CN113174540B - 一种低成本模具锻钢基体材料、夹心层锻模及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本模具锻钢基体材料、夹心层锻模及其制备方法。所述模具锻钢基体成分的质量百分比为：C 0.4～0.5%，Si 0.2～0.4%，Mn 0.5～0.8%，Cr 0.2～0.4%，Ni 0.2～0.4%，Cu 0.15～0.3%，余量为铁；其中杂质总量小于0.12%，其中P≤0.02%、S≤0.02%。本发明锻模锻钢基体材料成本仅为4～5元/Kg；并且解决现有模具基体使用工况在温度在350℃以上、局部瞬时应力在650MPa以上的条件下，硬度、强度迅速降低，出现易开裂等的技术问题；且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，使用本申请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5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10倍以上。

Description

一种低成本模具锻钢基体材料、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热锻模模具的低成本模具锻钢基体材料、模具锻钢基体及夹心层锻模及其制备方法。

背景技术

随着国家重型装备制造业的发展，大飞机、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、超低成本钢等)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钢作为模具材质后，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。当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发明专利ZL201510171656.4，该发明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，实现了低成本、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，如何进一步降低成本，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

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的问题之一是：如何提供一种用于热锻造模具的低成本锻模锻钢基体材料，可用于制备低成本模具锻钢基体且解决现有的模具基体在温度在350℃以上、局部瞬时应力在650MPa以上的条件下强、硬度和塑、韧性难以协调匹配和模具钢价格昂贵等问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种低成本模具锻钢基体材料，其成分的质量百分比为：C 0.4～0.5％，Si 0.2～0.4％，Mn 0.5～0.8％，Cr 0.2～0.4％，Ni 0.2～0.4％，Cu 0.15～0.3％，余量为铁；其中杂质总量小于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0.4～0.5％，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，且不容易出现热烈和冷裂缺陷。含硅的质量百分比为0.2～0.4％，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；经过分析发现此区间内含硅量可以在铁素体中形成较好的固溶强化作用，同时也在表面上形成一层二氧化硅薄膜；有效提升锻钢的强度、硬度而不会显著降低其塑性、韧性。含锰的质量百分比为0.5～0.8％，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，有效提高钢材强度的同时不显著降低钢材的塑性、冲击韧性。含铬的质量百分比为0.2％～0.4％，这是因为铬元素是碳化物形成元素，具有强化基体、细化晶粒和提高淬透性的作用，但铬的含量不宜过高，否则会增加碳化物的不均匀性和回火脆性。含镍的质量百分比为0.2％～0.4％，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。含铜的质量百分比为0.15～0.3％，这是因为适量的铜元素在钢中能提高钢材的强度和韧性，同时改善钢材在大气下的腐蚀性能。杂质是指对本发明制备的低成本锻模锻钢基体材料的性能无影响，且又无法去除的物质，应控制≤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，热裂形成的情况发生。

本发明用于制备高温重载条件下大型热锻模具的低成本模具锻钢基体材料，解决了现有的模具基体在温度在350℃以上、局部瞬时应力在650MPa以上的条件下硬、强度和塑、韧性方面的性能无法满足协调匹配要求等技术问题，进一步提高了低成本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，有效提高了大型热锻模具的一次使用寿命和增加了可修复再制造的次数。

本发明还提供所述低成本模具锻钢基体材料的应用。

本发明还提供所述低成本模具锻钢基体材料制备得到的低成本模具锻钢基体。

一种低成本模具锻钢基体，由所述低成本模具锻钢基体材料制备得到。

所述低成本模具锻钢基体的力学性能为：屈服强度σs≥700MPa，抗拉度σb≥900MPa，热处理后硬度≥30HRC，延伸率δ≥18％，收缩率Ψ≥35％，冲击功AKv≥45J。

具体的，制备方法包括：采用所述低成本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6-8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低成本模具锻钢基体。

本发明还提供获得低成本夹心层锻模及其制备方法。

一种低成本夹心层锻模的制备方法，包括如下步骤：

1)采用上述低成本模具锻钢基体材料制备模具锻钢基体；通过机加工获得型腔部位并预留堆焊余量；

2)在步骤1)获得的所述低成本模具锻钢基体上，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)焊好夹心层的低成本模具锻钢基体上，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)焊好过渡层的低成本模具锻钢基体上，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，得低成本夹心层锻模。

进一步，所述步骤1)中所述低成本模具锻钢基体的步骤为：所述低成本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5～8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低成本模具锻钢基体。

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低成本模具锻钢基体材料，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，其力学性能指标能够达到：屈服强度σs≥700MPa，抗拉度σb≥900MPa，热处理后硬度≥30HRC，延伸率δ≥18％，收缩率Ψ≥35％，冲击功AKv≥45J；使得本发明得到的模具基体能够实现在更低模具基体成本前提下，满足在350℃以上、局部瞬时应力650MPa以上的极端工作条件下的强度、硬度、韧性以及塑性等方面的性能要求，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；解决了现有的大型热锻模具使用1-2次就出现10mm以上的变形量。

2、本发明中通过对低成本模具锻钢基体材料中的合金元素配比进行设计，制备成本仅为4～5元/Kg，远低于传统的热作模具钢5CrNiMo(20元/Kg)和H13钢(30元/Kg)。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强度、硬度、韧性以及塑性等方面的性能要求；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1100MPa，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、本发明通过对低成本模具锻钢基体材料中的合金元素配比进行设计，并制备得到一种低成本夹心层锻模，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。

一种低成本锻模锻钢基体材料，其成分的质量百分比为：C 0.4～0.5％，Si 0.2～0.4％，Mn 0.5～0.8％，Cr 0.2～0.4％，Ni 0.2～0.4％，Cu 0.15～0.3％，余量为铁；其中杂质总量小于0.12％，其中P≤0.02％、S≤0.02％。

具体实施例如下：

一种低成本模具锻钢基体的制备方法为。

采用所述低成本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低成本模具锻钢基体。

经测试，所述低成本模具锻钢基体材料的力学性能指标为：屈服强度σs≥700MPa，抗拉度σb≥900MPa，热处理后硬度≥30HRC，延伸率δ≥18％，收缩率Ψ≥35％，冲击功AKv≥45J。

本发明锻模锻钢基体材料在性能满足要求的情况下，制备成本仅为4～5元/Kg，远低于传统的热作模具钢5CrNiMo(20元/Kg)和H13钢(30元/Kg)。

一种低成本夹心层锻模的制备方法，包括如下步骤：

1)采用上述低成本模具锻钢基体材料制备所述低成本模具锻钢基体；通过机加工获得型腔部位并预留堆焊余量；

2)在步骤1)获得的所述低成本模具锻钢基体上，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)焊好夹心层的低成本模具锻钢基体上，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)焊好过渡层的低成本模具锻钢基体上，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，得低成本夹心层锻模。

进一步，所述步骤1)中所述低成本模具锻钢基体的步骤为：所述低成本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低成本模具锻钢基体。

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。

通过实验验证，采用本发明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5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10倍以上；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，使得可以对大型热锻模具进行修复再制造的方式，使得大型热锻模具可再次使用，明显的降低了大型热锻模具的报废率；使得大型热锻模具的生产成本大大降低，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)

1.一种低成本夹心层锻模，其特征在于，包括低成本模具锻钢基体、过渡层和高温耐磨层，在所述低成本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%；所述夹心层的屈服强度范围为：σs屈服强度550~570MPa；所述夹心层的屈服强度低于所述低成本模具锻钢基体和过渡层的屈服强度；

所述低成本模具锻钢基体的成分的质量百分比为：C 0.4～0.5%，Si 0.2～0.4%，Mn0.5～0.8%，Cr 0.2～0.4%，Ni 0.2～0.4%，Cu 0.15～0.3%，余量为铁；其中杂质总量小于0.12wt.%，其中P≤0.02%、S≤0.02%；

其制备方法包括：将所述低成本模具锻钢基体的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低成本模具锻钢基体；

所述低成本夹心层锻模的制备方法包括如下步骤：

1）采用低成本模具锻钢基体，通过机加工获得型腔部位并预留堆焊余量；

2）在步骤1）获得的所述低成本模具锻钢基体上，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）焊好夹心层的低成本模具锻钢基体上，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）焊好过渡层的低成本模具锻钢基体上，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，得低成本夹心层锻模。

2.根据权利要求1所述低成本夹心层锻模，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所述低成本夹心层锻模，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。