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

一种热作模具钢及其制备方法
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
Figure BDA0004167714320000061
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
Figure BDA0004167714320000111
表3室温下性能测试
Figure BDA0004167714320000112
Figure BDA0004167714320000121
表4热作模具钢700℃下高温强度测试
Figure BDA0004167714320000122
/>
Figure BDA0004167714320000131
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
Figure BDA0004167714320000132
表7热作模具钢的金相组织及晶粒度
Figure BDA0004167714320000133
/>
Figure BDA0004167714320000141
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
Figure BDA0004167714320000151
/>
Figure BDA0004167714320000161
表12实施例7-24不同温度下4h后热作模具钢的硬度(HRC)
Figure BDA0004167714320000162
Figure BDA0004167714320000171
表13实施例7-24高温应变疲劳寿命测试
Figure BDA0004167714320000172
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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