CN112626414A

CN112626414A - 一种经济型低合金热作模具钢及其制备方法

Info

Publication number: CN112626414A
Application number: CN202011405140.9A
Authority: CN
Inventors: 吴日铭; 胡涛; 陈蒙; 黄山
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai University of Engineering Science
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2021-04-09

Abstract

本发明公开了一种经济型低合金热作模具钢及其制备方法，经济型低合金热作模具钢含有(质量百分数)：C：0.32～0.40％；Si：0.05～0.10％；Mn：0.6～2.2％；Cr：2.1～3.6％；Mo：0.6～0.8％；W：0.6～1.2％和V：0.2～0.8％，余量由Fe和不可避免的杂质构成。制备方法为：配料后熔炼，而后将电极棒进行电渣重熔成钢锭，钢锭在高温下进行均质化，再经镦粗、拔长、退火、超细化及调质处理制得模具钢。本发明的模具钢，热稳定性优良，从成分角度实现了晶粒度的细化，利于使用常规生产手段实现产品的稳定试制；制备方法，工艺简单，与通用的H13钢热处理工艺匹配，极具应用前景。

Description

一种经济型低合金热作模具钢及其制备方法

技术领域

本发明属于合金钢技术领域，涉及一种经济型低合金热作模具钢及其制备方法。

背景技术

AISI H13钢是当前模具工业使用最为广泛的模具钢之一，其对应的国内牌号为4Cr5MoSiV1，H13钢以其优良的热稳定性、热强性、耐冷热疲劳性和高温摩擦磨损性能广泛应用于热冲压模具、压铸模具、挤压模具、注塑模具、热锻模具等等。然而，随着成型零部件强度及硬度的提升，H13钢渐渐不能满足模具工业的需求，而相关替代产品逐渐的被用户认可，如1.2367、8418/DIEVAR、3Cr2W8V适用于压铸模具，QRO90、HTCS-130和DHA-THERMO用于热冲压模具，5CrNiMo用于压铸和热锻模具，但各有劣势，如QRO90、1.2367、5CrNiMo和3Cr2W8V的韧性不足，8418/DIEVAR的热强性不足。

为综合提升模具钢的寿命，目前研究者的普遍思路是合金化调整成分。但目前合金化成分优化的思路仍然没有解决两个问题：(1)热挤压模具钢红硬性和热稳定性能不能同时兼顾；(2)成分优化普遍要求更为严格苛刻的生产装备条件，使得中低生产能力的特钢企业无法生产同类产品。

目前最为普遍的合金化思路是降低铬含量，以提升热导率，并增加锰含量提升耐磨性，然而，铬元素是Cr5系列模具钢核心元素，降低铬将抗氧化性和耐蚀性难以保证；增加锰元素有增加大模块锰元素偏析的风险。另外，当前热作模具钢仍以大模块的自由锻造为主，辅助于超细化工艺，两者良性结合才能获得超细化析出组织，但决定热稳定性和耐磨性能的本质晶粒度仍不受控制。另外，在晶粒细化的基础上，能否同时提升热稳定性和冲击韧性，这是困扰当前热作模具材料研究工作者的一大难题。

为克服以上问题，本领域技术人员展开了诸多研究，具体包括以下技术方案：

CN 108070794A公开了一种高耐磨热作模具钢成分配方及其制备方法，其通过加入1.8～2.5wt％的纳米碳化钨及0.06～0.1wt％的氧化铈，同时将钼降低至0.8～1.0wt％，虽然其充分改善热作模具钢的热强性、晶粒度和组织纯净度，但其配方复杂，生产难度大，成本较高；

CN 107400838A公开了一种高耐磨性热作模具钢及其制备方法，其通过添加0.7～1.0wt％的碳纤维复合材料、1.0～1.5wt％的镍和0.1～0.2wt％的钨，同时将铬降至1.0～1.5wt％，实现了对淬透性和热强性的显著提高，但其需要加入碳纤维，成本较高，此外，较多的Ni含量，不增加仅了成本，而且产品存在较大的开裂倾向；

CN 109518084A公开了一种高热导率含Al、Nb渗氮热作模具钢及其制备方法，其基于4Cr5MoSiV1钢合金成分，调整C与Cr、Mo、V比例，添加Al、Nb，合金含量比4Cr5MoSiV1钢少1.5～2.0wt％，其能够显著降低成本，但Al的加入容易形成钢水中的Al₂O₃，增加夹杂物，另外，Nb含量的范围太大，Nb的加入对晶粒细化效果仍不明显；

CN 109023153A公开了一种原位微量纳米TiC颗粒强韧化锻造热作模具钢，其在锻造热作模具钢中以纳米TiC颗粒作为普通碳钢的组织调控剂和强化剂，提高其韧性和塑性，但加入Ti元素易形成TiN，将明显降低钢的冲击韧性；

CN 108950413A提供了一种模具钢材料及其制备方法与用途，该方法通过添加微量Ti元素，并优化冶炼工艺显著降低热疲劳损伤因子并大幅度提高其热疲劳抗力，但是加入Ti元素易形成方形TiN，将明显降低钢的冲击韧性；

CN 109280849A提供了一种高性能热作模具钢成分及其制造工艺，其将碳C含量降至0.20～0.30wt％，降低Cr至3.10～4.00wt％，添加W 0.50～1.00wt％，降低V至0.10～0.30wt％，其提升了耐磨性，降低了成本，但其热加工性能不佳；

CN 109321826A提供了一种高锰低铬型热作模具钢合金成分及其制备方法，添加Ni至0.80～3.00wt％，改善了模具钢的淬透性，但模具钢中较高含量的Mn的偏析，将明显降低冲击功和冷热疲劳性能；

CN 107974637A提供了一种热作模具钢合金成分配方，其中Mo含量高达2.80～3.20wt％，这提升模具钢的热强性和冲击韧性，但其成本较高，影响了其进一步应用；

CN 107974632A提供了一种奥氏体热作模具钢成分配方及其制备方法，其充分利用奥氏体形成元素Mn和C扩大奥氏体相区以获得稳定的奥氏体组织；利用定向凝固电渣工艺控制电渣锭中的碳化物和夹杂物行为；利用适当的热处理工艺来控制晶粒尺寸和碳化物的分解与析出行为，虽然其可以充分提升模具钢的耐热性及热强性，但其不能适用于当前市场上通用的H13钢热处理工艺，影响了其进一步推广应用；

CN 107699789A提供了一种高韧性、高热稳定性ZW866压铸用热作模具钢，其思路是添加0.005～0.08wt％的Nb，改善晶粒度，实现提高综合性能的目的，但Nb元素的加入极大地增大了高温热加工工艺的控制难度，控制不佳则难以达到晶粒细化的效果。

因此，开发一种成本低廉、加工方便且易于推广的经济型低合金热作模具钢极具现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术性能不佳、加工难度较大、成本过高且推广前景不佳的缺陷，提供一种成本低廉、加工方便且易于推广的经济型低合金热作模具钢。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种经济型低合金热作模具钢，以质量百分数为单位计，含有：

C：0.32％～0.40％；Si：0.05％～0.10％；Mn：0.6％～2.2％；Cr：2.1％～3.6％；Mo：0.6％～0.8％；W：0.6％～1.2％和V：0.2％～0.8％，余量由Fe和不可避免的杂质构成。

C是固溶强化元素和形成析出相元素，如C低于0.25％，则强度和耐磨性不够，如果高于0.38％，则耐冲砸易开裂。Si是提高钢屈服强度和硬度的关键元素，Si高于0.3％，则韧性不足，低于0.2％，则硬度不够。Mn是提高耐磨性的关键元素，Mn高于1％，则易形成偏析，材料整体易断裂；Mn低于0.45％，则耐磨性不足。Cr是形成合金碳化物关键元素，Cr太高，则合金碳化物太多，韧性不好，Cr偏低于6.1％，则耐磨性不足。Mo是细化碳化物元素，Mo高于1.2％，则过量，成本增加，Mo低于0.9％，则碳化物细化能力不足。W是形成耐磨相WC的关键元素，W太高，则成本太高，W低于0.2％，则耐磨相不足。S，P是有害元素，越低越好，但局限于国内冶金水平。本发明通过特定比例的元素组合能够在保证低成本的情况下保证优良的热稳定性。

W是本发明综合提升热稳定性、耐磨性、高温热强性和热导率的有效元素，且WC的弥散析出能够阻止晶粒粗化，本发明在4Cr5MoSiV1钢成分的基础上增钼加钨，形成细小弥散的WC耐磨析出相，这一析出相密集的钉扎在细小晶粒周围，阻碍晶粒的长大，用WC的强化部分代替VC，因此，这类经济型低合金热作模具钢将比H13和8418钢具有更优越的热稳定性、高温耐磨性、红硬性、冲击韧性和热导率，此外，用W替代部分昂贵的V元素(即降低V含量)，降低原材料成本。

上述模具钢代号为GBL68，G代称“国”，BL代称“必隆”即必隆模具材料科技(南通)有限公司，68为钢的序列号。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种经济型低合金热作模具钢，以质量百分数为单位计，含有：

C：0.32％～0.38％；Si：0.05％～0.08％；Mn：0.6％～1.2％；Cr：2.1％～2.6％；Mo：0.6％～0.8％；W：0.6％～0.9％和V：0.4％～0.6％，余量由Fe和不可避免的杂质构成。

C：0.35％；Si：0.07％；Mn：0.85％；Cr：2.6％；Mo：0.6％；W：0.8％和V：0.5％，余量由Fe和不可避免的杂质构成。本发明的保护范围并不仅限于此，此处仅给出一种可行的技术方案而已，本领域技术人员可根据实际需求在一定范围内调整各组分含量以调整产品性能。

如上所述的一种经济型低合金热作模具钢，所述不可避免的杂质为元素S、P、N、O、H。

如上所述的一种经济型低合金热作模具钢，所述元素S、P、N、O、H的含量相同或不同，为1～200ppm，其含量并不仅限于此，只要这些元素的含量在可接受范围内即可。

如上所述的一种经济型低合金热作模具钢，所述经济型低合金热作模具钢的晶粒度为ASTM 6级以上，硬度为45～48HRC，无缺口7×10×55的式样冲击功＞426J。本发明的经济型低合金热作模具钢具有优良的高温摩擦磨损性能、热强性、红硬性、热稳定性、热疲劳性能以及高的热导率，极具应用前景。

本发明还提供一种制备如上所述的一种经济型低合金热作模具钢的方法，其步骤如下：

(1)熔炼：将配料放入电弧炉中熔炼，熔炼合金成分达到指标后，将钢水控温至1530～1560℃浇铸到模具中形成电极钢棒，脱模后清除电极棒表面氧化皮和凹坑缺陷；

(2)电渣重熔：电极棒进行电渣重熔，使熔融的钢水经渣系过滤后，缓慢结晶凝固成圆形钢锭；

(3)高温均质化：将圆形钢锭加热到1230～1255℃，保温时间为(0.4～0.6)×D小时，D为钢锭直径尺寸cm，使钢内成分扩散均匀，然后冷却至锻造温度1180±10℃；

(4)镦粗：将1180℃±10℃钢锭在压机上沿钢锭高度方向进行镦粗至60％～70％高度，然后精整，回炉加热1.5～2小时；再进行第二次镦粗，精整，回炉保温1.5～2小时，再进行第三次镦粗，精整，保持终锻温度870℃以上；

(5)拔长：对三次反复镦粗后的钢锭进行开坯、锻打和拔长至最终尺寸获得模块，保持终锻温度870℃～920℃以上，拔长后空冷至320±10℃；

(6)退火：将模块加热至880±10℃退火10～16小时，然后随炉冷却至500℃，出炉空冷至室温；

(7)超细化处理：将模块加热至1060～1100℃保温(0.2～0.3)×d小时，d为锻件有效尺寸cm，水淬至室温；然后升温至860±10℃等温(0.4～0.6)×d小时，d为锻件有效尺寸cm；随后炉冷至750±10℃，等温(0.9～1.2)×d小时，d为锻件有效尺寸cm，然后随炉冷至500℃后，出炉冷至室温；

(8)调质处理：将模块加热至1039±5℃保温1.5～2.5小时，真空气淬至室温，560±5℃回火9～11小时，空冷至室温后，在600±5℃回火9～11小时，出炉空冷。

上文中的专业术语解释如下：

电极棒：用于电渣重熔的母材，用电弧炉熔炼后浇铸成型；

电渣重熔：利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。其目的是提高金属纯度，改善铸锭结晶；

钢锭：钢水经盛钢包注入铸模凝固形成一定形状的钢锭，圆形、方锭和六角锭较多；

高温均质化：在高温下通过扩散消除或减小实际结晶条件下晶内成分不均匀和偏离于平衡的组织状态，改善合金材料的工艺性能和使用性能的热处理工艺；

偏析：合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象；

镦粗：使坯料高度减小而横截面增大的锻造工序。提高锻件的横向力学性能和减少各向异性；反复镦粗和拔长以打碎合金工具钢中的碳化物，使其分布均匀；

拔长：指凡是使横截面积减小，长度增长的锻造成材工序；

超细化：具有碳化物析出行为的合金钢为便于加工、且保证后续良好的韧性所采用的一种热处理工艺，该工艺将钢材加热到奥氏体化温度后，即缓慢随炉冷切，使细小弥散合金碳化物均匀析出，并在一定温度等温使其缓慢长大成球型。然后随炉冷切至室温，超细化后的钢材具有良好的尺寸稳定性和机加工性能，且后续调质后冲击韧性较好。

本发明的制备方法，工艺较为简单，与当前市场上通用的H13钢热处理工艺较为匹配，推广应用前景好。

作为优选的技术方案：

如上所述的方法，步骤(7)中，超细化处理时，将模块加热至1060～1100℃保温(0.2～0.25)×d小时，d为锻件有效尺寸cm，水淬至室温；然后升温至860±10℃等温(0.4～0.5)×d小时，d为锻件有效尺寸cm；随后炉冷至740℃，等温(0.9～1)×d小时，d为锻件有效尺寸cm，然后随炉冷至500℃后，出炉冷至室温。

有益效果：

(1)本发明的经济型低合金热作模具钢，热稳定性超越H13的优异水平，不仅具有优良的高温摩擦磨损性能，热疲劳性能，而且部分固溶Mo和W元素能明显改善热导率；

(2)本发明的经济型低合金热作模具钢，从成分角度实现了晶粒度的细化，利于使用常规生产手段实现产品的稳定试制；

(3)本发明的经济型低合金热作模具钢，产品性能优良，晶粒度为ASTM 6级以上，硬度为45～48HRC，无缺口7×10×55的式样冲击功＞426J；

(4)本发明的制备方法，工艺较为简单，与当前市场上通用的H13钢热处理工艺较为匹配，推广应用前景好。

附图说明

图1为实施例1制得的经济型低合金热作模具钢的金相组织图；

图2为实施例1制得的经济型低合金热作模具钢的摩擦磨损系数测试结果图；

图3为实施例1制得的经济型低合金热作模具钢的热扩散系数测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。

实施例1～4

一种经济型低合金热作模具钢，其步骤如下：

(1)熔炼：将配料放入电弧炉中熔炼，熔炼合金成分达到指标后，将钢水控温至1530～1560℃浇铸到模具中形成φ290mm×2050mm的电极钢棒，脱模后清除电极棒表面氧化皮和凹坑缺陷；

(2)电渣重熔：电极棒进行电渣重熔，使熔融的钢水经渣系过滤去除电极棒中大部分不纯净杂质后，缓慢结晶凝固成1吨圆形钢锭(直径约320mm)；

(3)高温均质化：将圆形钢锭加热到1235～1255℃，保温时间为11小时，使钢内成分扩散均匀，然后冷却至锻造温度1180±10℃；

(4)镦粗：将1180℃钢锭在压机上沿钢锭高度方向进行镦粗至60～70％高度，然后精整(即用压机将不规则的边沿压平整)，回炉1180±10℃加热1.5～2小时小时；再进行第二次镦粗，精整，回炉1180±10℃保温1.5～2小时小时，再进行第三次镦粗，精整，保持终锻温度870℃以上；

(5)拔长：对三次反复镦粗后的钢锭进行开坯、锻打和拔长至最终尺寸165mm×520mm×1550mm(厚度×宽度×长度)，有效尺寸165mm，保持终锻温度870℃以上，拔长后空冷至320±10℃℃；

(6)退火：将模块加热至880±10℃退火10小时，然后随炉冷却至500℃，出炉空冷；

(7)超细化处理：将模块加热至1060±10℃保温3.5小时，水淬至室温；然后升温至860±10℃等温7小时；随后炉冷至740±10℃，等温15小时，然后随炉冷却至500℃，出炉空冷；

(8)调质处理：将模块加热至1038±5℃保温2小时，真空气淬至室温，560℃回火10小时，空冷至室温后，在600±5℃回火10小时，出炉空冷。

实施例1～4的制备工艺基本相同，不同仅在于配料各元素的组成，实施例1～4的配料各元素的组成如下表1所示，其中Fe的含量为余量，表中各元素含量的单位为wt％；

表1

对实施例1～4制得的经济型低合金热作模具钢进行性能测试，性能测试具体包括对实施例1～4制得的经济型低合金热作模具钢进行的调质后的硬度测试、无缺口7×10×55的式样冲击功测试以及针对实施例1制得的经济型低合金热作模具钢分别进行了摩擦磨损系数(40小时回火)和热扩散系数的测试，其中硬度测试(硬度单位为HRC)及式样冲击功测试(单位为J)结果如表2所示；

表2

	硬度	式样冲击功
			实施例1	47.5	433
实施例2	48.9	428
			实施例3	47.1	445
实施例4	46.5	453

实施例1制得的经济型低合金热作模具钢的摩擦磨损系数测试结果图如图2所示，传统的模具钢，如H13和8418钢，其摩擦磨损系数为0.4～0.6，本发明试验钢与H13钢和8418钢相比摩擦磨损系数基本相当，即说明耐磨性与其持平；

实施例1制得的经济型低合金热作模具钢的热扩散系数测试结果图如图3所示，密集弥散的析出相分布于基体和晶界处，这类析出相主要为亚稳和稳定的碳化物，这类碳化物不仅硬度高，而且不易粗化，析出后消耗基体当中的碳元素，提升基体热扩散系数。

实施例1制得的经济型低合金热作模具钢的金相组织图(1000倍)如图1所示，由图1可知，其晶粒尺寸细至约18～27μm，其晶粒度为ASTM 6级以上。

对比例1～4

一种模具钢的制备方法，其步骤与实施例1基本相同，不同在于配料各元素的组成，对比例1～4的配料各元素的组成如下表3所示，其中Fe的含量为余量，表中各元素含量的单位为wt％；

表3

	C	Si	Mn	Cr	Mo	W	V	S	P
										对比例1	0.15	0.07	0.25	1.6	0.6	0.8	0.5	0.009	0.015
对比例2	0.47	0.06	2.2	1.8	0.7	2.2	0	0.009	0.002
										对比例3	0.32	0.20	0.04	3.6	2.7	2.0	0.2	0.010	0.001
对比例4	0.36	0.35	0.06	4.1	1.8	0.6	0	0.009	0.001

采用相同的方法对对比例1～4制得的模具钢进行性能测试(热稳定性)，测试结果如表4所示，下表4中硬度的单位为HRC，热扩散系数的单位为mm²/s。

表4

	硬度(40小时回火)	热扩散系数mm<sup>2</sup>/s
			对比例1	32.5	6.1
对比例2	48.9	4.1
			对比例3	43.1	5.3
对比例4	42.5	5.7

分析实施例1～4和对比例1～4发现，只有特定比例的元素组合能够保证其优良的热稳定性。

经验证，本发明的经济型低合金热作模具钢，热稳定性超越H13的优异水平，不仅具有优良的高温摩擦磨损性能，热疲劳性能，而且部分固溶Mo和W元素能明显改善热导率；从成分角度实现了晶粒度的细化，利于使用常规生产手段实现产品的稳定试制；产品性能优良，晶粒度为ASTM 6级以上，硬度为45～48HRC，无缺口7×10×55的式样冲击功＞426J；制备方法，工艺较为简单，与当前市场上通用的H13钢热处理工艺较为匹配，推广应用前景好。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。

Claims

1.一种经济型低合金热作模具钢，其特征在于，以质量百分数为单位计，含有：

2.根据权利要求1所述的一种经济型低合金热作模具钢，其特征在于，以质量百分数为单位计，含有：

3.根据权利要求1所述的一种经济型低合金热作模具钢，其特征在于，以质量百分数为单位计，含有：

C：0.35％；Si：0.07％；Mn：0.85％；Cr：2.6％；Mo：0.6％；W：0.8％和V：0.5％，余量由Fe和不可避免的杂质构成。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种经济型低合金热作模具钢，其特征在于，所述不可避免的杂质为元素S、P、N、O、H。

5.根据权利要求4所述的一种经济型低合金热作模具钢，其特征在于，所述元素S、P、N、O、H的含量相同或不同，为1～200ppm。

6.根据权利要求1所述的一种经济型低合金热作模具钢，其特征在于，所述经济型低合金热作模具钢的晶粒度为ASTM 6级以上，硬度为45～48HRC，无缺口7×10×55的式样冲击功＞426J。

7.制备如权利要求1～6任一项所述的一种经济型低合金热作模具钢的方法，其特征在于，其步骤如下：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(7)中，超细化处理时，将模块加热至1060～1100℃保温(0.2～0.25)×d小时，d为锻件有效尺寸cm，水淬至室温；然后升温至860±10℃等温(0.4～0.5)×d小时，d为锻件有效尺寸cm；随后炉冷至740℃，等温(0.9～1)×d小时，d为锻件有效尺寸cm，然后随炉冷至500℃后，出炉冷至室温。