CN116426824A - 一种热作模具钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种热作模具钢及其制备方法,包括以下重量份数的元素,0.35%≤C≤0.4%,0.43%≤Si≤0.52%,0.4%≤Mn≤0.55%,P≤0.015%,S≤0.002%,5.15%≤Cr≤5.6%,1.86%≤Mo≤2.1%,0.62%≤V≤0.78%,H≤1.5ppm,O≤20ppm,N≤110ppm。本申请制备的热作模具钢非金属夹杂物含量极低,具有高的抗热疲劳性能和高的热稳定性能,且使用寿命长,综合性能优异。
Description
技术领域
本申请涉及热作模具钢技术领域,尤其是涉及一种热作模具钢及其制备方法。
背景技术
热作模具钢是指制作对金属进行热变形加工的模具用的合金工具钢,使用工况恶劣,其模腔和高温金属接触时,局部温度可达600~700℃,同时,还承受强烈高温载荷、高温应变疲劳、冷热疲劳等作用。热作模具钢的高温强度不足会导致模具发生软化、变形、塌陷,而抗高温应变疲劳、冷热疲劳性能的不足则导致模具发生龟裂、剥落。因此,要求模具材料具有高的强度、硬度及热稳定性,特别是应有高热强性、热疲劳性、韧性和耐磨性。
现有国标4Cr5MoSiV1(美国牌号H13)模具钢,在550℃以下具有良好的强韧性配合和抗热疲劳性能,但超过600℃时强度与热稳定性急剧下降,700℃抗拉强度仅260~320MPa,高温强度的降低也导致其抗热疲劳性能的恶化,高温发生热裂倾向增大,难以满足热作模具钢高温服役工况且使用寿命短。
因此急需提供一种高温下强度高、热稳定性能优异且使用寿命长的热作模具钢。
发明内容
为了解决上述至少一种技术问题,开发一种高温下强度高、热稳定性能优异且使用寿命长的热作模具钢,本申请提供一种热作模具钢及其制备方法。
一方面,本申请提供的一种热作模具钢,包括以下重量份数的元素,0.35%≤C≤0.4%,0.43%≤Si≤0.52%,0.4%≤Mn≤0.55%,P≤0.015%,S≤0.002%,5.15%≤Cr≤5.6%,1.86%≤Mo≤2.1%,0.62%≤V≤0.78%,H≤1.5ppm,O≤20ppm,N≤110ppm,余量为Fe和杂质。
通过采用上述技术方案,本申请设计了特殊的元素成分及配比,制备的模具钢纯净度高,且能耐更高温度,高温下热稳定性能得到提高,使用寿命更高,综合性能更加优异。本申请设计Mn元素,使得热作模具钢淬透性得到提高,且Si元素的加入,不仅提高了淬透性,且提高了相变温度,使得热作模具钢在使用过程中,不因冷热环境的交替发生相变,进而导致体积发生变化,提高了热作模具钢的抗热疲劳能力,且Si和Mn元素的结合,可提高强度和冲击韧性;而Cr元素和Si元素共同作用下也使得热作模具钢的抗热疲劳能力得到进一步提高,且在高温下,抗氧化能力也得到增强,但随着Cr元素含量的增加,塑性和韧性会降低;Mo元素和V元素的加入,可细化晶粒,提高了热作模具钢的硬度,且在高温下硬度也保持在一定范围内,耐磨性能得到增强,使用寿命得到提高,但Mo和V元素含量的过量加入,会形成碳化物,使晶界脆化严重,会明显降低热作模具钢的塑性和韧性。
可选的,所述杂质的重量份数为,As+Sn+Sb+Pb+Bi≤0.040%,Ti≤0.005%,Cu≤0.08%。
通过采用上述技术方案,严格控制以上元素的含量,提高钢材纯净度和冲击性能,进而热作模具钢的使用寿命得到提高。
可选的,所述0.45%≤Si≤0.5%,0.46%≤Mn≤0.52%,1.9%≤Mo≤2.02%。
通过采用上述技术方案,本申请设计了更加优化的Si、Mn、Mo元素的含量,使得制备的热作模具钢能耐更高的温度,且在高温下,热稳定性能优异,冲击性能高,使用寿命更长。
可选的,所述热作模具钢的金相组织为球化状组织和带状组织;所述球化状组织为珠光体组织,所述带状组织为铁素体和碳化物。
通过采用上述技术方案,本申请制备的热作模具钢为球化状珠光体组织,带状组织为铁素体和碳化物,而碳化物均匀分布在铁素体基体上,提高了热作模具钢的冲击韧性和强度,使得热作模具钢的使用寿命得到提高。
可选的,所述热作模具钢的晶粒度为7.5-10级。
通过采用上述技术方案,本申请制备的热作模具钢的晶粒度热作模具钢的晶粒度为7.5-10级,晶粒越细,晶界面积越大,强度和硬度越高,同时,塑性变形也可以分散在更多的晶粒内进行,塑性和韧性也越好。
另一方面,本申请提供一种热作模具钢的制备方法,包括以下步骤:
S1:将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒;
S2:将电极棒表面的氧化皮去除,进行电渣重熔处理,控制熔化速度为7.5-10kg/min,制备电渣钢锭;
S3:将制备的电渣钢锭进行均质化处理,升温至1255-1280℃,保温16-22h,制备均质化电渣钢锭;
S4:将均质化电渣钢锭降温至1205-1240℃时进行锻造,始锻温度为1140-1175℃,终锻温度不低于850℃,制备锻件模块;
S5:将锻件模块进行退火处理,锻件模块温度不高于460℃进炉退火,以不大于100℃/h的升温速率升温至830-890℃,进行保温,再以20-40℃/h的降温速率降温至350-400℃,后空冷至室温;
S6:将退火后的模块升温至980-1145℃时,进行保温后进行分阶段降温,第一阶段:降温温度为680-750℃,保温时间为5-10h,第二阶段:降温温度为450-550℃,保温时间为4-6h,第三阶段降温温度为300-350℃,保温时间为5-10h,后空冷至室温,制备超细化模块;
S7:将超细化模块进行球化退火处理,球化退火处理包括升温阶段和降温阶段,升温阶段为:第一阶段先升温至610-630℃,保温4-6h后,第二阶段再升温至850-870℃,保温10-20h;后降温处理,降温阶段为:第一阶段先降温至730-750℃,保温12-25h,第二阶段随炉冷却至500℃及以下后,空冷至室温,得到热作模具钢。
通过采用上述技术方案,本申请设计了特殊的工艺并优化了工艺,采用此工艺制备的热作模具钢具有高的使用温度、高温强度和热稳定性能,且淬透性得到提高,成分分布均匀,综合性能更加优异。其中,设计了电渣重熔工艺,利用电流通过熔渣产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法,制备的铸锭纯度高,非金属夹杂物少,结晶均匀致密;采用超细化处理工艺,设计了特殊的升温降温曲线,制备热作模具钢晶粒十分细小且强度高;设计了特殊的球化退火工艺,使得制备的热作模具钢,组织均匀分布,塑性和韧性得到提高,进而冲击性能得到增强,使用寿命得到提高。
可选的,所述S2中电渣重熔装置的水冷系统水温不高于65℃,结晶器冷却水水温为42-48℃;所述S4中,将均质化电渣钢锭进行三镦三拔处理。
可选的,所述S5中保温时间为120min+r(mm)*2min/mm或120min+d(mm)/2*2min/mm,其中,r为锻件模块的半径,d为锻件模块的厚度。
可选的,所述S6中,升温后的保温时间为(18-35)min+r(mm)*2min/mm或(18-35)min+d(mm)/2*2min/mm,第一阶段降温速率为60-85℃/h,降温介质为水,第二阶段降温速率为50-75℃/h,降温介质为水,其中,r为锻件模块的半径,d为锻件模块的厚度;可选的,所述S7中第一阶段升温速率≤60℃/h,第二阶段升温速率≤60℃/h,第一阶段降温速率≤40℃/h。
通过采用上述技术方案,本申请设计了特殊的热处理工艺,限定升温和降温速率,使得制备的热作模具钢具有高的硬度、强度、高的使用温度及热稳定性能。
综上所述,本发明包括以下至少一种有益技术效果:
1.本申请设计特殊的热作模具钢的元素成分及配比,制备的热作模具钢非金属夹杂物含量极低,具有高的抗热疲劳性能和高的热稳定性能,且使用寿命长,综合性能优异;
2.本申请设计特殊的制备工艺,制备的热作模具钢,成分分布均匀,综合性能更加优异,其中,设计了电渣重熔工艺,制备的铸锭纯度高,非金属夹杂物少,结晶均匀致密;采用超细化处理工艺,设计了特殊的升温降温曲线,制备热作模具钢晶粒十分细小且强度高;设计了特殊的球化退火工艺,使得制备的热作模具钢,组织均匀分布,塑性和韧性得到提高,进而冲击性能得到增强,使用寿命得到提高;
3.本申请的制备工艺相比传统工艺,制备的热作模具钢淬透性能得到提高,可直接进行热处理工艺后,再进行形状开孔,生产成本显著降低。
附图说明
图1为实施例2的带状组织50倍显微组织示意图;
图2为实施例2的球化状组织500倍显微组织示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明。
本申请设计了本申请提供的一种热作模具钢,包括以下重量份数的元素,0.35%≤C≤0.4%,0.43%≤Si≤0.52%,0.4%≤Mn≤0.55%,P≤0.015%,S≤0.002%,5.15%≤Cr≤5.6%,1.86%≤Mo≤2.1%,0.62%≤V≤0.78%,H≤1.5ppm,O≤20ppm,N≤110ppm,余量为Fe。
本申请设计了一种热作模具钢的制备方法,包括以下步骤:
S1:将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒;
S2:将电极棒表面的氧化皮去除,进行电渣重熔处理,控制熔化速度为7.5-10kg/min,制备电渣钢锭;
S3:将制备的电渣钢锭进行均质化处理,升温至1255-1280℃,保温16-22h,制备均质化电渣钢锭;
S4:将均质化电渣钢锭降温至1205-1240℃时进行锻造,始锻温度为1140-1175℃,终锻温度不低于850℃,制备锻件模块;
S5:将锻件模块进行退火处理,锻件模块温度不高于460℃进炉退火,以不大于100℃/h的升温速率升温至830-890℃,进行保温,再以20-40℃/h的降温速率降温至350-400℃,后空冷至室温;
S6:将退火后的模块升温至980-1145℃时,进行保温后进行分阶段降温,第一阶段:降温温度为680-750℃,保温时间为5-10h,第二阶段:降温温度为450-550℃,保温时间为4-6h,第三阶段降温温度为300-350℃,保温时间为5-10h,后空冷至室温,制备超细化模块;
S7:将超细化模块进行球化退火处理,球化退火处理包括升温阶段和降温阶段,升温阶段为:第一阶段先升温至610-630℃,保温4-6h后,第二阶段再升温至850-870℃,保温10-20h;后降温处理,降温阶段为:第一阶段先降温至730-750℃,保温12-25h,第二阶段随炉冷却至500℃及以下后,空冷至室温,得到热作模具钢。
在上述技术方案中,可选的,所述0.45%≤Si≤0.5%,0.46%≤Mn≤0.52%,1.9%≤Mo≤2.02%。
目前,热作模具钢使用工况恶劣,其模腔和高温金属接触,局部温度可达600~700℃,且还承受强烈高温载荷、高温应变疲劳、冷热疲劳等作用。高温强度不足会导致模具发生软化、变形、塌陷,而抗高温应变疲劳、冷热疲劳性能的不足则导致模具发生龟裂、剥落。因此,要求模具材料具有高的强度、硬度及热稳定性,特别是应有高热强性、热疲劳性、韧性和耐磨性。
但现有国标4Cr5MoSiV1(美国牌号H13)模具钢,在550℃以下具有良好的强韧性配合和抗热疲劳性能,但超过600℃时强度与热稳定性急剧下降,700℃抗拉强度仅260~320MPa,高温强度的降低也导致其抗热疲劳性能的恶化,高温发生热裂倾向增大,难以满足热作模具钢高温服役工况且使用寿命短。
本申请发明人针对以上问题,设计了特定的元素成分及配比,使得制备的热作模具钢成分分布均匀,非金属夹杂物含量极低,具有极高的淬透性能,因而强度高,耐磨性能、热稳定性能优异。
本申请还设计了热作模具钢的制备工艺,设计了特定的工艺及对应的温度曲线,制备的热作模具钢具有高的使用温度、高温强度和热稳定性能,且淬透性得到提高,成分分布均匀,综合性能更加优异。其中,设计了电渣重熔工艺,利用电流通过熔渣产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法,制备的铸锭纯度高,非金属夹杂物少,结晶均匀致密;采用超细化处理工艺,设计了特殊的升温降温曲线,制备热作模具钢晶粒十分细小且强度高;设计了特殊的球化退火工艺,使得制备的热作模具钢,组织均匀分布,塑性和韧性得到提高,进而冲击性能得到增强,使用寿命得到提高。
具体实施例
检测项目及检测方法:
非金属夹杂物含量的测定:根据《GB/T10516-2005钢中的非金属夹杂物含量的测定方法》进行检测;
室温性能检测:根据《GB/T228.1-2021拉伸试验第1部分:室温试验方法》检测热作模具钢的延伸率(A)、断面收缩率(Z)、抗拉强度Rm、规定塑性延伸强度Rp;
硬度:依据《GB/T230.1金属材料.洛氏硬度试验第1部分:试验方法》来检测热作模具钢的硬度;
冲击试验:根据《GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》检测热作模具钢的冲击韧性;
高温强度测试:采用《GB/T4338-2006金属材料高温拉伸试验方法》检测热作模具钢在700℃温度下的抗拉强度和规定塑性延伸强度;
高温应变疲劳寿命测试:采用《GB/T15248-2002金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》
在MTS NEW810电子液压伺服疲劳试验机上进行疲劳寿命测试;
热稳定试验:检测热作模具钢在不同温度下保温4h后的洛氏硬度(HRC);
晶粒度:根据《GB/T金属平均晶粒度测定方法》检测热作模具钢的晶粒度;
金相显微镜:10XB-PC,上海光学仪器一厂;
4Cr5MoSiV1(H13):根据《GB/T1299-2014工模具钢》可得退火交货状态的钢材硬度≤229HBW,元素成分及配比为:C:0.35-0.42,Si:0.8-1.2,Mn:0.2-0.5,Cr:4.75-5.5,Mo:1.1-1.75,V:0.8-1.2;
实施例1-6
实施例1-6各元素组分配比见表1。
表1实施例1-6各元素组分配比
其中,As+Sn+Sb+Pb+Bi≤0.040%,Ti≤0.005%,Cu≤0.08%,余量为Fe。
实施例1
一种热作模具钢的制备方法,包括以下步骤:
S1:将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒;
S2:将电极棒表面的氧化皮去除,进行电渣重熔处理,控制熔化速度为7.5kg/min,电渣重熔装置的水冷系统水温为65℃,结晶器冷却水水温为42℃,制备电渣钢锭;
S3:将制备的电渣钢锭进行均质化处理,升温至1255-1260℃,保温16h,制备均质化电渣钢锭;
S4:将均质化电渣钢锭进行三镦三拔处理,降温至1205-1210℃时进行锻造,始锻温度为1140-1145℃,终锻温度为850℃,制备锻件模块,锻件模块半径50mm,长度120mm;
S5:将锻件模块进行退火处理,锻件模块温度为460℃进炉退火,以100℃/h的升温速率升温至830-835℃,进行保温220min,再以22℃/h的降温速率降温至350-355℃,后空冷至室温;S6:将退火后的模块升温至980-985℃时,保温118min后,进行分阶段降温,第一阶段:以60℃/h的降温速率,水冷降温至680-685℃,保温时间为6h,第二阶段:以75℃/h的降温速率,水冷降温至470-475℃,保温时间为4h,第三阶段降温温度为345-350℃,保温时间为5h,后空冷至室温,制备超细化模块;
S7:将超细化模块进行球化退火处理,球化退火处理包括升温阶段和降温阶段,升温阶段为:第一阶段以50℃/h的升温速率先升温至610-615℃,保温4h后,第二阶段以55℃/h的升温速率再升温至850-855℃,保温10h;后降温处理,降温阶段为:第一阶段以40℃/h的降温速率,先降温至730-735℃,保温12h,第二阶段随炉冷却,再降温至500℃后,空冷至室温,得到热作模具钢。
实施例2
一种热作模具钢的制备方法,包括以下步骤:
S1:将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒;
S2:将电极棒表面的氧化皮去除,进行电渣重熔处理,控制熔化速度为7kg/min,电渣重熔装置的水冷系统水温为50℃,结晶器冷却水水温为46℃,制备电渣钢锭;
S3:将制备的电渣钢锭进行均质化处理,升温至1260-1265℃,保温18h,制备均质化电渣钢锭;
S4:将均质化电渣钢锭进行三镦三拔处理,降温至1215-1220℃时进行锻造,始锻温度为1140-1145℃,终锻温度为950℃,制备锻件模块,锻件模块半径50mm,长度120mm;
S5:将锻件模块进行退火处理,锻件模块温度为400℃进炉退火,以80℃/h的升温速率升温至840-845℃,进行保温220min,再以40℃/h的降温速率降温至360-365℃,后空冷至室温;S6:将退火后的模块升温至1050-1055℃时,保温120min后,进行分阶段降温,第一阶段:以85℃/h的降温速率,水冷降温至690-695℃,保温时间为6h,第二阶段:以50℃/h的降温速率,水冷降温至450-455℃,保温时间为4h,第三阶段降温温度为330-335℃,保温时间为5h,后空冷至室温,制备超细化模块;
S7:将超细化模块进行球化退火处理,球化退火处理包括升温阶段和降温阶段,升温阶段为:第一阶段以60℃/h的升温速率先升温至610-615℃,保温6h后,第二阶段以60℃/h的升温速率再升温至855-860℃,保温10h;后降温处理,降温阶段为:第一阶段以40℃/h的降温速率,先降温至730-735℃,保温14h,第二阶段随炉冷却,再降温至450℃后,空冷至室温,得到热作模具钢。
实施例3
一种热作模具钢的制备方法,包括以下步骤:
S1:将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒;
S2:将电极棒表面的氧化皮去除,进行电渣重熔处理,控制熔化速度为9kg/min,电渣重熔装置的水冷系统水温为70℃,结晶器冷却水水温为44℃,制备电渣钢锭;
S3:将制备的电渣钢锭进行均质化处理,升温至1265-1270℃,保温20h,制备均质化电渣钢锭;
S4:将均质化电渣钢锭进行三镦三拔处理,降温至1235-1240℃时进行锻造,始锻温度为1150-1155℃,终锻温度为900℃,制备锻件模块,锻件模块半径50mm,长度120mm;
S5:将锻件模块进行退火处理,锻件模块温度为350℃进炉退火,以70℃/h的升温速率升温至860-865℃,进行保温220min,再以35℃/h的降温速率降温至370-375℃,后空冷至室温;S6:将退火后的模块升温至1090-1095℃时,保温135min后,进行分阶段降温,第一阶段:以65℃/h的降温速率,水冷降温至680-685℃,保温时间为5h,第二阶段:以55℃/h的降温速率,水冷降温至545-550℃,保温时间为6h,第三阶段降温温度为320-325℃,保温时间为10h,后空冷至室温,制备超细化模块;
S7:将超细化模块进行球化退火处理,球化退火处理包括升温阶段和降温阶段,升温阶段为:第一阶段以40℃/h的升温速率先升温至625-630℃,保温5h后,第二阶段以45℃/h的升温速率再升温至860-865℃,保温15h;后降温处理,降温阶段为:第一阶段以35℃/h的降温速率,先降温至740-745℃,保温20h,第二阶段随炉冷却,再降温至400℃后,空冷至室温,得到热作模具钢。
实施例4
一种热作模具钢的制备方法,包括以下步骤:
S1:将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒;
S2:将电极棒表面的氧化皮去除,进行电渣重熔处理,控制熔化速度为10kg/min,电渣重熔装置的水冷系统水温为40℃,结晶器冷却水水温为50℃,制备电渣钢锭;
S3:将制备的电渣钢锭进行均质化处理,升温至1275-1280℃,保温18h,制备均质化电渣钢锭;
S4:将均质化电渣钢锭进行三镦三拔处理,降温至1230-1235℃时进行锻造,始锻温度为1160-1165℃,终锻温度为900℃,制备锻件模块,锻件模块半径50mm,长度120mm;
S5:将锻件模块进行退火处理,锻件模块温度为250℃进炉退火,以60℃/h的升温速率升温至870-875℃,进行保温240min,再以30℃/h的降温速率降温至380-385℃,后空冷至室温;S6:将退火后的模块升温至1120-1125℃时,保温120min后,进行分阶段降温,第一阶段:以70℃/h的降温速率,水冷降温至745-750℃,保温时间为10h,第二阶段:以65℃/h的降温速率,水冷降温至490-495℃,保温时间为4.5h,第三阶段降温温度为330-335℃,保温时间为8h,后空冷至室温,制备超细化模块;
S7:将超细化模块进行球化退火处理,球化退火处理包括升温阶段和降温阶段,升温阶段为:第一阶段以30℃/h的升温速率先升温至615-620℃,保温6h后,第二阶段以35℃/h的升温速率再升温至865-870℃,保温20h;后降温处理,降温阶段为:第一阶段以25℃/h的降温速率,先降温至740-745℃,保温25h,第二阶段随炉冷却,再降温至300℃后,空冷至室温,得到热作模具钢。
实施例5
一种热作模具钢的制备方法,包括以下步骤:
S1:将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒;
S2:将电极棒表面的氧化皮去除,进行电渣重熔处理,控制熔化速度为12kg/min,电渣重熔装置的水冷系统水温为25℃,结晶器冷却水水温为48℃,制备电渣钢锭;
S3:将制备的电渣钢锭进行均质化处理,升温至1270-1275℃,保温22h,制备均质化电渣钢锭;
S4:将均质化电渣钢锭进行三镦三拔处理,降温至1210-1215℃时进行锻造,始锻温度为1170-1175℃,终锻温度为1000℃,制备锻件模块,锻件模块半径50mm,长度120mm;
S5:将锻件模块进行退火处理,锻件模块温度为250℃进炉退火,以50℃/h的升温速率升温至880-885℃,进行保温240min,再以25℃/h的降温速率降温至390-395℃,后空冷至室温;S6:将退火后的模块升温至1140-1145℃时,保温138min后,进行分阶段降温,第一阶段:以80℃/h的降温速率,水冷降温至690-695℃,保温时间为6h,第二阶段:以70℃/h的降温速率,水冷降温至450-455℃,保温时间为4h,第三阶段降温温度为320-325℃,保温时间为7h,后空冷至室温,制备超细化模块;
S7:将超细化模块进行球化退火处理,球化退火处理包括升温阶段和降温阶段,升温阶段为:第一阶段以40℃/h的升温速率先升温至615-620℃,保温6h后,第二阶段以25℃/h的升温速率再升温至860-865℃,保温20h;后降温处理,降温阶段为:第一阶段以22℃/h的降温速率,先降温至745-750℃,保温25h,第二阶段随炉冷却,再降温至250℃后,空冷至室温,得到热作模具钢。
实施例6
一种热作模具钢的制备方法,包括以下步骤:
S1:将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒;
S2:将电极棒表面的氧化皮去除,进行电渣重熔处理,控制熔化速度为11kg/min,电渣重熔装置的水冷系统水温为55℃,结晶器冷却水水温为40℃,制备电渣钢锭;
S3:将制备的电渣钢锭进行均质化处理,升温至1270-1275℃,保温18h,制备均质化电渣钢锭;
S4:将均质化电渣钢锭进行三镦三拔处理,降温至1225-1230℃时进行锻造,始锻温度为1155-1160℃,终锻温度为900℃,制备锻件模块,锻件模块半径50mm,长度120mm;
S5:将锻件模块进行退火处理,锻件模块温度为200℃进炉退火,以45℃/h的升温速率升温至885-890℃,进行保温240min,再以20℃/h的降温速率降温至395-400℃,后空冷至室温;S6:将退火后的模块升温至1090-1095℃时,保温155min后,进行分阶段降温,第一阶段:以75℃/h的降温速率,水冷降温至720-725℃,保温时间为5h,第二阶段:以65℃/h的降温速率,水冷降温至520-525℃,保温时间为4h,第三阶段降温温度为300-305℃,保温时间为7h,后空冷至室温,制备超细化模块;
S7:将超细化模块进行球化退火处理,球化退火处理包括升温阶段和降温阶段,升温阶段为:第一阶段以40℃/h的升温速率先升温至615-620℃,保温6h后,第二阶段以25℃/h的升温速率再升温至855-860℃,保温20h;后降温处理,降温阶段为:第一阶段以22℃/h的降温速率,先降温至745-750℃,保温25h,第二阶段随炉冷却,再降温至200℃后,空冷至室温,得到热作模具钢。
对比例1
以实施例1为基础,除Si元素的含量为0.4%,Mn元素的含量为0.35%外,其余组分及制备方法皆与实施例一致。
对比例2
以实施例1为基础,除Mn元素的含量为0.3%外,其余组分及制备方法皆与实施例1一致。
对比例3
以实施例1为基础,除V元素的含量为0.82%外,其余组分及制备方法皆与实施例1一致。
对比例4
将4Cr5MoSiV1(H13)进行热处理:790℃预热,在1000℃下加热,保温10min后空冷;再加热550℃回火。
将实施例1-6及对比例1-4制备的热作模具钢进行相关性能检测,检测结果见下表2-7。
表2非金属夹杂物含量
表3室温下性能测试
表4热作模具钢700℃下高温强度测试
表5不同温度下4h后热作模具钢的硬度(HRC)
温度/℃ | 620 | 650 | 680 | 700 | 720 |
实施例1 | 43 | 42 | 40 | 38 | 35 |
实施例2 | 45 | 44 | 42 | 39 | 38 |
实施例3 | 44 | 42 | 39 | 37 | 35 |
实施例4 | 42 | 40 | 37 | 35 | 34 |
实施例5 | 43 | 41 | 40 | 37 | 35 |
实施例6 | 45 | 44 | 42 | 39 | 37 |
对比例1 | 20 | 18 | 16 | 15 | 11 |
对比例2 | 24 | 21 | 18 | 16 | 13 |
对比例3 | 27 | 24 | 22 | 19 | 16 |
对比例4 | 40 | 38 | 35 | 30 | 27 |
表6高温应变疲劳寿命测试
表7热作模具钢的金相组织及晶粒度
由实施例1-6、对比例1-4及表2-7可知,本申请制备的热作模具钢室温下综合性能优异,高温下性能测试优异,热稳定性、抗热疲劳性能高,使用寿命长,可达51023模次,综合性能优异,远高于牌号H13的综合性能,适用范围更广;且经非金属夹杂物检测,洁净度满足要求,部分指标低于北美压铸协会标准,洁净度高。
本申请制备的热作模具钢的金相组织为球化状组织和带状组织,其中球化状组织为珠光体组织,为AS1-AS5级,而北美压铸协会标准中指标为AS1-AS9级,本申请是优于北美压铸协会标准的;其中带状组织为铁素体和碳化物,带状组织指标为SB1-SB4;晶粒度为7.5-10级,晶粒细,强度和硬度高,同时塑性和韧性好,综合性能优异,使用寿命长。
其中图1为实施例2的带状组织50倍显微组织示意图,图2为实施例2的球化状组织500倍显微组织示意图。
由对比例1、实施例1及表2-7可知,Si和Mn元素含量均低于取值范围时,制备的热作模具钢晶粒粗大,室温下强度低,冲击韧性低,高温性能测试差,使用寿命极低。
由对比例2、实施例1及表2-7可知,Mn元素含量低于取值范围时,制备的热作模具钢,晶粒粗大,相较于对比例1强度略高,使用寿命略长,但仍远低于本申请实施例1-6制备的热作模具钢的强度和使用寿命。
由对比例3、实施例1及表2-7可知,V元素含量高于取值范围值时,强度和使用寿命均显著下降,申请人推测是V元素含量过高,形成了连续的网状碳化物,割裂基体,使得晶界严重脆化,导致韧性和抗热疲劳性能严重降低,严重影响了热作模具钢的使用。
由对比例4、实施例1及表2-7可知,对比例5-H13制备的热作模具钢的性能指标,综合性能远低于本申请对应的工艺制备的热作模具钢。
实施例7-12
以实施例2为基础,除Si元素含量不同外,其余组分及制备方法均与实施例2一致,具体含量见表8。
表8实施例7-12Si元素含量
配比 | 实施例7 | 实施例8 | 实施例9 | 实施例10 | 实施例11 | 实施例12 |
Si/% | 0.45 | 0.46 | 0.47 | 0.48 | 0.49 | 0.5 |
实施例13-18
以实施例10为基础,除Mn元素含量不同外,其余组分及制备方法均与实施例10一致,具体含量见表9。
表9实施例13-18Mn元素含量
配比 | 实施例13 | 实施例14 | 实施例15 | 实施例16 | 实施例17 | 实施例18 |
Mn/% | 0.46 | 0.47 | 0.48 | 0.49 | 0.5 | 0.52 |
实施例19-24
以实施例15为基础,除Mo元素含量不同外,其余组分及制备方法均与实施例15一致,具体含量见表10。
表10实施例19-24Mo元素含量
配比 | 实施例19 | 实施例20 | 实施例21 | 实施例22 | 实施例23 | 实施例24 |
Mo/% | 1.9 | 1.92 | 1.94 | 1.96 | 1.98 | 2.02 |
将实施例7-24制备的热作模具钢进行高温强度、热稳定和高温应变疲劳寿命测试,测试结果见表11-13
表11实施例7-24热作模具钢700℃下高温强度测试
表12实施例7-24不同温度下4h后热作模具钢的硬度(HRC)
表13实施例7-24高温应变疲劳寿命测试
由实施例7-12及表11-13可知,随着Si元素含量的增加,虽强度逐渐增大,但韧性显著降低,综合性能随着Si元素含量的增加现增加后降低,最大使用寿命可达51023模次。
由实施例13-18及表11-13可知,随着Mn元素含量的增加,硬度逐渐增大,但抗拉强度、规定塑性延伸强度和使用寿命均先增大后降低,最大使用寿命可达53647模次。
由实施例19-24及表11-13可知,随着Mo元素含量的增加,硬度、抗拉强度、规定塑性延伸强度和使用寿命均先增大后降低,最大使用寿命可达54326模次。
以上均为本申请的较佳实施例,并非依此限制本申请的保护范围,故:凡依本申请的原理所做的等效变化,均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种热作模具钢,其特征在于,包括以下重量份数的元素,0.35%≤C≤0.4%,0.43%≤Si≤0.52%,0.4%≤Mn≤0.55%,P≤0.015%,S≤0.002%,5.15%≤Cr≤5.6%,1.86%≤Mo≤2.1%,0.62%≤V≤0.78%,H≤1.5ppm,O≤20ppm,N≤110ppm,余量为Fe和杂质。
2.根据权利要求1所述的一种热作模具钢,其特征在于,所述杂质的重量份数为,As+Sn+Sb+Pb+Bi≤0.040% ,Ti≤0.005% ,Cu≤0.08%。
3.根据权利要求1所述的一种热作模具钢,其特征在于,所述0.45%≤Si≤0.5%,0.46%≤Mn≤0.52%,1.9%≤Mo≤2.02%。
4.根据权利要求1所述的一种热作模具钢,其特征在于,所述热作模具钢的金相组织为球化状组织和带状组织;所述球化状组织为珠光体组织,所述带状组织为铁素体和碳化物。
5.根据权利要求1所述的一种热作模具钢,其特征在于,所述热作模具钢的晶粒度为7.5-10级。
6.一种权利要求1所述的一种热作模具钢的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒;
S2:将电极棒表面的氧化皮去除,进行电渣重熔处理,控制熔化速度为7.5-10kg/min,制备电渣钢锭;
S3:将制备的电渣钢锭进行均质化处理,升温至1255-1280℃,保温16-22h,制备均质化电渣钢锭;
S4:将均质化电渣钢锭降温至1205-1240℃时进行锻造,始锻温度为1140-1175℃,终锻温度不低于850℃,制备锻件模块;
S5:将锻件模块进行退火处理,锻件模块温度不高于460℃进炉退火,以不大于100℃/h的升温速率升温至830-890℃,进行保温,再以20-40℃/h的降温速率降温至350-400℃,后空冷至室温;
S6:将退火后的模块升温至980-1145℃时,进行保温后进行分阶段降温,第一阶段:降温温度为680-750℃,保温时间为5-10h,第二阶段:降温温度为450-550℃,保温时间为4-6h,第三阶段降温温度为300-350℃,保温时间为5-10h,后空冷至室温,制备超细化模块;
S7:将超细化模块进行球化退火处理,球化退火处理包括升温阶段和降温阶段,升温阶段为:第一阶段先升温至610-630℃,保温4-6h后,第二阶段再升温至850-870℃,保温10-20h;后降温处理,降温阶段为:第一阶段先降温至730-750℃,保温12-25h,第二阶段随炉冷却至500℃及以下后,空冷至室温,得到热作模具钢。
7.一种权利要求6所述的一种热作模具钢的制备方法,其特征在于,所述S2中电渣重熔装置的水冷系统水温不高于65℃,结晶器冷却水水温为42-48℃;所述S4中,将均质化电渣钢锭进行三镦三拔处理。
8.一种权利要求6所述的一种热作模具钢的制备方法,其特征在于,
所述S5的保温时间为120min+ r(mm)*2min/mm或120min+d(mm)/2*2min/mm,其中,r为锻件模块的半径,d为锻件模块的厚度。
9.一种权利要求6所述的一种热作模具钢的制备方法,其特征在于,所述S6中,升温后的保温时间为(18-35)min+r(mm)*2min/mm或(18-35)min+d(mm)/2*2min/mm,第一阶段降温速率为60-85℃/h,降温介质为水,第二阶段降温速率为50-75℃/h,降温介质为水,其中,r为锻件模块的半径,d为锻件模块的厚度。
10.一种权利要求6所述的一种热作模具钢的制备方法,其特征在于,所述S7中第一阶段升温速率≤60℃/h,第二阶段升温速率≤60℃/h,第一阶段降温速率≤40℃/h。
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