CN115491584A - 一种高强耐磨的热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热作模具钢(IPC分类号：C22C38/04)，尤其涉及一种高强耐磨的热作模具钢及其制备方法。主要包括以下原料：Fe，Zn，Ti，Mn，Ga，Mo，Si，Nb，V，碳化物，稀土元素。本发明制备的热作模具钢克服了高硬易脆的力学缺陷，同时具有较高的硬度、耐磨性能以及抗弯强度，此外制备方法简单，适合工业化生产。

Description

一种高强耐磨的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(IPC分类号：C22C38/04)，尤其涉及一种高强耐磨的热作模具钢及其制备方法。
背景技术
现代工业中，制造业仍然在我们工业发展中占据重要的地位，热作钢作为制造业中重要的常用材质，占据着非常重要的地位。热作钢工作特点是具有间歇性，每次使热态金属成形后都要用水、油、空气等介质冷却，因此，热作钢的工作状态是反复受热和冷却，从而使其表面产生反复的热胀冷缩，即反复承受拉压应力作用，其结果引起该钢表面结构出现龟裂，称为热疲劳现象。此外，由于热作模具长时间处于高温高压条件下工作，因此，要求模具材料具有高的强度、硬度以及热稳定性，特别是应有高热强性、热疲劳性、韧性和耐磨性。
专利申请CN201911298903.1提供了一种热作模具钢高耐磨高耐蚀保护层的制备方法，在此申请中制备的一种保护层，从而提高了热作模具钢的高耐磨耐腐蚀性能，对热作模具钢形成极佳的表面防护与强化，但是制备工艺复杂，另外保护层一旦收到损害，则无法对热作模具钢起到保护的效果。
因此，本发明制备的热作模具钢克服了高硬易脆的力学缺陷，同时具有较高的硬度、耐磨性能以及抗弯强度，此外制备方法简单，适合工业化生产。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种高强耐磨的热作模具钢，主要包括以下原料：Fe，Zn，Ti，Mn，Ga，Mo，Si，Nb，V，碳化物，稀土元素，所述原料所占的质量百分比含量为：Fe 8～10％，Zn 5～7％，Mn7～10％，Ga 1～3％，Mo 1～3％，Si 1～2％，Nb 4～6％，V 4～6％，碳化物27～31％，稀土元素4～6％，余量为Ti。
作为一种优选的方案，所述原料所占的质量百分比含量为：Fe 8.2～9.4％，Zn5.7～6.1％，Mn7.9～8.5％，Ga1.4～2.1％，Mo 2～2.2％，Si 1.3～1.8％，Nb4.9～5.5％，V4.9～5.4％，碳化物28～30％，稀土元素4.9～5.3％，余量为Ti。
作为一种优选的方案，所述Mo，碳化物的重量比为1：(14～15)。
在本发明中，Mo的加入可以提高热作模具钢的淬透性以及高温下的强度和稳定性，细化晶粒，提高红硬性。并可以与碳元素结合形成稳定的M2C型合金碳化物，其在马氏体板条内的压晶界上以平行的细针状位置析出，与基体保持共格，提高钢的高温硬度和耐磨性。
作为一种优选的方案，所述碳化物为WC，Cr C，VC的一种或多种。
作为一种优选的方案，所述碳化物为WC，Cr C的混合物。
作为一种优选的方案，所述WC，Cr C的重量比为(2.5～2.7)：1。
在本发明中WC，Cr C的重量比为(2.5～2.7)：1，提高了氮化层的力学性能，可以使氮化层能在重载荷和冲击载荷条件氮化层不被垮塌，更充分的发挥氮化层的硬度好，耐磨性能好的优点。
作为一种优选的方案，所述稀土元素为La，Ce，Pr，Nd，Gd，Sc，Y的一种或多种。
作为一种优选的方案，所述稀土元素为Sc，Y，La的混合物。
作为一种优选的方案，所述Sc，Y，La的重量比为1：(0.3～0.5)：(0.5～0.9)。
作为一种优选的方案，所述Sc，Y，La的重量比为1：0.4：0.7。
本发明的第二方面提供了一种高强耐磨的热作模具钢的制备工艺，其步骤主要包括：
(1)将Fe，Zn，Mn，Ga，Nb，V，碳化物，稀土元素，按比例置于1300～1400℃熔炼20～40min，然后加入Mo，Si，Ti继续熔炼，形成钢水；
(2)将钢水注入钢锭模中，保温，脱模，冷却，退火；
(3)锻造；
(4)保持一定的升温速度升温，保温，冷却，退火，最后随炉冷却，出炉空冷；
(5)将步骤(4)得到的材料进行表面处理。
作为一种优选的方案，步骤(2)所述保温的时间为5～6h，为了使钢成分均匀化。
作为一种优选的方案，步骤(3)所述锻造的温度为900～1000℃；
作为一种优选的方案，步骤(4)的升温速度为60～80℃/h，保温的温度为800～900℃，冷却的温度为500～600℃，随炉冷却的温度为500～550℃。
作为一种优选的方案，步骤(5)所述表面处理的具体实现方式：将步骤(4)得到的材料置于氨气氛围下2～4h，表面处理的温度为600～650℃，氨气的流量为0.6～1m3/h。
有益效果：
1.本发明通过限定Mn的添加量为7.9～8.5％时，可以提高热作模具钢的强度，硬度、淬性，改善热作模具钢的加工性能，但是当Mn含量太高，会减弱钢的抗腐蚀能力和焊接性能。
2.本发明通过限定WC，Cr C的重量比为(2.5～2.7)：1时，可以提高热作模具钢的耐高温、重载荷、冲击载荷下的摩擦耐磨损的性能。
3.本发明通过限定Sc，Y，La的重量比为1：(0.3～0.5)：(0.5～0.9)时，提高了氮化层与基体材料的结合力，降低了钢化材料的脆性，提高了耐冲击性能，延长热作磨具钢的使用寿命。
4.本发明通过碳化物与Ti元素的协同作用，可以有利于Ti元素的氮化，并且形成一定厚度的氮化层，从而提高了热作模具钢的硬度和耐磨程度。
5.本发明制备的热作模具钢克服了高硬易脆的力学缺陷，同时具有较高的硬度、耐磨性能以及抗弯强度，此外制备方法简单，适合工业化生产。
具体实施方式
实施例
实施例1
本发明的实施例1提供了一种高强耐磨的热作模具钢，包括以下原料：Fe，Zn，Ti，Mn，Ga，Mo，Si，Nb，V，碳化物，稀土元素，所述原料所占的质量百分比含量为：Fe 9.1％，Zn6％，Mn 8.1％，Ga1.8％，Mo 2.1％，Si 1.5％，Nb5.1％，V 5.0％，碳化物19％，稀土元素5.1％，余量为Ti。
所述碳化物为WC，Cr C的混合物。所述WC，Cr C的重量比为2.6：1。
所述稀土元素为Sc，Y，La的混合物。所述Sc，Y，La的重量比为1：0.4：0.7。
本实施例1提供了一种高强耐磨的热热作模具钢的制备工艺，其步骤包括：
(1)将Fe，Zn，Mn，Ga，Nb，V，碳化物，稀土元素，按比例置于1350℃熔炼30min，然后加入Mo，Si，Ti继续熔炼，形成钢水；
(2)将钢水注入钢锭模中，保温，脱模，冷却，退火；
(3)锻造；
(4)保持一定的升温速度升温，保温，冷却，退火，最后随炉冷却，出炉空冷；
(5)将步骤(4)得到的材料进行表面处理。
步骤(2)所述保温的时间为5.5h；
步骤(3)所述锻造的温度为950℃；
步骤(4)的升温速度为70℃/h，保温的温度为850℃，冷却的温度为550℃，随炉冷却的温度为520℃。
步骤(5)所述表面处理的具体实现方式：将步骤(4)得到的材料置于氨气氛围下3h，表面处理的温度为620℃，氨气的流量为0.8m3/h。
实施例2
本发明的实施例2提供了一种高强耐磨的热作模具钢，包括以下原料：Fe，Zn，Ti，Mn，Ga，Mo，Si，Nb，V，碳化物，稀土元素，所述原料所占的质量百分比含量为：Fe 8.2％，Zn5.7％，Mn 8.5％，Ga 2.1％，Mo2.1％，Si 1.8％，Nb 5.3％，V 5.4％，碳化物30％，稀土元素4.9％，余量为Ti。
所述碳化物为WC，Cr C的混合物。所述WC，Cr C的重量比为2.6：1。
所述稀土元素为Sc，Y，La的混合物。所述Sc，Y，La的重量比为1：0.4：0.7。
本实施例2提供了一种高强耐磨的热热作模具钢的制备工艺，其步骤包括：
(1)将Fe，Zn，Mn，Ga，Nb，V，碳化物，稀土元素，按比例置于1350℃熔炼30min，然后加入Mo，Si，Ti继续熔炼，形成钢水；
(2)将钢水注入钢锭模中，保温，脱模，冷却，退火；
(3)锻造；
(4)保持一定的升温速度升温，保温，冷却，退火，最后随炉冷却，出炉空冷；
(5)将步骤(4)得到的材料进行表面处理。
步骤(2)所述保温的时间为5.5h；
步骤(3)所述锻造的温度为950℃；
步骤(4)的升温速度为70℃/h，保温的温度为850℃，冷却的温度为550℃，随炉冷却的温度为520℃。
步骤(5)所述表面处理的具体实现方式：将步骤(4)得到的材料置于氨气氛围下3h，表面处理的温度为320℃，氨气的流量为0.8m3/h。
实施例3
本发明的实施例3提供了一种高强耐磨的热作模具钢，包括以下原料：Fe，Zn，Ti，Mn，Ga，Mo，Si，Nb，V，碳化物，稀土元素，所述原料所占的质量百分比含量为：Fe 8.2％，Zn5.7％，Mn 8.5％，Ga 2.1％，Mo2.1％，Si 1.8％，Nb 5.3％，V 5.4％，碳化物30％，稀土元素4.9％，余量为Ti。
所述碳化物为WC，Cr C的混合物。所述WC，Cr C的重量比为2.6：1。
所述稀土元素为Sc，Y，La的混合物。所述Sc，Y，La的重量比为1：0.4：0.7。
本实施例3提供了一种高强耐磨的热热作模具钢的制备工艺，其步骤包括：
(1)将Fe，Zn，Mn，Ga，Nb，V，碳化物，稀土元素，按比例置于1350℃熔炼30min，然后加入Mo，Si，Ti继续熔炼，形成钢水；
(2)将钢水注入钢锭模中，保温，脱模，冷却，退火；
(3)锻造；
(4)保持一定的升温速度升温，保温，冷却，退火，最后随炉冷却，出炉空冷；
(5)将步骤(4)得到的材料进行表面处理。
步骤(2)所述保温的时间为5.5h；
步骤(3)所述锻造的温度为950℃；
步骤(4)的升温速度为80℃/h，保温的温度为900℃，冷却的温度为600℃，随炉冷却的温度为500℃。
步骤(5)所述表面处理的具体实现方式：将步骤(4)得到的材料置于氨气氛围下4h，表面处理的温度为650℃，氨气的流量为1m3/h。
对比例1
对比例1的具体实施方式同实施例1；不同的是，对比例1中碳化物为WC。
对比例2
对比例2的具体实施方式同实施例1；不同的是，对比例2中所述稀土元素为Sc，Y；所述Sc，Y的重量比为1：0.4。
对比例3
对比例3的具体实施方式同实施例1；不同的是，对比例3中所述原料所占的质量百分比含量为：Fe 8.2％，Zn 5.7％，Mn 8.5％，Ga 2.1％，Mo 4％，Si 1.8％，Nb 5.3％，V5.4％，碳化物20％，稀土元素4.9％，余量为Ti。
性能测试：
(1)洛氏硬度：参照GB/T230.1-2009进行检测。将实施例1-3和对比例1-3制备的热作模具钢，加工10mm×10mm×55mm的夏氏U型缺口试样，经1050℃奥氏体化处理30min后油淬，回火3次，分别为560℃、540℃、520℃，每次回火2h，每次回火之间空冷至室温。
(2)冲击功：参照GB/T229-2007进行检测。
性能测试结果：
表1是实施例1～3和对比例1～3所制备热作模具钢的性能测试结果。
表1
洛氏硬度/HRC 冲击功/J
实施例1 58 230
实施例2 58 224
实施例3 57 222
对比例1 48 208
对比例2 46 210
对比例3 50 204

Claims (10)

1.一种高强耐磨的热作模具钢，其特征在于，包括以下原料：Fe，Zn，Ti，Mn，Ga，Mo，Si，Nb，V，碳化物，稀土元素。
2.根据权利要求1所述的高强耐磨的热作模具钢，其特征在于，按质量百分比计，原料包括：Fe 8～10％，Zn 5～7％，Mn 7～10％，Ga1～3％，Mo 1～3％，Si 1～2％，Nb 4～6％，V4～6％，碳化物27～31％，稀土元素4～6％，余量为Ti。
3.根据权利要求1所述的高强耐磨的热作模具钢，其特征在于，按质量百分比计，原料包括：Fe 8.2～9.4％，Zn 5.7～6.1％，Mn 7.9～8.5％，Ga 1.4～2.1％，Mo 2～2.2％，Si1.3～1.8％，Nb 4.9～5.5％，V 4.9～5.4％，碳化物28～30％，稀土元素4.9～5.3％，余量为Ti。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高强耐磨的热作模具钢，其特征在于，所述碳化物为WC，Cr C，VC的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的高强耐磨的热作模具钢，其特征在于，所述碳化物为WC，Cr C的混合物。
6.根据权利要求1-3任一项所述的高强耐磨的热作模具钢，其特征在于，所述稀土元素为La，Ce，Pr，Nd，Gd，Sc，Y的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的高强耐磨的热作模具钢，其特征在于，所述稀土元素为Sc，Y，La的混合物。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的高强耐磨的热作模具钢的制备工艺，其特征在于，步骤包括：
(1)将Fe，Zn，Mn，Ga，Nb，V，碳化物，稀土元素，按比例置于1300～1400℃熔炼20～40min，然后加入Mo，Si，Ti继续熔炼，形成钢水；
(2)将钢水注入钢锭模中，保温，脱模，冷却，退火；
(3)锻造；
(4)保持一定的升温速度升温，保温，冷却，退火，最后随炉冷却，出炉空冷；
(5)将步骤(4)得到的材料进行表面处理。
9.根据权利要求8所述的高强耐磨的热作模具钢的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述保温的时间为5～6h。
10.根据权利要求8所述的高强耐磨的热作模具钢的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述锻造的温度为900～1000℃。
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