CN114395738B - 一种具有高热扩散系数模具钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高热扩散系数的模具钢及其制备方法，该模具钢由以下质量百分比的组分构成：C：0.30‑0.40％，Si：0.05‑0.10％，Mo：2.50‑3.40％，Nb：0.01‑0.05％，Co：0.30‑0.50％，RE：0.01‑0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质；并且，模具钢中，P≤0.15％，S≤0.025％。该模具钢的制备方法包括依次设置的熔炼、电渣重熔、电渣锭退火、锻造、球化退火、淬火和回火工艺步骤。本发明的具有高热扩散系数的模具钢，通过采用新型的化学元素成份的配比，以及合理的工艺设置，可获得具有超高导热率的新型模具钢，并使由其加工的模具兼具优良的高温性能和极佳的综合力学性能。

Description

一种具有高热扩散系数模具钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及钢铁技术领域，特别涉及一种具有高热扩散系数模具钢。此外，本发明还涉及一种具有高热扩散系数模具钢的制备方法。

背景技术

钢铁工业作为制造业的基石，在现代工业发展过程中起着非常重要的作用。

模具钢作为钢铁材料的一种，被广泛应用于工业和制造业中。模具钢根据其加工金属或金属液体的温度可分为冷作模具钢和热作模具钢。热作模具钢是用来制造使加热到再结晶温度以上的金属或液态金属获得所需要形状的模具材料。例如热锻压模具、压铸模具和热冲压模具等。热作模具钢和冷作模具钢，在模具投入服役之前，往往需要进行淬火和回火处理，以得到良好的综合力学性能。

常用的模具钢在设计和应用时往往考虑其力学性能，如热处理硬度和冲击韧性、耐磨性等，往往忽视了材料物理性能对材料服役好坏和寿命的影响。材料的物理性能，如热扩散系数同样是影响模具服役表现的重要影响因素。在模具钢中，尤其是热作模具钢中，模具热扩散系数的高低影响着加工产品的质量和模具寿命的长短。在压铸模中，液态金属需要在磨具中凝固成型，在此过程中，高热扩散系数的模具可以为液态金属提供高冷却速率，降低压铸时间，同时提高铸造组织性能。在热冲压模具中，高热扩散系数的模具可以为钢板提供高的冷却速率，促进钢板马氏体相变，提高钢板强度，降低保压时间，提高生产效率。同时模具的高热扩散系数可以有效降低加工时模具表面的被加热温度，提高其高温耐磨性能和抵抗热疲劳裂纹的萌生和扩展能力，提高其使用寿命。

但是，目前模具钢生成工艺中制备得到的模具钢品种都未能充分考虑其热传导物理性能，因此，现有模具钢制成的模具在热传导性方面存在有待提升的空间；通过改善模具钢的热传导性能，有助于提升模具的使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种具有高热扩散系数的模具钢及其制备方法，以提高模具钢的热扩散系数，从而利于提高由该模具钢制成的模具的使用寿命。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种具有高热扩散系数的模具钢，该模具钢由以下质量百分比的组分构成：

C：0.30-0.40％，Si：0.05-0.10％，Mo：2.50-3.40％，Nb：0.01-0.05％，Co：0.30-0.50％，RE：0.01-0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质；且，所述模具钢中，P≤0.15％，S≤0.025％。

进一步的，所述模具钢中RE和S的质量百分比含量满足：[RE]/[S]＞2.0，[RE]×[S]＜0.005％。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明所述的具有高热扩散系数的模具钢通过以上化学元素成份的配比，尤其是特定的碳和合金元素的配比，获得了具有高热扩散系数的模具钢，并使得到的具有高热扩散系数的模具钢兼具优良的硬度、耐磨性和韧性，具有极佳的综合力学性能。

通过Mo、Co和Si元素的结合作用，有利于得到具有高热扩散系数的模具钢。而特定含量的Mo、Co与C的反应结合，使本发明产生的模具钢具有突出的高热扩散系数性能，同时，保有优良的综合力学性能。

其中，通过使材料的组织中形成大量的钼的碳化物而达到强化效果，所得碳化物在增加具有高热扩散系数的模具钢的硬度的基础上又保证了其韧性，并能使具有高热扩散系数的模具钢获得良好的回火稳定性、红硬性、热强性。特定含量的钴可提高该具有高热扩散系数的模具钢的熔点，进而溶解更多钼元素，使具有高热扩散系数的模具钢的二次硬化能力、硬度和高温强度提高，提高具有高热扩散系数模具钢的耐磨性和耐用度。而特定含量的铌元素可以有效细化组织晶粒。

本发明的另一目的在于提出一种具有高热扩散系数的模具钢的制备方法，该方法包括如下步骤：

该制备方法包括依次设置的熔炼、电渣重熔、电渣锭退火、锻造、球化退火、淬火和回火工艺步骤。

进一步的，在所述熔炼工艺步骤中，熔炼的温度为1450-1600℃。

进一步的，在所述电渣锭退火工艺步骤中，经电渣重熔后获得的电渣锭在750-800℃条件下保温8-10h后，再随炉冷却至常温。

进一步的，在所述锻造工艺步骤中，将所述电渣锭退火后得到的钢锭加热至1150-1180℃，保温30分钟后再对所述钢锭进行多向锻造，且终锻温度在950℃以上，锻造比不小于6。

进一步的，在所述球化退火工艺步骤中，锻造后的钢料在650-750℃条件下保温12-16h，之后随炉冷却至常温。

进一步的，在所述淬火工艺步骤中，球化退火后的模具钢坯料在1050-1150℃条件下保温1h后油冷至常温，随后再进行回火处理。

进一步的，在所述回火处理中，淬火后的模具钢材料在570-630℃条件下保温2h以上，之后随炉冷却至常温。

进一步的，所述回火处理重复进行两次。

相对于现有技术，本发明的制备方法可基于本发明模具钢的成分配比，制备出热传导性能和综合力学性能优异的模具钢材料；为具有高热扩散系数的模具钢的生产，提供了合理且切实可行的工艺流程及相关工艺参数，保障了模具钢中各化学元素之间的良好反应，以及钢材中马氏体组织相性的生成，从而有利于进一步保障模具钢高热扩散系数和综合力学性能的实现。

附图说明

图1为本发明实施例一所述的具有高热扩散系数模具钢的回火处理后的扫描电镜图；

图2为本发明实施例一所述的具有高热扩散系数模具钢的透射电镜图；

图3为本发明实施例一所述的具有高热扩散系数模具钢与H13钢热扩散系数对比图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例涉及一种具有高热扩散系数的模具钢，其由以下质量百分比的元素组成：C：0.30％；Si：0.07％；Mo：3.40％；Nb：0.02％；Co：0.35％；P：0.01％，S：0.01％，RE：0.02％，其余为Fe和不可避免杂质。

上述的具有高热扩散系数的模具钢的制备方法包括以下工艺步骤：

a、将上述模具钢的预定成分经1480℃电炉熔炼后浇筑成钢锭，再经电渣重熔；之后在780℃条件下保温8小时进行退火，待电渣锭随炉冷却至25°左右的常温后，完成电渣锭退火工艺。退火后的钢锭加热到1160℃保温30分钟后进行多向锻造，终锻温度为960℃，锻造比为7，并将锻造后的材料在700℃保温12h，随炉冷却至25°左右的常温，得到具有高热扩散系数的模具钢坯料。

b、将得到的具有高热扩散系数的模具钢坯料加热到1050℃保温1h，再油冷至25℃，得到马氏体组织模具钢材料。

c、将得到的马氏体组织模具钢材料在630℃保温2h15min(回火处理)。

d、重复c步骤，即可得到硬度为50HRC、冲击功为124J、常温条件下热扩散系数为11.94mm²/s的具有高热扩散系数的模具钢材料。相同热处理硬度的H13钢常温条件下的热扩散系数仅为6.23mm²/s。

经上述工艺制备生成的模具钢，其相关性能及对比情况如附图所示，图1所示为经过回火后得到的具有高热扩散系数的模具钢组织扫描电镜照片，图2所示为具有高热扩散系数的模具钢的组织透射电镜照片。图3为具有高热扩散系数的模具钢与H13钢热扩散系数对比。

本实施例涉及的各元素名称为：C：碳；Si：硅；Mo：钼；Nb：铌；Co：钴；P：磷；S：硫；RE：稀土；Fe：铁。

需要指出，本实施例中钼、钴和铌元素的反应结合有利于得到具有高热扩散系数的模具钢。特定含量的钼、钴的相互作用使本实施例产生的具有高热扩散系数的模具钢具高热扩散系数能力的同时保有优良的综合力学性能。上述给出的具体配比值、工艺控制参数、以及回火处理次数等均是优选的具体数值，在本发明公布的数值范围以及原则要求内，可进行适当调整，并均可获得导热性能以及力学性能优异的模具钢产品。

例如，在上述的电渣锭退火、球化退火和回火处理过程中，随炉冷却过程可等待降温至常温条件下即可，为了便于控制和标准的一致性，优选地，随炉冷却降温至25°以下即可；淬火工艺中的油冷降温也可参考上述的随炉冷却降温情况进行。回火处理可进行一次或者重复进行两次；优选地进行两次回火处理。

特别指出的是，本发明的模具钢的配比成分中，磷和硫等的杂质含量应保持在P≤0.15％、S≤0.025％的条件下，以确保钢材的综合性能；优选地，要求模具钢中RE和S的质量百分比含量满足：[RE]/[S]≥2.0，[RE]×[S]≤0.005％。并且，本发明的模具钢不包含铬、锰、镍、钒、钨等元素。

在上述的元素中，钼元素的添加可以增加高热扩散系数的模具钢的导热能力。本实施例主要通过使材料的组织中形成大量的钼的碳化物而达到强化效果，所得碳化物在增加具有高热扩散系数的模具钢的硬度的基础上又保证了其韧性，并能使具有高热扩散系数的模具钢获得良好的回火稳定性、红硬性、热强性。

钴在退火状态下大部分处于α-Fe中，在钼的碳化物中也有一定的溶解度。本实施例中特定含量的钴可提高该具有高热扩散系数的模具钢的熔点，使淬火温度提高，进而溶解更多钼元素，强化基体。同时，本实施例中特定含量的钴还可以延缓回火时合金碳化物的析出，减慢碳化物的长大，细化碳化物，使钢的二次硬化能力、硬度和高温强度提高，提高具有高热扩散系数的模具钢的耐磨性和耐用度。钴元素对钢的热传导能力影响较小，同时使钢获得高的高温硬度和综合力学性能，因此本实施例添加一定量的钴来确保综合力学性能和热扩散能力的配合。

具体的，特定含量的铌元素可以有效细化组织晶粒。铌可以再具有高热扩散系数的模具钢的锻造和淬火、正火等热处理过程中延缓奥氏体再结晶，细化晶粒的作用极其强烈。铌在钢中可以形成NbC或NbN等间隙中间相。在再结晶过程中，因NbC、NbN对位错的钉扎及抑制晶粒长大等作用，从而大大增加了再结晶时间。铌在具有高热扩散系数的模具钢的锻造和热处理工程中可以有效的细化晶粒，为钼碳化物的析出提供激活能，促进碳化物弥散细小析出，保证良好的综合力学性能和热扩散能力。

本发明采用的碳的含量与碳化物形成元素的含量的比例在0.09-0.16之间(碳化物形成元素为钼和铌的质量百分数之和)。在本实施例中，碳含量为0.3％，Mo为3.40％，Nb为0.02％；计算可知碳含量与碳化物形成元素的含量的比例约为0.09。上述特定的碳含量促使钼强碳化物形成元素能在高温回火过程中以细小弥散的特征析出而产生二次硬化现象。本实施例中由于特定的碳和钼的比例，钼元素以细小的二次析出碳化物形式析出，保证综合力学性能的同时使实施例钢具有超高的热扩散系数。

本实施例中具有高热扩散系数的模具钢中的微量稀土元素，可明显地优化铸坯质量，提高具有高热扩散系数的模具钢的塑性、韧性，还能改善钢材的横向性能和低温韧性。

实施例二

本实施例同样涉及一种具有高热扩散系数的模具钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.33％；Si：0.06％；Mo：3.20％；Nb：0.03％；Co：0.48％；P：0.05％，S：0.01％，RE：0.04％，其余为Fe和不可避免杂质。

上述模具钢的制备方法包括以下工艺步骤：

a、将具有高热扩散系数的模具钢预定成分经1530℃电炉熔炼后浇筑成钢锭，再经电渣重熔后在790℃保温9小时进行退火，退火后的钢锭加热到1170℃保温30分钟后进行多向锻造，终锻温度为980℃，锻造比为6.5，并将锻造后的材料在720℃保温12h，之后随炉冷却至常温，得到具有高热扩散系数的模具钢坯料。

b、将得到的具有高热扩散系数的模具钢坯料加热到1090℃保温1h，再油冷至25℃，得到马氏体组织模具钢材料。

c、将得到的马氏体组织模具钢材料在600℃保温2h15min(回火处理)。通过上述步骤，可得到硬度为52HRC、冲击功为103J、常温条件下热扩散系数为10.60mm²/s的模具钢材料。

实施例三

本实施例示出了另一组配比和工艺参数下制备具有高热扩散系数的模具钢的实施方案。在本实施例中，本发明的模具钢由以下质量百分比的元素组成：C：0.36％；Si：0.09％；Mo：2.80％；Nb：0.05％；Co：0.50％；P：0.01％，S：0.02％，RE：0.04％，其余为Fe和不可避免杂质。

上述具有高热扩散系数的模具钢的制备方法包括以下工艺步骤：

a、将上述具有高热扩散系数的模具钢预定成分经1510℃电炉熔炼后浇筑成钢锭，再经电渣重熔后在800℃保温8小时进行退火，退火后的钢锭加热到1180℃保温30分钟后进行多向锻造，终锻温度为970℃，锻造比为8，并将锻造后的材料在710℃保温13h，之后随炉冷却至常温得到具有高热扩散系数的模具钢坯料。

b、将得到的具有高热扩散系数的模具钢坯料加热到1100℃保温1h，再油冷至25℃，得到马氏体组织模具钢材料。

c、将得到的马氏体组织模具钢材料在600℃保温2h15min(回火处理)。

d、重复c步骤，即可得到硬度为51HRC、冲击功为117J、常温条件下热扩散系数为11.32mm²/s的具有高热扩散系数的模具钢材料。

实施例四

本实施例提供了具有高热扩散系数的模具钢又一具体制备方案，本方案中模具钢由以下质量百分比的元素组成：C：0.40％；Si：0.05％；Mo：3.40％；Nb：0.04％；Co：0.45％；P：0.02％，S：0.01％，RE：0.03％，其余为Fe和不可避免杂质。

上述具有高热扩散系数的模具钢的制备方法包括以下工艺步骤：

a、将上述具有高热扩散系数的模具钢预定成分经1580℃电炉熔炼后浇筑成钢锭，再经电渣重熔后在760℃保温10小时进行退火，退火后的钢锭加热到1160℃保温30分钟后进行多向锻造，终锻温度为980℃，锻造比为7，并将锻造后的材料在750℃保温12h，之后随炉冷却至室温，得到具有高热扩散系数的模具钢坯料。

b、将得到的具有高热扩散系数的模具钢坯料加热到1080℃保温1h，再油冷至25℃，得到全马氏体组织模具钢材料。

c、将得到的马氏体组织模具钢材料在590℃保温2h15min(回火处理)。通过上述工艺即可得到硬度为51.5HRC，冲击功为108J，室温热扩散系数为10.85mm²/s的具有高热扩散系数的模具钢材料。

综上所述，本发明的具有高热扩散系数的模具钢，通过特定的化学元素成份的配比，尤其是特定的碳和合金元素的配比，获得了具有高热扩散系数的模具钢，并使得到的具有高热扩散系数的模具钢兼具优良的硬度、耐磨性和韧性，具有极佳的综合力学性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有高热扩散系数的模具钢，其特征在于，该模具钢由以下质量百分比的组分构成：C：0.30-0.40%，Si：0.05-0.10%，Mo：2.50-3.40%，Nb：0.01-0.05%，Co：0.30-0.50%，RE：0.01-0.05%，余量为 Fe和不可避免的杂质；且，所述模具钢中，P≤0.15%，S≤0.025% ；Mo和Nb均为碳化物形成元素，且C的含量与所述碳化物形成元素的含量的比例在0.09-0.16之间。

2.根据权利要求1所述的具有高热扩散系数的模具钢，其特征在于：所述模具钢中RE和S的质量百分比含量满足：[RE]/[S]≥2.0，[RE]×[S] ≤0.005%。

3.一种权利要求1或2所述的具有高热扩散系数的模具钢的制备方法，其特征在于：该制备方法包括依次设置的熔炼、电渣重熔、电渣锭退火、锻造、球化退火、淬火和回火工艺步骤。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在所述熔炼工艺步骤中，熔炼的温度为1450-1600℃。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在所述电渣锭退火工艺步骤中，经电渣重熔后获得的电渣锭在750-800℃条件下保温8-10h后，再随炉冷却至常温。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在所述锻造工艺步骤中，将所述电渣锭退火后得到的钢锭加热至1150-1180℃，保温30分钟后再对所述钢锭进行多向锻造，且终锻温度在950℃以上，锻造比不小于6。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在所述球化退火工艺步骤中，锻造后的钢料在650-750℃条件下保温12-16h，之后随炉冷却至常温。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的制备方法，其特征在于：在所述淬火工艺步骤中，球化退火后的模具钢坯料在1050-1150℃条件下保温1h后油冷至常温，随后再进行回火处理。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：在所述回火处理中，淬火后的模具钢材料在570-630℃条件下保温2h以上，之后随炉冷却至常温。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述回火处理重复进行两次。

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