CN115896634A

CN115896634A - 一种耐高温有色金属压铸成型模具钢材料及其制备方法

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Publication number: CN115896634A
Application number: CN202211632872.0A
Authority: CN
Inventors: 杨凡; 程爱萍; 张笑宁; 冯光学; 张炎臣
Original assignee: Hubei Zhilian Mould Technology Co ltd
Current assignee: Hubei Zhilian Mould Technology Co ltd
Priority date: 2022-12-19
Filing date: 2022-12-19
Publication date: 2023-04-04
Anticipated expiration: 2042-12-19
Also published as: CN115896634B

Abstract

本发明涉及一种耐高温有色金属压铸成型模具钢材料及其制备方法，所述模具钢材料是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.32～0.42%，Si：0.60～0.90%，Mn：0.50～0.80%，P：≤0.015%，S：≤0.010%，Cr：4.20～5.50%，Mo：2.20～2.50%，V：0.60～1.00%，Co：0.30～0.60%，Nb：0.08～0.15%，[N]≤120ppm，[H]≤1ppm，[O]≤25ppm，余量为Fe及其他不可避免元素；本发明模具钢材料的制备方法，包括：EBT冶炼—LF精炼—VD真空脱气—ESR电渣重溶冶炼工艺和钢锭退火—锻造—钢材退火—超细化热处理；本发明的模具钢材料，硬度HRC48～52，非金属夹杂物≤0.5‑1级，横向V型缺口冲击功≥20KV₂/J，超声探伤检测，钢材直径、边长或厚度80‑250mm全部E/e级，＞250‑650mm全部E/d级；按北美标准，带状组织可达SA1～SA2或SB1～SB2级，退火组织可达AS1～AS4级。

Description

一种耐高温有色金属压铸成型模具钢材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及模具钢材料技术领域，特别是一种耐高温有色金属压铸成型模具钢材料及其制备方法。

背景技术

压铸模具主要是用于铝合金、铜合金、锌合金、镁合金等有色金属的产品成型模具。工作时，熔融状态的高温金属液体进入模具型腔，对模具型腔表面产生激烈冲击和冲刷，造成型腔表面的机械冲蚀。同时，高温使压铸模具硬度下降，导致型腔软化，产生塑性变形和早期磨损。这种周期性且频繁的高压重力、冷热疲劳、冲刷腐蚀，严重降低模具的使用寿命。由于这类模具制造费用高，制造周期长，使用寿命短，过早失效等问题，不但增加产品的成本，而且严重影响着产品的质量和生产的正常进行。

因此，除了做好模具的热处理外，对压铸模具材料质量提出了更高的要求。压铸模具材料除应有高的强度、红硬性、耐磨性和韧性外，还应具有良好的高温强度、反复受热冷却不产生裂纹的冷热疲劳稳定性、良好的导热性和承受液态金属侵蚀的性能。此外。还要求模具具有较高的淬透性，以保证整个模具具有一致的力学性能。

目前国内常用压铸模具材料有国产牌号4Cr5MoSiV1、3Cr2W8V、4Cr5Mo2V等，以及仿国外标准的H13、SKD61、8407、1.2344等,同时还进口8418、Dievar等瑞典及日本高端品种模具钢。在国产材料不能满足现实需要和进口材料成本过高的情况下,研发一种新的压铸模具材料，提高材料的耐冷热疲劳、抗冲击腐蚀、高强韧性，成为业内需要解决的的关键问题之一。同时，研发新材料，助力我国从模具制造大国向模具制造强国迈进作出贡献。

发明内容

本发明的目的就是针对目前国产的压铸模具钢材料存在耐冷热疲劳强度低，抗氧化性能差，制作的压铸成型模具存在使用寿命短，生产的产品表面光洁度低，而国外进口材料成本太高等问题，提供一种耐高温有色金属产品压铸成型模具钢材料及其制备方法。

本发明的一种耐高温有色金属压铸成型模具钢材料，所述模具钢材料是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.32～0.42%，Si：0.60～0.90%，Mn：0.50～0.80%，P：≤0.015%，S：≤0.010%，Cr：4.20～5.50%，Mo：2.20～2.50%，V：0.60～1.00%，Co：0.30～0.60%，Nb：0.08～0.15%，[N]≤120ppm，[H]≤1ppm，[O]≤25ppm，余量为Fe及其他不可避免元素。

优选地，本发明的一种耐高温有色金属压铸成型模具钢材料，所述模具钢材料是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.36%，Si：0.80%，Mn：0.70%，P：≤0.015%，S：≤0.010%，Cr：5.00%，Mo：2.30%，V：0.80%，Co：0.50%，Nb：0.10%，[N]≤120ppm，[H]≤1ppm，[O]≤25ppm，余量为Fe及其他不可避免元素。

所述模具钢材料的非金属夹杂物≤0.5-1级；10mm*10mmV型缺口试样，横向冲击功≥20KV₂/J；按照GB/T6402-2008进行超声探伤检测，钢材直径、边长或厚度80-250mm全部E/e级，＞250-650mm全部E/d级；按北美标准，SA1～SA2或SB1～SB2级，退火组织可达AS1～AS4级；硬度HRC48～52。

本发明的一种耐高温有色金属压铸成型模具钢材料的制备方法，包括下述步骤：

（1）配料：采用50%的新铁料，20%的返回铁屑料，30%的返回铁块料，返回料中不得有油污、杂质、锈迹，从源头上控制P、S及五害元素进入钢水，合金烘烤备用；

（2）EBT冶炼：将配好的铁料加入电弧炉进行冶炼，炉料熔清前加入活性钙，调整并保持渣液流动性良好，能自动流渣，重点控制好脱碳，脱碳量≥0.35%，脱碳时间20～30min,充分利用脱碳沸腾的作用，排除钢中气体和非金属夹杂,避免产生白点、发纹、疏松、皮下气泡等冶金缺陷；EBT冶炼终点取样分析，控制出钢温度为1650～1680℃；所用活性钙中CaO含量≥90%，为本地优质碳酸钙烧制而成的块状产品,吸潮而成粉状的CaO禁用；

（3）LF精炼：设置精炼温度为1580～1620℃，造渣剂以活性钙为主，碱度控制在2.5～3.0；重点控制好脱氧，钢液中含氧量高则氧化物多，这是钢中形成夹杂物的根源，因此，应保持白渣时间大于30分钟；化学成分的调整在白渣下进行；适当加大氩气流量加强搅拌，依靠温度、搅拌强度、精炼时间使合金元素均匀，同时加快脱硫反映，降低钢中S含量；吊包转真空前10分钟，保持温度不低于1660℃；

（4）VD真空脱气：化学成分及温度达到控制标准后，进入VD炉真空脱气处理。脱气时控制真空度≤67Pa，在此压力下保持时间≥20分钟，保持吹氩强度以钢渣面翻滚而不溢出为准，更好地去气、去夹杂及均匀成分，脱气至钢液中[N]≤120ppm，[H]≤1ppm，[O]≤25ppm，温度达到1560℃时吊包浇注；

（5）浇铸自耗电极：模注下注法，浇注系统清洁干燥，避免外来夹杂物和气体带入钢中；控制好浇注温度和浇注速度，控制钢液面在模内平稳、匀速上升；保护渣用量2kg/t,严禁钢液面翻滚裸露；钢液过帽口线均匀减速，帽口补缩良好；

（6）准备自耗电极：自耗电极不得有横向裂纹，防止重熔过程裂断造成事故；纵向裂纹不得大于电极坯长度的2/3，裂纹内不得有铁销、渣、砂等其它异物；充分清理自耗电极表面的粘砂、飞边及帽口处的钢渣，防止电渣重熔过程中掉入熔池形成外来夹杂；

（7）ESR电渣重熔：电渣重熔时，采用70%CaF、30%Al₂O₃二元渣系，渣量为锭重的4～5%；充填比为0.4～0.5，电极棒大头朝下，即浇注时最后结晶时的低熔点及夹杂物富集区由后端变为前端，改变电极棒小头朝下的传统工艺，减少或消除电渣锭偏析；

（8）电渣钢锭退火：电渣钢锭料温降至300℃以下装入退火炉，以80～100℃/h的升温速度升温至450℃，保温均热3～5小时，仍以80～100℃/h的升温速度升温至860～880℃，根据电渣钢锭大小，保温时间12～20小时；保温结束后以30～40℃/h的降温速度降温至450℃以下出炉，空冷；

（9）锻造成材：以80～100℃/h的升温速率升温至1140～1160℃，均热保温≥3小时，保证烧透；开锻温度为1100℃～1120℃，锻造比3.5～4.5；重点是950℃～1050℃时加大变形量，破碎粗大铸态晶粒；终锻温度为820℃～860℃，锻造过程采用三墩三拔的十字交叉锻造工艺，控制拔长比/镦粗比≤2，锻后埋砂缓冷≥48小时；

（10）钢材退火：装炉温度高低不限，以80～100℃/h的升温速率升温至860～880℃,保温10～12小时，而后随炉降温至350℃以下出炉，空冷；

（11）超细化热处理

A.固溶处理：常温装炉，以80～100℃/h的升温速率升温至800～850℃，保温2～3小时，然后升温至1050～1080℃，保温时间从传统的2～3小时延长至5～6小时，出炉油冷或水冷，当钢材表面温度降温至200～280℃时出油或水；空冷至≤100℃回炉；

B.球化退火：装炉温度≤100℃，升温速度80～100℃/h升温至860～880℃，保温时间从传统的3～4小时延长至6～8小时，降温速度40～50℃/h的速度降温至720～750℃，保温时间从传统的2～3小时延长至5～6h，随炉冷至500℃以下出炉空冷，工艺完毕；

（12）精整包装：探伤锯切、精整修磨、齐头做字、包装入库。

本发明的化学成分设计原理分析如下：

碳：碳是工模具钢中最重要的元素之一。本发明钢中，碳与V、Nb、Mo、Cr等合金元素形成碳化物，提高了钢的强度，增加钢的耐磨性、红硬性，提高了钢的淬透性，使钢获得马氏体组织。但随着碳含量的增加，钢的热加工性能变差，塑性和冲击韧性降低，碳化物偏析加重。因此，工模具钢的含碳量遵循平衡碳原则，故本发明中C的含量范围设定为0.32～0.42%，较适宜含量为0.36%。

硅：硅在钢中起脱氧和合金化作用。作为必不可少的合金元素，其含量一般不低于0.20%。Si能改善钢的耐磨性能，与Mo、V、Cr、Al等配合，提高高温时钢的抗腐蚀和抗氧化能力。但Si降低钢的可焊性，易使钢中形成带状组织，使钢的横向性能低于纵向性能，过高易使钢的表面脱碳增加。特别是当生成的脱氧产物来不及排除而残留在钢中时，就成为夹杂物而影响钢的性能。故本发明Si含量设定为0.60%～0.90%，较适宜含量为0.80%。

锰：Mn亦为钢中必不可少的合金元素。锰能提高钢的强度，增加钢的淬硬性，细化珠光体组织以改善其机械性能。锰与硫作用能生成高熔点MnS，降低了硫对钢的危害，防止钢的热脆。Mn过高了，又会促进奥氏体晶粒长大，以及使钢的线胀系数增加，便会降低钢的韧性和冷热疲劳性。故本发明选定Mn含量为0.50%～0.80%，较适宜含量为0.70%。

磷：随着钢中P含量的增加，钢的塑性和韧性降低，即钢的脆性增加，特别是低温时更为严重。这是由于浇铸时先结晶的钢中含磷很低，最后凝固的钢液富集大量的低熔点物质，形成Fe₂P脆性夹层。磷含量高时还会使钢的焊接性能变坏，冷弯性能变差。本发明视磷为有害元素，需在钢中加以限制，故限定磷必须≤0.015%。

硫：硫在钢中以[FeS]的形式存在，钢中含锰高时还会有一定的[MnS]生成，与磷一样，钢液在凝固过程中，由于选分结晶的结果，硫在未凝固的钢液中逐渐浓聚，最后析集凝固在原生晶界上，形成连续或不连续的网状组织，破坏了金属的完整性。FeS以及与铁形成共晶时其熔点很低，使钢产生热脆现象，这种带状偏析组织使钢或模具产品机械性能不均匀，严重影响产品的质量和使用效果。故本发明对硫的含量限定为≤0.010%。

铬：铬是本发明新材料中最重要合金元素之一。在工模具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性。铬是碳化物形成元素，随铬含量的增加可形成Cr₃C、Cr₇C₃、Cr₂₃C₆等碳化物，增加钢的淬透性并有二次硬化作用。故本发明选定铬含量为4.2%～5.5%，较为适宜含量为5.0%。

钼：钼在钢中可固溶于铁素体、奥氏体和碳化物中，同时也提高碳化物的稳定性，从而提高钢的强度，钼对改善钢的延展性、韧性及耐磨性起到有利作用。当钼含量较低时与铁碳形成复合渗碳体，含量较高时可形成钼的特殊碳化物。钼对钢的软化温度以及再结晶温度提高，并极大提高铁素体的蠕变抗力，因而成为提高钢热强性的最有效的合金元素。本发明选定钼含量为2.20%～2.50%，较适宜含量为2.30%。

钒：钒是强碳化物形成元素，与碳化物结合力极强，形成稳定的VC，是典型的高熔点、高硬度、高弥散度碳化物，从而提高钢的耐磨性和抗氢腐蚀能力。由于细化了晶粒，使低温回火后的抗弯强度明显提高。钒还能减轻磷在钢中引起的冷脆和严重恶化的焊接性能。为使淬火后获得细晶马氏体，加入钒是最有效的元素。故选定钒含量为0.60%～1.00%，较适宜含量为0.80%。

铌：铌在钢中有两个方面的作用，一是在热加工过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒长大。二是与碳、氮化合物的形成，起到沉淀强化作用。Nb在钢中具有超强的晶粒细化强化效果。Nb在钢中可形成NbC和NbN，既能提高钢的强度又能改善钢的韧性。但Nb超过0.20%时，就会使其它的合金碳化物减少，反而不耐磨。此外它的价格很贵，因而不宜多用。本发明选定Nb含量为0.08%～0.15%，较适宜含量为0.10%。

钴：钴是提高热作工模具钢红硬性、热强性和切削性能最有效的合金元素。钴还能提高固溶体晶格中金属原子的结合力，从而增加了钢在受热时抗软化的能力，提高了钢的红硬性。钴与碳不形成碳化物，因此，钢中加入钴合金后不影响碳化物的不均匀度。钴的价格很贵，不宜多用，本发明选定Co含量为0.30%～0.60%，较适宜含量为0.50%。

本发明的耐高温有色金属产品压铸成型模具钢材料，发明创新点如下：

1.通过调整和优化合金元素以及元素的相互配合，提高了模具的红硬性、高温稳定性和耐磨性。本发明是在传统H13的基础上，适当降低Si含量，增加Mo含量，添加Nb、Co元素，控制P、S等有害元素。Nb具有超强细化晶粒的效果，既能提高钢的强度又能改善钢的韧性。在我国92个模具钢牌号中，仅见冷作模具钢一个钢号和特殊用途的模具钢含有化学成分Nb，热作模具钢，国内外均未见含Nb模具钢号。Co在高速工具钢和硬质合金中多有报道，模具钢仅见个别含Co模具钢号报道。Co是非碳化物形成元素，包括B、N、Ni、Cu、Al等，这些元素都位于元素周期表中铁元素的右边，他们不与碳元素形成化合物，但可以固溶于铁中形成固溶体，提高固溶体晶格中金属原子的结合力，从而增加了钢在受热时抗软化的能力，即提高了钢的红硬性。因为钴与碳不形成碳化物，所以钢中加入钴元素后不影响碳化物的不均匀度。而同时含有Nb、Co元素的模具钢号尚属首次，这也是本发明钢种具有良好理化性能的根本原因之一。

2.通过锻造工艺的改变，消除或改善共晶碳化物不均匀度（偏析）及碳化物颗粒。钢锭在结晶过程中析出的亚稳定相共晶碳化物，其硬度高，塑性差，对冲击韧性影响极大，易造成后续模具的热处理开裂，使用过程中爆模等。锻造过程中，采用“两轻一重”工艺，即开锻高温时和终锻低温时轻锻小变形量，在950-1050℃温度区间加大变形量，破碎铸态粗大的树枝状晶，压合电渣过程中产生的中心疏松，获得细小均匀的等轴晶组织。同时，“三镦三拔”过程中，控制拔长比/镦粗比≤2，避免单方向锻造比太大而加重带状偏析，减轻各向异性。控制终锻温度820～850℃，防止锻后高温状态下晶粒继续长大，即防止粗晶。

3.通过超细化热处理工艺的改进，进一步细化晶粒，共晶碳化物以细小球状均匀分布，提高钢材的理化性能。加热过程中，在800～850℃等温停留2～3h，再升温至1050～1080℃，保温保温时间从传统的2～3h延长至5～6h，使二次碳化物充分溶解并转变成单项奥氏体。保温结束后，放入油（或水）中，冷却至200～280℃出油（或水），空冷至≤100℃时回炉球化退火：加热温度为860～880℃，保温时间从传统的3～4h延长至6～8h，比一般超细化热处理保温时间长2～3h。随后降温至高温球化温度720～750℃，保温时间从传统的2～3h延长至5～6h，对马氏体进行充分的高温回火，让钢中碳化物同时弥散析出，形成均匀细小的球状碳化物。

本发明新材料通过调整控制化学成分，优化冶炼和锻造工艺以及锻后热处理，实现了三个目标：第一，增加了我国压铸模具钢品种。查国家标准GB/T34565.1-2017,我国压铸模具钢仅五个牌号,本发明牌号可称为4Cr5SiMoVCo，授权后将增加我国含钴压铸模具钢新品种。第二，理化性能有了较大提高。本发明生产制得的模具钢，其中非金属夹杂物≤0.5-1级；10mm*10mmV型缺口试样，横向冲击功≥20KV₂/J；按照GB/T6402-2008进行超声探伤检测，钢材直径、边长或厚度80～250mm全部E/e级，＞250～650mm全部E/d级；按北美标准NADCA207#-2008，带状组织可达SA1～SA2或SB1～SB2级，退火组织可达AS1～AS4级，硬度HRC48～52。第三，模具的使用寿命和安全性大幅提高。在宁波多家铝合金压铸成型生产中，证实其高温疲劳强度、冷热疲劳强度等性能的持久性均优于国内现有模具钢材料，与国内某知名钢厂生产的同类产品产品相比，使用寿命延长，提高劳动生产率1.5倍，可与瑞典一胜百8418、Dievar等进口材料相媲美。

具体实施方式

为了更好地解释本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，下述实施例仅仅是示例性的说明本发明的技术方案，并不以任何形式限制本发明。

下表1为本发明各实施例模具钢材料的化学成分质量百分比含量列表（wt%）；

下表2为本发明各实施例模具钢材料的主要工艺参数的取值列表；

下表3为本发明各实施例生产的模具钢材料的主要性能测试结果列表。

本发明各实施例的一种耐高温有色金属压铸成型模具钢材料的制备方法，包括下述步骤：

（11）超细化热处理

表1 本发明各实施例模具钢材料的化学成分质量百分比含量列表（wt%）

表2 本发明各实施例模具钢材料的主要工艺参数的取值列表

表3 本发明各实施例生产的模具钢材料的主要性能测试结果列表

Claims

1.一种耐高温有色金属压铸成型模具钢材料，其特征在于所述模具钢材料是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.32～0.42%，Si：0.60～0.90%，Mn：0.50～0.80%，P：≤0.015%，S：≤0.010%，Cr：4.20～5.50%，Mo：2.20～2.50%，V：0.60～1.00%，Co：0.30～0.60%，Nb：0.08～0.15%，[N]≤120ppm，[H]≤1ppm，[O]≤25ppm，余量为Fe及其他不可避免元素。

2.根据权利要求1所述的一种耐高温有色金属压铸成型模具钢材料，其特征在于所述模具钢材料是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.36%，Si：0.80%，Mn：0.70%，P：≤0.015%，S：≤0.010%，Cr：5.00%，Mo：2.30%，V：0.80%，Co：0.50%，Nb：0.10%，[N]≤120ppm，[H]≤1ppm，[O]≤25ppm，余量为Fe及其他不可避免元素。

3.根据权利要求1所述的一种耐高温有色金属压铸成型模具钢材料，其特征在于：所述模具钢材料的非金属夹杂物≤0.5-1级；10mm*10mmV型缺口试样，横向冲击功≥20KV₂/J；按照GB/T6402-2008进行超声探伤检测，钢材直径、边长或厚度80-250mm全部E/e级，＞250-650mm全部E/d级；按北美标准，SA1～SA2或SB1～SB2级，退火组织可达AS1～AS4级；硬度HRC48～52。

4.如权利要求1或2所述的一种耐高温有色金属压铸成型模具钢材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

（4）VD真空脱气：化学成分及温度达到控制标准后，进入VD炉真空脱气处理，脱气时控制真空度≤67Pa，在此压力下保持时间≥20分钟，保持吹氩强度以钢渣面翻滚而不溢出为准，更好地去气、去夹杂及均匀成分，脱气至钢液中[N]≤120ppm，[H]≤1ppm，[O]≤25ppm，温度达到1560℃时吊包浇注；

（11）超细化热处理