CN113621876A - 一种高性能热作模具钢的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高性能热作模具钢技术领域，具体为一种高性能热作模具钢的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：冶炼，步骤二：锻造工艺，步骤三：扩散后出炉锻造，步骤四：锻后退火，步骤五：锻件超细化处理，步骤六：球化退火，本发明的钢种与现有H13钢相比较，钢锭在热加工前使用高温扩散工艺，可以减少高合金比带来的化学成分偏析问题，通过超细化处理+球化退火相结合，以此获得细小的晶粒和碳化物，使材料可以获得优良的球化组织（按照NADCA#207标准在AS1‑AS3），明显提升横向力学性能（横向无缺口冲击均值≥360J）。
Description
技术领域
本发明涉及高性能热作模具钢技术领域，具体为一种高性能热作模具钢的制造方法。
背景技术
随着模具行业的迅速发展，工业生产技术的发展和不断出现的新材料，模具的工作条件日益苛刻，对模具材料的性能、品质、品种等方面不断提出新的要求，为此国内外积极开发了具有各种特性，适合不同性能要求的新型模具材料，本发明主要用于热作模具钢方向。
H13模具钢原是美国的一种钢种，是一种应用比较广泛的热作模具钢，国内外都有应用，在国内一般称作4Cr5MoSiV1。热作模具钢要求材料具有高的淬透性、高的高温强度、高的耐磨性、高的韧性和高的抗热裂纹性能等。目前应用较为广泛的热作模具钢大致分三类：铬系热作模具钢、钨系热作模具钢和钼系热作模具钢。H13热作模具钢是使用最为广泛和最具代表性的钢种，主要有以下特征：
①高的淬透性和高的强韧性；
②具有中等的抗耐磨能力，此外还可以表面渗碳或者渗氮处理来提高硬度；
③热处理时变形小，材料尺寸稳定；
④优良的切削加工性能；
⑤在较高温度下具有抗软化能力，但使用温度高于540℃时材料硬度迅速下降。
在改善H13模具钢的成分方面，目前国际上的趋势是低Si高Mo方向发展。低Si高Mo最初是从大型钢块内部偏析大大改善的低Si-VCD炼钢技术受到启发，另一方面高Mo化方向是由德国X40CrMoV5-3（1.2367）和3Cr型SKD61钢具有优良的高温强度和淬透性来确定的，在这两种技术背景下进行研究开发了低Si（≤0.25%）高Mo（0.20%～3.50%）的H13改进的热作模具钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能热作模具钢的制造方法，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：一种高性能热作模具钢的制造方法，包括以下步骤：
步骤一：冶炼，采用电弧炉、LF炉外精炼和VD真空脱气冶炼工艺将原料冶炼成钢锭；
步骤二：锻造工艺，将钢锭加热至1250℃保温时间根据锭型18～20mm/h进行扩散，以此减少钢锭的元素偏析；
步骤三：扩散后出炉锻造，开锻温度1180～1200℃，终锻温度＞850℃，在此温度范围内可以保证钢材成形在最佳热塑性区，从而避免了锻造开裂；
步骤四：锻后退火，锻后超细化处理+球化退火相结合，以此获得细小的晶粒和碳化物；
步骤五：锻件超细化处理是升温至1030±10℃，保温4～6h后，水冷至料温300±50℃；
步骤六：球化退火是以80℃/h的升温速率升温至850℃保温20～30h，以≤30℃/h的冷却速度冷至730℃保温15～20h，再以≤30℃/h的速度冷却至≤300℃出炉空冷。
优选的，成品化学成分，C：0.36～0.42%，Si：≤0.25%，Mn：0.40～0.60%，P≤0.012%，S≤0.002%，Cr：5.00～5.30%，Mo：1.65～2.00%，V：0.70～0.90%，O≤0.0025%，N≤0.0080%。
优选的，SD360钢淬火后获得的组织是板条马氏体+少量片状马氏体+少量残余奥氏体，残余的奥氏体在淬火后的一次或者两次回火过程中转变完全成回火马氏体。
优选的，通过Si是铁素体进行置换固溶强化，增加带状组织出现几率，使材料的横向性能比纵向性能差。
优选的，通过Mn改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状，提高钢的热加工性能，和提高铁素体和奥氏体的强度和硬度。
优选的，降低气体元素O和N成分，范围为O≤0.0025%，N≤0.008%。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明所述的钢种与现有H13钢相比较，钢锭在热加工前使用高温扩散工艺，可以减少高合金比带来的化学成分偏析问题；
2.通过超细化处理+球化退火相结合，以此获得细小的晶粒和碳化物，使材料可以获得优良的球化组织（按照NADCA#207标准在AS1-AS3），明显提升横向力学性能（横向无缺口冲击均值≥360J）。
具体实施方式
下面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。基于本发明中的技术方案，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。
本发明提供一种技术方案：一种高性能热作模具钢的制造方法，包括以下步骤：
步骤一：冶炼，采用电弧炉、LF炉外精炼和VD真空脱气冶炼工艺将原料冶炼成钢锭；
步骤二：锻造工艺，将钢锭加热至1250℃保温时间根据锭型18～20mm/h进行扩散，以此减少钢锭的元素偏析；
步骤三：扩散后出炉锻造，开锻温度1180～1200℃，终锻温度＞850℃，在此温度范围内可以保证钢材成形在最佳热塑性区，从而避免了锻造开裂；
步骤四：锻后退火，锻后超细化处理+球化退火相结合，以此获得细小的晶粒和碳化物；
步骤五：锻件超细化处理是升温至1030±10℃，保温4～6h后，水冷至料温300±50℃；
步骤六：球化退火是以80℃/h的升温速率升温至850℃保温20～30h，以≤30℃/h的冷却速度冷至730℃保温15～20h，再以≤30℃/h的速度冷却至≤300℃出炉空冷。
成品化学成分，C：0.36～0.42%，Si：≤0.25%，Mn：0.40～0.60%，P≤0.012%，S≤0.002%，Cr：5.00～5.30%，Mo：1.65～2.00%，V：0.70～0.90%，O≤0.0025%，N≤0.0080%。
SD360钢淬火后获得的组织是板条马氏体+少量片状马氏体+少量残余奥氏体，残余的奥氏体在淬火后的一次或者两次回火过程中转变完全成回火马氏体。
通过Si是铁素体进行置换固溶强化，增加带状组织出现几率，使材料的横向性能比纵向性能差。
通过Mn改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状，提高钢的热加工性能，和提高铁素体和奥氏体的强度和硬度。
降低气体元素O和N成分，范围为O≤0.0025%，N≤0.008%。
本发明的目的是提供了一种高性能热作模具钢SD360材料及其制造方法，结合国内外业内人员在现有H13的基础上现研发的多种新型H13热作模具钢，本发明根据产品实际使用情况，并结合了H13的发展趋势，其化学元素质量百分配比如表1所示：
表1所示钢种牌号的热作模具钢，制造工艺是：电弧炉+LF+VD+快锻成材+锻后热处理。
本发明所述钢种的设计原理如下：
作为高性能热作模具钢，合金元素间的交互作用和添加量的匹配显得十分重要。
C：钢中的C一部分进入基体中引起固溶强化，另外一部分和合金元素结合成合金碳化物。对于热作模具钢，这种合金碳化物除少量残留以外，还要求材料在回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生二次硬化现象。从而由均匀分布的残余合金碳化物和回火马氏体的组织来决定SD360材料的性能。
Cr：Cr在钢中和C可形成碳化物，能提高钢材的高温强度和耐磨性，使C曲线右移，提高钢的淬透性和回火稳定性。另外Cr和其他碳化物形成元素一起提供给钢具有较高的淬透性和较好的抗软化能力，所以SD360空冷就能淬硬。
Mo：Mo和Cr一样，也是碳化物形成元素，可以提高钢的高温硬度和淬透性，另外还可以细化晶粒，减小回火脆性。
V：V比Cr和Mo更容易形成碳化物，极少溶入Fe的固溶体中。V的碳化物使钢具有良好的热硬性，并且可以细化晶粒，提高钢的耐磨性。
Si：Si是对铁素体进行置换固溶强化非常有效的元素，仅次于P元素，但同时会在一定程度上降低材料的韧性和塑性。Si也可以降低C在铁素体中的扩散速度，使材料回火时析出的碳化物不易聚集，增加回火稳定性。此外Si在一定程度上增加带状组织出现几率，使材料的横向性能比纵向性能差。
Mn：Mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状，同时Mn与S有较大的亲和力，可以有效避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS，而是以具有一定塑性的MnS存在，从而消除S的有害影响，改善钢的热加工性能。同时Mn具有固溶强化作用，从而提高铁素体和奥氏体的强度和硬度。
气体元素O和N是有害元素，在钢中形成氧化物及氮化物，降低钢的强度及韧度，因此必须降低，故均设计为O≤0.0025%，N≤0.008%以下，这样可以有效提高钢的强度及韧度。
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 (6)
1.一种高性能热作模具钢的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：冶炼，采用电弧炉、LF炉外精炼和VD真空脱气冶炼工艺将原料冶炼成钢锭；
步骤二：锻造工艺，将钢锭加热至1250℃保温时间根据锭型18～20mm/h进行扩散，以此减少钢锭的元素偏析；
步骤三：扩散后出炉锻造，开锻温度1180～1200℃，终锻温度＞850℃，在此温度范围内可以保证钢材成形在最佳热塑性区，从而避免了锻造开裂；
步骤四：锻后退火，锻后超细化处理+球化退火相结合，以此获得细小的晶粒和碳化物；
步骤五：锻件超细化处理是升温至1030±10℃，保温4～6h后，水冷至料温300±50℃；
步骤六：球化退火是以80℃/h的升温速率升温至850℃保温20～30h，以≤30℃/h的冷却速度冷至730℃保温15～20h，再以≤30℃/h的速度冷却至≤300℃出炉空冷。
2.根据权利要求1所述的一种高性能热作模具钢的制造方法，其特征在于：成品化学成分，C：0.36～0.42%，Si：≤0.25%，Mn：0.40～0.60%，P≤0.012%，S≤0.002%，Cr：5.00～5.30%，Mo：1.65～2.00%，V：0.70～0.90%，O≤0.0025%，N≤0.0080%。
3.根据权利要求1所述的一种高性能热作模具钢的制造方法，其特征在于：SD360钢淬火后获得的组织是板条马氏体+少量片状马氏体+少量残余奥氏体，残余的奥氏体在淬火后的一次或者两次回火过程中转变完全成回火马氏体。
4.根据权利要求1所述的一种高性能热作模具钢的制造方法，其特征在于：通过Si是铁素体进行置换固溶强化，增加带状组织出现几率，使材料的横向性能比纵向性能差。
5.根据权利要求1所述的一种高性能热作模具钢的制造方法，其特征在于：通过Mn改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状，提高钢的热加工性能，和提高铁素体和奥氏体的强度和硬度。
6.根据权利要求1所述的一种高性能热作模具钢的制造方法，其特征在于：降低气体元素O和N成分，范围为O≤0.0025%，N≤0.008%。
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