CN112795843A - 一种热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热作模具钢，其材料组份按重量百分比为：C 0.38‑0.42％、Si 0.25‑0.45％、Mn 0.35‑0.45％、Cr 4.9‑5.25％、Mo 1.85‑2.0％、V 0.35‑0.55％、P≤0.015％、S≤0.010％，其余为Fe。本发明还提供了其制备方法。按照本发明提供的一种热作模具钢经钢水冶炼、模注、ESR、高温均质化处理、三镦三拔、四火锻造成材、锻后喷雾冷却、去应力退火后，再将得到的热作模具钢材料进行超细化处理。可消除钢中共晶碳化物和二次碳化物网，改善带状偏析，材料组织均匀性和红硬性好，冲击韧性高，模具使用寿命长，同时，本发明的模具钢材料制造成本相对低，性价比高，在高端模具钢市场具有较强的竞争力。

Description

一种热作模具钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种热作模具钢，特别是一种热作模具钢及其制备方法。
背景技术
模具钢是用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种。模具是机械制造、汽车、电器等行业中制造零件的主要加工工具。其质量优劣直接影响着产品质量及生产成本。模具使用寿命除模具质量、结构和热处理工艺对其影响外，还与选择的模具材料种类及品质有关。
模具材料种类按用途分为：热作模具钢、冷作模具钢、塑料模具钢等。其中：热作模具钢主要用于热锻模、压铸模、挤压模等，在国内外应用较为广泛。
对于热作模具钢制成的模具而言，为了提高模具使用寿命，要求模具材料具有良好的热塑性、红硬性、热疲劳性能、抗热裂能力及冲击韧性。在材料成分选择上，既要考虑材料中各合金元素对性能的影响，又要兼顾制造工艺性。模具材料要有良好的综合性能、制造工艺性，较高的性价比才能被更广泛应用。
现有技术中，美国牌号H13模具钢，主要化学成分，按重量百分比计，其成分为：C0.32-0.45％、Si 0.80-1.20％、Mn 0.20-0.50％、Cr 4.75-5.50％、Mo 1.10-1.75％、V0.80-1.20％、P≤0.025％、S≤0.025％，其余为Fe；该钢种具有良好的热强性、热疲劳性能及抗热裂能力，但由于H13钢中合金元素V含量较高(V0.80-1.20％)，且易偏析，使得钢中的共晶碳化物增多，同时，V的碳化物在锻后冷却过程中会沿晶界析出，形成网状或链状碳化物，并且V的碳化物要在1100以上温度下才能熔解，熔解碳化物较为困难，破坏钢的连续性，造成钢的冲击性能降低，影响模具的使用寿命。
瑞典一胜百ASSAB 8418模具钢，主要化学成分，按重量百分比计，其成分为：C0.34-0.39％、Si 0.20-0.40％、Mn 0.30-0.50％、Cr 5.0-5.40％、Mo 2.20-2.60％、V0.40-0.60％、P≤0.015％、S≤0.005％，其余为Fe；此钢种综合性能良好，但该材料售价贵，性价比低，不利于材料推广应用。
发明内容
本发明提供了一种热作模具钢及其制备方法，旨在得到制造控制难度相对小、冲击韧性高、红硬性好，模具使用寿命长、性价比高的热作模具材料。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种热作模具钢，其材料组份按重量百分比为：C 0.38-0.42％、Si 0.25-0.45％、Mn 0.35-0.45％、Cr 4.9-5.25％、Mo 1.85-2.0％、V 0.35-0.55％、P≤0.015％、S≤0.010％，其余为Fe。
本发明还提供一种制备热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：经过EBT电炉初炼、再经过LF炉精炼、然后进入VD炉真空除气处理后形成合金钢水；
(2)模注，将步骤(1)制备的钢水在模具中浇注成热作模具钢电极坯料；
(3)ESR，将步骤(2)浇注成型的热作模具钢电极坯料进行电渣重熔，得到热作模具钢电渣锭；
(4)锻造，将步骤(3)制备的热作模具钢电渣锭采用高温均质化处理、三镦三拔、四火成材工艺，进行锻造，锻后喷雾冷却，按照温度800℃对材料进行去应力退火，得到初级热作模具钢材料；
(5))超细化处理，将步骤(4)制备的热作模具钢材料进行超细化处理，超细化处理后再入炉准备球化退火；
(6)球化退火，将步骤(5)超细化处理后热作模具钢材料进行球化退火处理，球化退火保温时间到后，炉内冷却至室温，得到高性能的热作模具钢材料；
(7)检验入库
作为本发明的进一步设置，步骤(1)中进入EBT电炉之前对铁合金进行烘烤，合金烘烤温度≥600℃，钢水冶炼的终点ω(C)≥0.10％，ω(P)≤0.005％，终渣碱度3.5，钢水ω(S)≤0.005％，全程氩气搅拌，真空保压时间22-28min，软吹时间15-30min，在线检测钢中[H]≤1.5×10-6，[O]≤15×10-6，VD炉离站温度1545-1555℃。
作为本发明的进一步设置，步骤(2)浇注温度1535-1545℃，全程氩气保护条件下浇注。
作为本发明的进一步设置，步骤(3)中电渣为CaF2、Al2O3、MgO三元渣系，配比CaF2：Al2O3：MgO＝72：26：2，重熔速度V熔＝(0.7-0.8)*D结，电渣重熔中底水箱水温25-33℃，结晶器水温≤45℃。
作为本发明的进一步设置，步骤(4)中高温均质化的温度为1200℃。
作为本发明的进一步设置，步骤(4)中开锻温度1100℃，终锻温度850-900℃，锻后喷雾冷却，去应力退火，退火温度800℃。
作为本发明的进一步设置，步骤(5)中超细化处理：升温至650℃，保温2-4h，再升温至850℃保温，保温时间按1h/60mm计算，最后升温至温度1020-1030℃保温，保温时间按1h/50mm计算，高温保温结束后，采取水空冷却法快速冷却，空冷至表面温度200-250℃后再入炉准备球化退火。
作为本发明的进一步设置，步骤(6)球化退火：球化退火温度为850℃，保温时间按1h/50mm计算，炉内冷却至室温。
本方案的有益效果是：
1、本发明采用高Mo低V成分体系，结合洁净钢冶炼技术、锻造高温均质化、三镦三拔、超细化热处理技术，得到的热作模具钢材料高温红硬性好，冲击韧性高，用此材料制成的模具使用寿命长。
2、本发明采用高Mo低V，可减少钢中因V偏析形成的共晶碳化物数量，降低处理碳化物难度，高Mo可弥补钢中因V含量降低而造成模具红硬性不足，进而提高模具使用寿命。
3、本发明制备方法中采用高温均质化、超细化处理技术，可消除钢中共晶碳化物和二次碳化物网，改善带状偏析，有效提高材料的冲击韧性。
4、本发明得到的热作模具钢性能优于H13，与ASSAB 8418相当，但制造成本低于ASSAB8418，性价比高，本发明的模具钢材料在高端模具钢市场具有较强的竞争力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的锻造步骤加热工艺图。
图2是本发明的超细化处理步骤工艺图。
图3是本发明的材料经热处理后的高倍金相组织图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作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：
本发明提供一种热作模具钢，其材料组份按重量百分比为：C 0.38％、Si 0.25％、Mn 0.35％、Cr 4.9-5.25％、Mo 1.85％、V 0.35％、P≤0.015％、S≤0.010％，其余为Fe。
本发明还提供一种制备热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：经过EBT电炉初炼、再经过LF炉精炼、然后进入VD炉真空除气处理后形成合金钢水，进入EBT电炉之前对原料铁合金进行烘烤，合金烘烤温度≥600℃，钢水冶炼的终点ω(C)≥0.10％，ω(P)≤0.005％，终渣碱度3.5，钢水ω(S)≤0.005％，全程氩气搅拌，真空保压时间22min，软吹时间15min，在线检测钢中[H]≤1.5×10-6，[O]≤15×10-6，VD炉离站温度1545℃；
(2)模注，将步骤(1)制备的钢水在模具中浇注成热作模具钢电极坯料，浇注温度1535-1545℃，全程氩气保护条件下浇注；
(3)ESR，将步骤(2)浇注成型的热作模具钢电极坯料进行电渣重熔，得到热作模具钢电渣锭，电渣为CaF2、Al2O3、MgO三元渣体系，配比CaF2：Al2O3：MgO＝72：26：2，电渣重熔中底水箱水温25℃，结晶器水温≤45℃；
(4)锻造，将步骤(3)制备的热作模具钢电渣锭采用温度为1200℃下高温均质化处理、三镦三拔、四火成材工艺，进行锻造，开锻温度1100℃，终锻温度850℃，锻后喷雾冷却，按照温度800℃对材料进行去应力退火，得到初级热作模具钢材料；
(5)超细化处理，将步骤(4)制备的初级热作模具钢材料升温至650℃，保温2h，再升温至850℃保温，保温时间按1h/60mm计算，最后升温至温度1020℃保温，保温时间按1h/50mm计算，高温保温结束后，采取水空冷却法快速冷却，空冷至表面温度200℃后再入炉准备球化退火；
(6)球化退火，将步骤(5)超细化处理后热作模具钢材料进行球化退火，球化退火温度为850℃，保温时间按1h/50mm计算，然后，炉内冷却至室温，得到高性能的热作模具钢材料。
(7)检验入库。
实施例2：
本发明提供一种热作模具钢，其材料组份按重量百分比为：C 0.42％、Si 0.45％、Mn 0.45％、Cr 5.25％、Mo 2.0％、V 0.55％、P≤0.015％、S≤0.010％，其余为Fe。
本发明还提供一种制备的热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：经过EBT电炉初炼、再经过LF炉精炼、然后进入VD炉真空除气处理后形成合金钢水，进入EBT电炉之前对铁合金进行烘烤，合金烘烤温度≥600℃，钢水冶炼的终点ω(C)≥0.10％，ω(P)≤0.005％，终渣碱度3.5，钢水ω(S)≤0.005％，全程氩气搅拌，真空保压时间22-28min，软吹时间30min，在线检测钢中[H]≤1.5×10-6，[O]≤15×10-6，VD炉离站温度1555℃；
(2)模注，将步骤(1)制备的钢水在模具中浇注成热作模具钢电极坯料，浇注温度1545℃，全程氩气保护条件下浇注；
(3)ESR，将步骤(2)浇注成型的热作模具钢电极坯料进行电渣重熔，得到热作模具钢电渣锭，电渣为CaF2、Al2O3、MgO三元渣体系，配比CaF2：Al2O3：MgO＝72：26：2，电渣重熔中底水箱水温33℃，结晶器水温≤45℃；
(4)锻造，将步骤(3)制备的热作模具钢电渣锭采用温度为1200℃下高温均质化处理、三镦三拔、四火成材工艺，进行锻造，开锻温度1100℃，终锻温度850℃，锻后喷雾冷却，按照温度800℃对材料进行去应力退火，得到初级热作模具钢材料；
(5)超细化处理，将步骤(4)制备的初级热作模具钢材料升温至650℃，保温4h，再升温至850℃保温，保温时间按1h/60mm计算，最后升温至温度1030℃保温，保温时间按1h/50mm计算，高温保温结束后，采取水空冷却法快速冷却，空冷至表面温度250℃后再入炉准备球化退火；
(6)球化退火，将步骤(5)超细化处理后热作模具钢材料进行球化退火，球化退火温度为850℃，保温时间按1h/50mm计算，然后，炉内冷却至室温，得到高性能的热作模具钢材料。
(7)检验入库。
实施例3：
本发明提供一种热作模具钢，其材料组份按重量百分比为：C 0.40％、Si 0.35％、Mn 0.40％、Cr 5.15％、Mo 1.90％、V 0.40％、P≤0.015％、S≤0.010％，其余为Fe。
本发明还提供一种制备的热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：经过EBT电炉初炼、再经过LF炉精炼、然后进入VD炉真空除气处理后形成合金钢水，进入EBT电炉之前对原料铁合金进行烘烤，合金烘烤温度≥600℃，钢水冶炼的终点ω(C)≥0.10％，ω(P)≤0.005％，终渣碱度3.5，钢水ω(S)≤0.005％，全程氩气搅拌，真空保压时间22-28min，软吹时间15-30min，在线检测钢中[H]≤1.5×10-6，[O]≤15×10-6，VD炉离站温度1550℃；
(2)模注，将步骤(1)制备的钢水在模具中浇注成热作模具钢电极坯料，浇注温度1535-1545℃，全程氩气保护条件下浇注；
(3)ESR，将步骤(2)浇注成型的热作模具钢电极坯料进行电渣重熔，得到热作模具钢电渣锭，电渣为CaF2、Al2O3、MgO三元渣体系，配比CaF2：Al2O3：MgO＝72：26：2，电渣重熔中底水箱水温30℃，结晶器水温≤45℃；
(4)锻造，将步骤(3)制备的热作模具钢电渣锭采用温度为1200℃下高温均质化处理、三镦三拔、四火成材工艺，进行锻造，开锻温度1100℃，终锻温度850℃，锻后喷雾冷却，按照温度800℃对材料进行去应力退火，得到初级热作模具钢材料；
(5)超细化处理，将步骤(4)制备的初级热作模具钢材料升温至650℃，保温3h，再升温至850℃保温，保温时间按1h/60mm计算，最后升温至温度1025℃保温，保温时间按1h/50mm计算，高温保温结束后，采取水空冷却法快速冷却，空冷至表面温度230℃后再入炉准备球化退火；
(6)球化退火，将步骤(5)超细化处理后热作模具钢材料进行球化退火，球化退火温度为850℃，保温时间按1h/50mm计算，然后，炉内冷却至室温，得到高性能的热作模具钢材料。
(7)检验入库。
试验设1-3个实施例在JB50冲击试验机上依据GB/T229-2007进行冲击韧性的试验，测试结果如下表1：
表1：各个实施例的冲击性能测试结果(硬度44-46HRC时)
试样 横向冲击功(J)
实施例1 354
实施例2 372
实施例3 360
以上对本发明所提供的一种热作模具钢及其制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种热作模具钢，其特征在于，其材料组份按重量百分比为：C 0.38-0.42％、Si0.25-0.45％、Mn 0.35-0.45％、Cr 4.9-5.25％、Mo 1.85-2.0％、V 0.35-0.55％、P≤0.015％、S≤0.010％，其余为Fe。
2.一种制备权利要求1所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)冶炼：经过EBT电炉初炼、再经过LF炉精炼、然后进入VD炉真空除气处理后形成合金钢水；
(2)模注，将步骤(1)制备的钢水在模具中浇注成热作模具钢电极坯料；
(3)ESR，将步骤(2)浇注成型的热作模具钢电极坯料进行电渣重熔，得到热作模具钢电渣锭；
(4)锻造，将步骤(3)制备的热作模具钢电渣锭采用高温均质化处理、三镦三拔、四火成材工艺，进行锻造，锻后喷雾冷却，按照温度800℃对材料进行去应力退火，得到初级热作模具钢材料；
(5)超细化处理，将步骤(4)制备的热作模具钢材料进行超细化处理，超细化处理后再入炉准备球化退火；
(6)球化退火，将步骤(5)超细化处理后热作模具钢材料进行球化退火处理，球化退火保温时间到后，炉内冷却至室温；
(7)检验入库。
3.根据权利要求2所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，步骤(1)中进入EBT电炉之前对铁合金进行烘烤，合金烘烤温度≥600℃，钢水冶炼的终点ω(C)≥0.10％，ω(P)≤0.005％，终渣碱度3.5，钢水ω(S)≤0.005％，全程氩气搅拌，真空保压时间22-28min，软吹时间15-30min，在线检测钢中[H]≤1.5×10-6，[O]≤15×10-6，VD炉离站温度1545-1555℃。
4.根据权利要求2所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，步骤(2)浇注温度1535-1545℃，全程氩气保护条件下浇注。
5.根据权利要求2所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，步骤(3)中电渣为CaF2、Al2O3、MgO三元渣系，配比CaF2：Al2O3：MgO＝72：26：2，电渣重熔中底水箱水温25-33℃，结晶器水温≤45℃。
6.根据权利要求2所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，步骤(4)中高温均质化温度为1200℃。
7.根据权利要求2所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，步骤(4)中开锻温度1100℃，终锻温度850-900℃，锻后喷雾冷却，去应力退火，退火温度800℃。
8.根据权利要求2所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，步骤(5)超细化处理：升温至650℃，保温2-4h，再升温至850℃保温，保温时间按1h/60mm计算，最后升温至温度1020-1030℃保温，保温时间按1h/50mm计算，高温保温结束后，采取水空冷却法快速冷却，防止二次碳化物在冷却过程中沿晶界析出，形成二次碳化物网，空冷至表面温度200-250℃后再入炉准备球化退火。
9.根据权利要求2所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，步骤(6)球化退火：球化退火温度为850℃，保温时间按1h/50mm计算，然后，炉内冷却至室温，得到高性能的热作模具钢材料。
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