CN113151749B - 一种高韧性模具锻钢基体材料、夹心层锻模及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高韧性模具锻钢基体材料、夹心层锻模及其制备方法。所述高韧性模具锻钢基体材料成分的质量百分比：C为0.32～0.38％、Si为0.3～0.5％、Mn为0.6～1.0％、Cr为1.4～1.7％、Ni为1.4～1.7％、Mo为0.15～0.35％，余量为铁；杂质总量小于0.12wt.％。本发明解决现有的模具基体在温度在350℃以上、局部瞬时应力在650MPa以上的条件下塑/韧性差，出现易开裂等的技术问题，进一步提高模具锻钢基体材料与增材制造的多梯度功能层之间的结合强度，有效提高大型热锻模具的一次使用寿命和增加可修复再制造的次数。其制备的大型热锻模具在8万吨压机上生产钛合金锻件4批次，模具锻钢基体无变形和开裂的情况发生，使得大型热锻模具的一次使用寿命增加了5倍以上。

Description

一种高韧性模具锻钢基体材料、夹心层锻模及其制备方法

技术领域

本发明属于模具锻钢制造技术领域，具体涉及一种用于制备高温重载条件下大型高韧性热锻模具的锻钢基体材料、模具锻钢基体及夹心层锻模和制备方法。

背景技术

随着国家重型装备制造业的发展，飞机、船舶制造等装备制造业需要迅速提升能力。世界上最大的大型模锻液压机(8万吨压机)应运而生，其使用的大型热锻模具(单套重量已达60～100吨)已广泛应用于航空、航天、核电、石化等领域的大型模锻件生产制造中，如大飞机机身框架、起落架、发动机涡轮盘、大型缸体、泵体等，这些锻件的锻件材料主要包括铝合金、高温合金、钛合金等。然而难变形材料(高温合金、钛合金、超高强度钢等)大型锻件的始锻温度高，在锻造成形过程中因锻件与模具接触时间长，模具承受压力高，温度迅速升高至350～700℃以上，导致模具强度、硬度迅速降低，造成常规5CrNiMo、5CrMnMo材质的模具发生严重塑性变形、开裂等问题，使得模具寿命极低，模锻1～2件锻件后模具变形高达10mm以上，导致模具严重失效不能再使用等问题。

现在也有选用H13钢作为模具材质，模具的变形程度有所减轻，但新的问题也悄然出现，模具常发生在预热和放置时整体断裂报废的情况。经分析认为，这与冶金缺陷和加工应力消除不充分有关。H13材质的模具重量超过15吨，受大型钢锭铸造冶金质量低下、钢锭自由锻锻透性差、热处理淬火硬度低的影响，探伤合格率极低，合格率仅为50％左右，模具寿命也得不到保证，这严重影响了模具的生产效率和生产成本。

为了解决所述技术问题,申请人曾设计了一种夹心层锻模及锻模夹心层堆焊的工艺方法并申请了专利，专利号为ZL201510171656.4；该方法采用在大型锻模基体上进行梯度功能层增材制造，进而通过回火去应力、机加工成型等获得最终模具；这样，得到的大型锻模能够基本满足锻模模具在极端工况的性能要求，有效延长锻模使用寿命的同时又可降低生产成本，实现了短时间、高利用率的制造和使用模具。但是，申请人在实施上述方法的过程中，发现这种在模具基体上进行多梯度功能层增材制造的大型热锻模具在8万吨压机上成形难变形材料时，基体材料在满足高温(350℃以上)重载(高温下局部瞬时应力650MPa以上)下塑/韧性性能要求有待进一步提高，如何避免在极端条件下热锻模具的基体发生严重塑性变形、开裂等问题，是本领域技术人员需要解决的技术问题；进一步，基体材料与背景技术中增材制造的多梯度功能层如何良好结合并平稳过渡，基体材料的性能如何保证满足8万吨压机上大型热锻模具多次修复和再制造(多次使用，降低单件摊销成本)的使用要求，也是本领域技术人员迫切需要解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明所要解决的问题是：如何提供一种用于热锻模具的高韧性模具锻钢基体材料，可用于制备高韧性模具锻钢基体，解决现有的模具基体在350℃以上、局部瞬时应力在650MPa的高温重载条件下塑韧性差、易开裂，性能无法满足要求等技术问题；同时进一步提高模具锻钢基体材料与增材制造的多梯度功能层之间的结合强度，有效提高大型热锻模具的一次使用寿命和增加可修复再制造的次数。

本发明还提供所述高韧性模具锻钢基体材料的应用，制备得到的高韧性模具锻钢基体，以及获得高韧性夹心层锻模及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种高韧性模具锻钢基体材料，其成分的质量百分比为：C为0.32～0.38％、Si为0.3～0.5％、Mn为0.6～1.0％、Cr为1.4～1.7％、Ni为1.4～1.7％、Mo为0.15～0.35％，余量为铁；杂质总量小于0.12％，其中P≤0.02％、S≤0.02％。

本技术方案中，由于合金元素对锻钢性能具有决定性的作用，因此在设计锻钢材料的时候要求具备良好的合金元素配比。其中：含碳的质量百分比为0.32～0.38％，这是因为，碳元素可提高碳钢中的珠光体含量，从而提高碳钢的强度；通过分析发现含碳量在此区间时碳钢强度较好，同时具有良好的塑/韧性指标。含硅的质量百分比为0.3～0.5％，这是因为，硅元素能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限，含有硅的碳钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层二氧化硅薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。含锰的质量百分比为0.6～1.0％，因为锰在一定程度上能消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，并改善钢材的冷脆倾向，有效保证锻钢的强度、硬度而不损害其塑性和韧性。含铬的质量百分比为1.4％～1.7％，这是因为铬元素是碳化物形成元素，适当增加铬元素具有强化基体、细化晶粒和提高淬透性的作用，细化晶粒和淬透性可有效提高钢的塑/韧性。含镍的质量百分比为1.4％～1.7％，这是因为镍是非碳化物形成元素，适量的镍可以溶入α-Fe中，形成固溶体，强化基体，降低过热敏感性，起到沉淀强化的作用，在提高钢的强度和硬度的同时保持良好的韧性。含钼的质量百分比为0.15～0.35％，这是因为适量的钼元素在钢中能形成很稳定的碳化物，造成二次硬化，使锻钢材料具有高的红硬性，并且还能提高钢的耐磨性及阻止晶粒长大。杂质是指对本发明制备的高韧性模具锻钢基体材料的性能无影响，且又无法去除的物质，总体需要控制≤0.12％；其中，磷、硫元素的质量百分比分别≤0.02％，由于P元素会形成脆性的Fe₃P化合物，导致锻钢的塑韧性急剧下降，并使锻钢的脆性转变温度升高，形成冷脆缺陷；因此控制磷的含量能够有效避免减弱钢的强度，增大钢的冷裂趋向的情况发生；由于S元素容易在晶界形成FeS低熔点物质，高温状态受力时，材料会沿晶界形成裂纹，形成热脆缺陷，避免硫化物在钢凝固过程终了时才凝固在钢的晶粒周界位置，显著降低钢的高温强度，形成热烈的情况发生。

本发明还提供所述高韧性模具锻钢基体材料的应用。

本发明还提供所述高韧性模具锻钢基体材料制备得到的高韧性模具锻钢基体。

具体的，其制备方法包括：采用所述高韧性模具锻钢基体材料作为模具基体材料，所述模具基体材料在感应炉中进行熔炼，浇铸成钢锭后，将钢锭加热至1200±10℃温度范围内，保温6小时后进行锻造加工，始锻温度为1050±10℃，终锻温度≥900℃，再经锻后热处理制备得到所述高韧性模具锻钢基体。

所述高韧性模具锻钢基体的力学性能为：屈服强度σs≥630MPa，抗拉度σb≥820MPa，热处理后硬度≥28HRC，延伸率δ≥20％，收缩率Ψ≥55％，冲击功AKv≥50J。

本发明还提供获得高韧性夹心层锻模及其制备方法。

一种高韧性夹心层锻模，包括高韧性模具锻钢基体、过渡层和高温耐磨层，在所述高韧性模具锻钢基体和所述过渡层之间堆焊一层夹心层；所述高韧性模具锻钢基体采用上述高韧性模具锻钢基体材料；所述夹心层的塑性范围为：δ延伸率14.7～20％，ψ收缩率31.2～36％；屈服强度范围为：σs屈服强度550～570MPa；所述夹心层的屈服强度低于所述高韧性模具锻钢基体和过渡层的屈服强度。

具体的制备方法，包括如下步骤：

1)采用上述高韧性模具锻钢基体材料作为锻钢基体材料制备所述高韧性模具锻钢基体；通过机加工获得型腔部位并预留堆焊余量；

2)在步骤1)获得的所述高韧性模具锻钢基体上，沿预留堆焊处的形状，堆焊塑性好且屈服强度低的夹心层焊材；夹心层堆焊覆盖基体层弧度的40～60％；

3)在步骤2)焊好夹心层的高韧性模具锻钢基体上，沿预留堆焊处余量形状以及夹心层的形状，堆焊强度和硬度较高的过渡层焊材材料，将夹心层材料全部覆盖包住，并继续焊至模具型腔轮廓线下8～11mm；

4)在步骤3)焊好过渡层的高韧性模具锻钢基体上，堆焊高温耐磨层焊材材料，覆盖模具主要耐磨工作区域或全部耐磨区域，焊至型腔轮廓线上4～6mm；

5)将三次堆焊完毕后的模具重复进行两次回火后缓冷工艺，然后将第二次缓冷后的模具放置在空气中，进行空冷至室温；其中，回火温度为530～570℃，缓冷温度至160～180℃；

6)对步骤5)空冷后的模具进行机械加工，使模具各部分尺寸到位，得高韧性夹心层锻模。

进一步，所述步骤1)中制备所述高韧性模具锻钢基体的步骤为：所述高韧性模具基体材料在感应炉中进行熔炼，浇铸成钢锭后，将钢锭加热至1200±10℃温度范围内，保温6小时后进行锻造加工，始锻温度为1050±10℃，终锻温度≥900℃，再经锻后热处理制备得到所述高韧性模具锻钢基体。

更优的，所述步骤1)中预留堆焊余量厚度为40～90mm。

具体的，所述步骤1)中所述堆焊塑性好且屈服强度低是指其力学性能指标能达到以下标准：σs屈服强度≥550MPa，σb抗拉强度≥760MPa，δ延伸率≥14.7％，ψ收缩率≥31.2％，硬度30～35HRC。

更优的，所述步骤2)中夹心层焊至模具型腔轮廓线下14～16mm。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供了一种新的高韧性模具锻钢基体材料，代替了现在采用整体均质锻钢制作模具；通过对模具基体进行测试，制备得到的高韧性模具锻钢基体力学性能指标能够达到：屈服强度σs≥630MPa，抗拉度σb≥820MPa，热处理后硬度≥28HRC，延伸率δ≥20％，收缩率Ψ≥55％，冲击功AKv≥50J；使得本发明模具基体能够满足在350℃以上、局部瞬时应力650MPa以上的高温重载极端工作条件下的塑/韧性要求且保持良好的强硬度要求。从根本上解决了现有的大型热锻模具在高温重载条件下容易出现变形、开裂的问题；使得解决了现有的大型热锻模具使用1-2次就出现10mm以上变形量的问题。

2、本发明通过对高韧性模具锻钢基体材料中的合金元素配比进行设计，不仅使得大型热锻模具基体满足在350℃以上、局部瞬时应力650MPa以上的极端工作条件下的韧性、塑性和强度、硬度等方面的性能要求；还使得大型热锻模具基体的焊接性能更好，使得模具基体与多梯度功能层的焊接效果更好，对模具基体与多梯度功能层的焊接处进行测试，焊接处的连接强度超过1000MPa，保证连接强度大于模具基体和多梯度功能层自身的强度，使得在极端的工作条件下，模具基体与多梯度功能层之间不会出现脱落的情况发生，使得再次提高了大型热锻模具的使用寿命。

3、本发明中通过对高韧性模具锻钢基体材料中的合金元素配比进行设计，并制备得到一种高韧性夹心层锻模，并结合锻造设备运用于实际锻造生产中，为大型热锻工艺提供一种新思路。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

需要说明的是，这些实施例仅用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下本方法的简单改进，都属于本发明要求保护的范围。

实施例

一种高韧性模具锻钢基体材料，其成分的质量百分比为：C为0.32～0.38％、Si为0.3～0.5％、Mn为0.6～1.0％、Cr为1.4～1.7％、Ni为1.4～1.7％、Mo为0.15～0.35％，余量为铁；杂质总量小于0.12％，其中P≤0.02％、S≤0.02％。

具体实施例如下：

一种高韧性模具锻钢基体的制备方法为：按照高韧性模具锻钢基体材料的组分配比，在感应炉中进行熔炼，浇铸成钢锭后，将钢锭加热至1200±10℃温度范围内，保温6小时后进行锻造加工，始锻温度为1050±10℃，终锻温度≥900℃，再经锻后热处理形成上述高韧性模具锻钢基体材料。

经测试，所述高韧性模具锻钢基体的力学性能为：屈服强度σs≥630MPa，抗拉度σb≥820MPa，热处理后硬度≥28HRC，延伸率δ≥20％，收缩率Ψ≥55％，冲击功AKv≥50J；

一种高韧性夹心层锻模，包括高韧性模具锻钢基体、过渡层和高温耐磨层，在所述高韧性模具锻钢基体和所述过渡层之间堆焊一层夹心层；所述高韧性模具锻钢基体采用上述高韧性模具锻钢基体；所述夹心层的塑性范围为：δ延伸率14.7～20％，ψ收缩率31.2～36％；屈服强度范围为：σs屈服强度550～570MPa；所述夹心层的屈服强度低于所述高韧性模具锻钢基体和过渡层的屈服强度。

一种高韧性夹心层锻模的制备方法，包括如下步骤：

1)采用上述高韧性模具锻钢基体材料制备所述高韧性模具锻钢基体；通过机加工获得型腔部位并预留堆焊余量；预留堆焊余量厚度为40～90mm。制备所述高韧性模具锻钢基体的步骤为：所述高韧性模具基体材料在感应炉中进行熔炼，浇铸成钢锭后，将钢锭加热至1200±10℃温度范围内，保温5～6小时进行锻造加工，始锻温度为1050±10℃，终锻温度≥900℃，再经锻后热处理制备得到所述高韧性模具锻钢基体。

2)在步骤1)获得的所述高韧性模具锻钢基体上，沿预留堆焊处的形状，堆焊塑性好且屈服强度低的夹心层焊材；夹心层堆焊覆盖基体层弧度的40～60％；所述堆焊塑性好且屈服强度低是指其力学性能指标能达到以下标准：σs屈服强度≥550MPa，σb抗拉强度≥760MPa，δ延伸率≥14.7％，ψ收缩率≥31.2％，硬度30～35HRC；夹心层焊至模具型腔轮廓线下14～16mm。

3)在步骤2)焊好夹心层的高韧性模具锻钢基体上，沿预留堆焊处余量形状以及夹心层的形状，堆焊强度和硬度较高的过渡层焊材材料，将夹心层材料全部覆盖包住，并继续焊至模具型腔轮廓线下8～11mm。

4)在步骤3)焊好过渡层的高韧性模具锻钢基体上，堆焊高温耐磨层焊材材料，覆盖模具主要耐磨工作区域或全部耐磨区域，焊至型腔轮廓线上4～6mm。

5)将三次堆焊完毕后的模具重复进行两次回火后缓冷工艺，然后将第二次缓冷后的模具放置在空气中，进行空冷至室温；其中，回火温度为530～570℃，缓冷温度至160～180℃。

6)对步骤5)空冷后的模具进行机械加工，使模具各部分尺寸到位，得高韧性夹心层锻模。

通过实验验证，采用本发明中的锻钢基体材料制备的大型热锻模具在8万吨压机上生产钛合金锻件4批次，模具基体无变形和开裂的情况发生，使得大型热锻模具的一次使用寿命增加了5倍以上，对模具锻钢基体与多梯度功能层的焊接处进行测试，焊接处的连接强度超过1000MPa。并且多次使用之后的大型热锻模具不会出现整体报废的情况，避免大型热锻模具发生严重失效的问题，使得大型热锻模具可修复再制造和再次使用，明显的降低了大型热锻模具的报废率；降低大型热锻模具的生产成本，也有效降低了锻件的制造成本。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (3)

1.一种高韧性夹心层锻模，其特征在于，包括高韧性模具锻钢基体、过渡层和高温耐磨层，在所述高韧性模具锻钢基体和所述过渡层之间堆焊一层夹心层；所述夹心层的塑性范围为：δ延伸率14.7~20%，ψ收缩率31.2~36%；屈服强度范围为：σs屈服强度550~570MPa；所述夹心层的屈服强度低于所述高韧性模具锻钢基体和过渡层的屈服强度；所述高韧性模具锻钢基体的成分的质量百分比为：C为0.32~0.38%、Si为0.41~0.5%、Mn为0.81~1.0%、Cr为1.4~1.7%、Ni为1.4~1.7%、Mo为0.15~0.35%，余量为铁；杂质总量小于0.12wt.%，其中P≤0.02%、S≤0.02%；该高韧性模具锻钢基体的制备方法包括：将所述高韧性模具锻钢基体成分在感应炉中进行熔炼，浇铸成钢锭后，将钢锭加热至1200±10℃温度范围内，保温6小时后进行锻造加工，始锻温度为1050±10℃，终锻温度≥900℃，再经锻后热处理制备得到所述高韧性模具锻钢基体；

所述高韧性夹心层锻模的制备方法包括如下步骤：

1）采用高韧性模具锻钢基体，通过机加工获得型腔部位并预留堆焊余量；

2）在步骤1）获得的所述高韧性模具锻钢基体上，沿预留堆焊处的形状，堆焊塑性好且屈服强度低的夹心层焊材；夹心层堆焊覆盖基体层弧度的40~60%；

3）在步骤2）焊好夹心层的高韧性模具锻钢基体上，沿预留堆焊处余量形状以及夹心层的形状，堆焊强度和硬度较高的过渡层焊材材料，将夹心层材料全部覆盖包住，并继续焊至模具型腔轮廓线下8~11mm；

4）在步骤3）焊好过渡层的高韧性模具锻钢基体上，堆焊高温耐磨层焊材材料，覆盖模具主要耐磨工作区域或全部耐磨区域，焊至型腔轮廓线上4~6mm；

5）将三次堆焊完毕后的模具重复进行两次回火后缓冷工艺，然后将第二次缓冷后的模具放置在空气中，进行空冷至室温；其中，回火温度为530~570℃，缓冷温度至160~180℃；

6）对步骤5）空冷后的模具进行机械加工，使模具各部分尺寸到位，得高韧性夹心层锻模。

2.根据权利要求1所述高韧性夹心层锻模的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中预留堆焊余量厚度为40~90mm。

3.根据权利要求1所述高韧性夹心层锻模的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中夹心层焊至模具型腔轮廓线下14~16mm。