢及其热处理方法，以解决上述 背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高强度模具钢，所述 的高强度模具钢包括的化学成分及各成分所占的质量配比为：碳
0.30％-0.40％、铬2.7％-3.0％、锰0.25％-0.42％、镍1.3％-1.5％、硅0.35％-0.45％、 钒0.4％-0.55％、钼2.5％-3.0％、钨0.1％-0.2％、锡0.01％-0.02％,余量为铁和少量杂质，所述高强度模具钢内部设有复合材料，所述复合材料为超细陶瓷 粉末，所述复合材料所占的质量配比为：0.4％-0.8％。
优选的，所述的高强度模具钢包括的化学成分及各成分所占的质量配比 为：碳0.35％、铬2.7％、锰0.30％、镍1.4％、硅0.4％、钒0.45％、钼2.7％、 钨0.15％、锡0.02％,余量为铁和少量杂质。
一种高强度模具钢的热处理方法，包括以下步骤：
步骤(1)锻打工艺:预热温度600℃～650℃，加热温度1200℃～1300℃， 始锻温度1300℃～1210℃，终锻温度700℃～800℃，缓冷；
步骤(2)球化退火工艺：加热并以≤90℃/h的速度升温至860℃，以 25-30℃/h速度至炉冷750℃，再炉冷以10-15℃/h速度至炉冷600℃，再出 炉空冷；
步骤(3)转炉冶炼：入炉铁水温度≥1600℃，冶炼过程加入复合材料；
步骤(4)调质：第一次预热600-750℃，保温30-60min；第二次预热 850-900℃，保温45-60min，保温时间按1min/mm；再加热到1200℃，然后淬 油；回火温度750℃，回火后空冷；
步骤(5)半精车；
步骤(6)热处理：真空淬火，第一次预热600～650℃，保温45-60min， 第二次预热：840～890℃，保温30-60min，保温时间按1.5min/mm计算；淬 火温度950℃，油冷，介质温度25～30℃；冷却至油温随后空冷；
步骤(7)精加工；
步骤(8)抛光：粗糙度小于0.6um；
步骤(9)去应力回火：回火温度210-150℃，时间2h；
步骤(3)所述的复合材料为超细陶瓷粉末，化学组分为SiC。
优选的，步骤(3)中的所述超细陶瓷粉末的表面经过改性处理。
优选的，所述超细陶瓷粉末的改性处理包括以下步骤：
步骤(1)：将所述超细陶瓷粉末与C、Cr、Co、Mo、V、Si、Mn、Ni、B、 Fe均匀混合并熔炼烧结；
步骤(2)：将步骤(1)中的产物经过气雾化喷雾造粒，粒径为-80目～ +320目。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种高强度模具钢的热处理方 法，通过设置良好的组分及配比，使得模具钢具有良好的硬度、抗压屈服强 度和抗压弯曲强度，同时具有一定的韧性以及耐磨性，通过在合金钢内部加 入复合材料，可细化模具钢的晶粒，促进模具钢球化过程，并显著提高模具 钢的耐磨性，使得模具钢的各方面性能均得到改善。
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。基于本发 明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的 所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供一种技术方案：一种高强度模具钢，所述的高强度模具钢包 括的化学成分及各成分所占的质量配比为：碳0.30％-0.40％、铬2.7％-3.0％、 锰0.25％-0.42％、镍1.3％-1.5％、硅0.35％-0.45％、钒0.4％-0.55％、钼2.5％-3.0％、 钨0.1％-0.2％、锡0.01％-0.02％,余量为铁和少量杂质，所述高强度模具钢内 部设有复合材料，所述复合材料为超细陶瓷粉末，所述复合材料所占的质量 配比为：0.4％-0.6％，其中，碳存在于所有的钢材，是最重要的硬化元素。有 助于增加钢材的强度和硬度，但降低其塑性和韧性。硅为常用的脱氧剂,有很 强的脱氧能力。对铁素体的固溶强化作用仅次于磷，提高钢的电阻率，降低 磁滞损耗，对磁导率也有所改善，为硅钢片的主要合金化学元素。提高模具 钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合力学性能，特别是弹性极限有利，铬增 加模具钢、冲子料的硬度、强度，最重要的是耐腐蚀性，锰在模具钢中熔于 铁素体和渗碳体，使钢的强度、硬度提高。此外由于锰和硫的亲和力大于铁 与硫的亲和力，那么可以夺走部分有害物质硫，形成高熔点的MnS(高于1600 度),从而减轻S对钢的有害作用，钼阴抑奥氏体到珠光体转变的能力最强， 从而提高模具钢的淬透性，并为贝氏体高强度钢的重要合金化元素之一。含 量约0.5％时能降低或抑止其他合金元素导致的回火脆性。在较高回火温度下， 形成弥散分布的特殊碳化物，有二次硬化作用，提高模具钢的热强性和蠕变 强度。钒增强抗磨损能力和延展性。一种钒的碳化物用于制造条纹钢。在许 多种钢材中都含有钒，其中Cr12Mo1V1含有1％的钒，可以提高模具钢的淬透 性、耐磨性，提高工具钢的使用寿命。镍提高固溶强化及提高淬透性的作用。 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。与铬、钼等联合使用，提高钢的热强性和耐蚀性。
钨主要增加钢的红硬性和耐磨性。将钨和适当比例的铬或锰混合用于制造高 速钢。在高速钢SKH-9中就含有大量的钨，在通常情况下，磷元素是模具钢 材中的有害元素，磷元素能够增加模具钢的冷脆性，使模具钢焊接性能变坏； 降低模具钢的塑性，使模具钢的冷弯性能变坏。因此通常要求模具钢中含磷 量小于0.03％，优质模具钢要求更低。磷、硫、锰元素联合使用，增加钢的易 切性。硫在一般情况下也是有害元素。硫元素使模具钢产生热脆性，降低模 具钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫(S)元素对模具钢的焊 接性能也不利，降低其耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055％，优质钢 要求小于0.040％。但是在模具钢中加入0.08-0.20％的硫，可以改善切削加工 性，称易切削模具钢，所述超细陶瓷粉末加入模具钢，与模具钢形成复合材 料，可影响模具钢结晶过程，细化晶粒，从而大大提高所述模具钢的晶粒度 从而提高模具钢的物理性能，同时可影响模具钢中碳单质的形态，促进球化 过程，实验证明，超细陶瓷粉末在模具钢中起到了孕育剂的作用，增加了铁 液中的异质形核点，促进了铁液中的晶粒细化，导致形成的石墨分枝不发达， 最终形成，此外，超细陶瓷粉体在形核过程中出了增加异质形核点外，也起 到了第二强化的作用，在耐磨实验中，排列无序的片状珠光体收到载荷力的 作用时，会产生更多的位错在片状碳化物处堆积，所以只有在更高的外力下， 位错才能克服阻力而运动，因此耐磨性大大提高。
具体而言，所述的高强度模具钢包括的化学成分及各成分所占的质量配 比为：碳0.35％、铬2.7％、锰0.30％、镍1.4％、硅0.4％、钒0.45％、钼2.7％、 钨0.15％、锡0.02％,余量为铁和少量杂质。
实施例2
本发明提供一种技术方案：一种高强度模具钢，所述的高强度模具钢包 括的化学成分及各成分所占的质量配比为：碳0.30％-0.40％、铬2.7％-3.0％、 锰0.25％-0.42％、镍1.3％-1.5％、硅0.35％-0.45％、钒0.4％-0.55％、钼2.5％-3.0％、 钨0.1％-0.2％、锡0.01％-0.02％,余量为铁和少量杂质，所述高强度模具钢内 部设有复合材料，所述复合材料为超细陶瓷粉末，所述复合材料所占的质量 配比为：0.4％-0.8％。
具体而言，所述的高强度模具钢包括的化学成分及各成分所占的质量配 比为：碳0.35％、铬3.0％、锰0.30％、镍1.4％、硅0.4％、钒0.45％、钼2.7％、 钨0.15％、锡0.02％、硫0.02％、磷0.01％，余量为铁和少量杂质。通过适当 增加硫元素和磷元素，可改善模具钢的切削性，便于加工。
一种高强度模具钢的热处理方法，包括以下步骤：
步骤(1)锻打工艺:预热温度600℃～650℃，加热温度1200℃～1300℃，
始锻温度1300℃～1210℃，终锻温度700℃～800℃，缓冷；
步骤(2)球化退火工艺：加热并以≤90℃/h的速度升温至860℃，以 25-30℃/h速度至炉冷750℃，再炉冷以10-15℃/h速度至炉冷600℃，再出 炉空冷；
步骤(3)转炉冶炼：入炉铁水温度≥1600℃，冶炼过程加入复合材料；
步骤(4)调质：第一次预热600-750℃，保温30-60min；第二次预热 850-900℃，保温45-60min，保温时间按1min/mm；再加热到1200℃，然后淬 油；回火温度750℃，回火后空冷；
步骤(5)半精车；
步骤(6)热处理：真空淬火，第一次预热600～650℃，保温45-60min， 第二次预热：840～890℃，保温30-60min，保温时间按1.5min/mm计算；淬 火温度950℃，油冷，介质温度25～30℃；冷却至油温随后空冷；
步骤(7)精加工；
步骤(8)抛光：粗糙度小于0.6um；
步骤(9)去应力回火：回火温度210-150℃，时间2h；
步骤(3)所述的复合材料为超细陶瓷粉末，化学组分为SiC。
具体而言，步骤(3)中的所述超细陶瓷粉末的表面经过改性处理，未经 改性处理的所述超细陶瓷粉末的表面具有疏水性，在向模具钢中加入超细陶 瓷粉末时，超细陶瓷粉末会浮在铁液表面，从而无法很好地与所述模具钢复 合，而改性后的所述超细陶瓷粉末表面具有良好的亲水性，从而可较为容易 地与铁液融和。
具体而言，所述超细陶瓷粉末的改性处理包括以下步骤：
步骤(1)：将所述超细陶瓷粉末与C、Cr、Co、Mo、V、Si、Mn、Ni、B、 Fe均匀混合并熔炼烧结；
步骤(2)：将步骤(1)中的产物经过气雾化喷雾造粒，粒径为-80目～ +320目。
空间位阻稳定机理空间位阻机理也称为立体效应或熵效应，主要指颗粒 表面上吸附了某些高分子化合物，粒子之间出现体积效应，在一定程度上粒 子失去自由活动的空间，相应地降低其熵值，同时增加了粒子之间的相互排 斥作用，使分散粒子的接触受到空间障碍，保持了分散体系的稳定性。空间 位阻机理主要是对聚合物分散剂而言的，其优越的性能取决于其结构中特有 的锚固基团和溶剂化链，常见的锚固基团有(-R2、—NR3+、—COO—、—HS03、 —S032-、—P043-、多元胺、多元醇及聚醚)等，在水性介质中，它们通过 离子键，共价键，氢键等相互作用强力吸附于颗粒表面；常见的溶剂化链有 (聚醚，聚酯，聚烯烃及聚丙烯酸酯)等，在极性匹配的介质中，溶剂化链 延伸到分散介质中，使得相邻颗粒上的聚合物因体积效应而相斥，最终有效 地维持体系的悬浮稳定性。
此处的做法是将金属粉料和陶瓷粉料熔炼烧结，使陶瓷粉末与金属粉末 结合，形成金属间化合物，这样可以极大增加密度，使之能够沉入到熔炼的 金属液中。金属间化合物性质不稳定，融进金属液后会分解，分解时会放热， 使陶瓷粉在热力作用下在金属液中散开，使得充分与金属复合。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相 连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以 是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接 相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元 件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上 述术语在本发明中的具体含义。
本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的记 载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、 铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号， 加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。

Claims (5)

1.一种高强度模具钢，其特征在于：所述的高强度模具钢包括的化学成分及各成分所占的质量配比为：碳0.30％-0.40％、铬2.7％-3.0％、锰0.25％-0.42％、镍1.3％-1.5％、硅0.35％-0.45％、钒0.4％-0.55％、钼2.5％-3.0％、钨0.1％-0.2％、锡0.01％-0.02％,余量为铁和少量杂质，所述高强度模具钢内部设有复合材料，所述复合材料为超细陶瓷粉末，所述复合材料所占的质量配比为：0.4％-0.8％。
2.根据权利要求1所述的一种，其特征在于：所述的高强度模具钢包括的化学成分及各成分所占的质量配比为：碳0.35％、铬2.7％、锰0.30％、镍1.4％、硅0.4％、钒0.45％、钼2.7％、钨0.15％、锡0.02％,余量为铁和少量杂质。
3.根据权利要求1所述的一种高强度模具钢的热处理方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤(1)锻打工艺:预热温度600℃～650℃，加热温度1200℃～1300℃，
始锻温度1300℃～1210℃，终锻温度700℃～800℃，缓冷；
步骤(2)球化退火工艺：加热并以≤90℃/h的速度升温至860℃，以25-30℃/h速度至炉冷750℃，再炉冷以10-15℃/h速度至炉冷600℃，再出炉空冷；
步骤(3)转炉冶炼：入炉铁水温度≥1600℃，冶炼过程加入复合材料；
步骤(4)调质：第一次预热600-750℃，保温30-60min；第二次预热850-900℃，保温45-60min，保温时间按1min/mm；再加热到1200℃，然后淬油；回火温度750℃，回火后空冷；
步骤(5)半精车；
步骤(6)热处理：真空淬火，第一次预热600～650℃，保温45-60min，第二次预热：840～890℃，保温30-60min，保温时间按1.5min/mm计算；淬火温度950℃，油冷，介质温度25～30℃；冷却至油温随后空冷；
步骤(7)精加工；
步骤(8)抛光：粗糙度小于0.6um；
步骤(9)去应力回火：回火温度210-150℃，时间2h；
步骤(3)所述的复合材料为超细陶瓷粉末，化学组分为SiC。
4.根据权利要求3所述的一种高强度模具钢的热处理方法，其特征在于：步骤(3)中的所述超细陶瓷粉末的表面经过改性处理。
5.根据权利要求4所述的一种高强度模具钢的热处理方法，其特征在于：所述超细陶瓷粉末的改性处理包括以下步骤：
步骤(1)：将所述超细陶瓷粉末与C、Cr、Co、Mo、V、Si、Mn、Ni、B、Fe均匀混合并熔炼烧结；
步骤(2)：将步骤(1)中的产物经过气雾化喷雾造粒，粒径为-80目～+320目。
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