CN116970863A - 高导热率热作模具钢及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料技术领域，具体提供一种高导热率热作模具钢及其制备方法与应用。该高导热率热作模具钢含有C0.23％～0.35％、Si0.05％～0.15％、Mn0.55％～0.85％、Cr0.01％～0.05％、Mo1.5％～2.5％、V≤0.0005％、Ce0.02％～0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明通过调整材料化学元素成分配比，降低Cr、Si与V元素含量，增加Mo元素含量，获得具有高导热率和冲击韧性的热作模具钢。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体提供一种高导热率热作模具钢及其制备方法与应用。
背景技术
随着塑性成型行业的不断发展，与精密制造需求的提高，需要提高零件的成型加工效率，并在此基础上提高加工精度，模具在零件加工成型过程中尤为重要，提高模具性能，改善模具使用寿命是模具行业的重要发展方向。热作模具用于金属热成型过程，模具同高温金属接触，局部温度可达500～700℃，同时经受反复热循环与高应力冲击，应力集中处易出现磨损与疲劳开裂现象。针对国产热作模具存在的导热率不足和抗热疲劳性能较低等问题，需要发展具有高导热率的热作模具钢，提高其抗热疲劳性，延长热作模具的使用寿命。
目前我国常用的热作模具材料为Cr-Mo-V系钢，如H13钢，该类热作模具钢具有较好的淬透性，表现出良好的综合力学性能，但不适用于更为复杂恶劣的工作环境。热导率反映了材料的热传导能力，在高温环境中低热导率模具钢的温度分布不均匀，局部温度过高将降低模具钢的耐热性。因此，热导率是热作模具钢的重要物理性能之一。工作温度提高，工作时间增加，对模具的使用寿命与零件加工精度等提出更高的要求，提高模具材料热导率可以提高模具在工作过程中的温度传导效率，利于温度在模具不同位置均匀分布，如减小模具表面及心部温度梯度，避免局部温度过高，改善模具热疲劳性能。
研究表明，Fe-Cr合金中Cr含量在0～20％范围内，随着Cr含量的降低，合金热导率增加；并且Cr、V等强碳化物的形成元素会降低钢的热导率。所以，更低的Cr、V元素含量有利于提高模具钢的热导率。
上海大学团队研究了Mo-W系热作模具钢SDCM-S钢，相较于Cr-Mo-V系H13钢，SDCM-S钢具有较低的Si、Mn、Cr元素含量(0.04％Si、0.10％Mn、0.12％Cr)以及较高的Mo元素含量(4.5～5.0％Mo)，且含有W元素(1.5～2.0％)。Fuchs开发出Thyrotherm2999钢，该钢的Cr元素含量为3.0％，Si元素含量为0.3％，V元素含量为1.0％，Mo元素含量为5.0％。西班牙Rovalma公司开发了高热导率热冲压模具钢HTCS130钢，Cr含量0.08％，Si含量0.17％，V含量0.02％，Mo含量较高(3.1％)，且含有1.95％的W。中国机械科学研究总院开发了热冲压模具钢HSM钢，Si元素含量0.15％，Cr元素含量0.17％，V元素含量0.05％，且含有2.99％的Mo元素。这些模具钢虽然在一定程度上改善了热导率，然而，其Cr和V元素含量仍然较高，同时冲击韧性有待提高。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种高导热率热作模具钢。
本发明的第二目的在于提供上述高导热率热作模具钢的制备方法。
本发明的第三目的在于提供上述高导热率热作模具钢的应用。
本发明的第四目的在于提供一种含有高导热率热作模具钢钢制品。
为了实现上述目的，本发明特采用如下技术方案：
一种高导热率热作模具钢，按质量百分数计，该高导热率热作模具钢含有C0.23％～0.35％、Si0.05％～0.15％、Mn0.55％～0.85％、Cr0.01％～0.05％、Mo1.5％～2.5％、V≤0.0005％、Ce0.02％～0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，还包含选自由以下元素所组成的组中的至少一种元素：Ni0.02％～0.06％、Cu0.03％～0.07％、Al0.01％～0.03％、N0.002％～0.005％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Ti≤0.003％、Nb≤0.003％、O≤0.02％。
进一步地，该高导热率热作模具钢含有C0.29％、Si0.084％、Mn0.69％、Cr0.026％、Mo1.94％、V≤0.0005％和Ce0.023％。
进一步地，该高导热率热作模具钢含有C0.32％、Si0.074％、Mn0.75％、Cr0.037％、Mo2.12％、V≤0.0005％和Ce0.026％。
上述高导热率热作模具钢的制备方法，包括以下工艺步骤：
S1.冶炼：将原料按照设计成分进行配料，采用感应炉和电弧炉进行熔炼，出钢时控制O≤0.02％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Si≤0.15％。
S2.电渣重熔：钢液在保护气氛下浇铸得到母电极，并进行去应力退火，在保护气氛下对母电极进行电渣重熔精炼处理，得到电渣锭，进行740℃～780℃退火，保温6～12h，保温结束缓冷至400℃停止加热。
S3.高温均质化：将电渣重熔加退火后的钢锭在1220～1280℃之间进行保温，保温时间15～20h，改善钢锭中元素分布均匀性。
S4.锻造：将高温均质化处理后的钢锭经快锻机进行锻造，始锻温度1150℃～1180℃，终锻温度860℃～900℃，锻造比>4。
S5.超细化处理：钢锭经1010℃～1030℃保温4～8h，然后出炉水冷，表面温度350～450℃时装炉进行退火。
S6：球化退火处理：退火温度为840～880℃，保温时间20～30h，保温结束后缓冷至400℃后停止加热，出炉空冷。
上述高导热率热作模具钢在压铸、热锻或热冲压中的应用。
一种钢制品，包含上述高导热率热作模具钢。
与现有技术相比，本发明的技术效果为：
第一，高导热率热作模具钢可以提高模具的热传递效率，对于大尺寸模具及具有复杂形状模具，在热处理过程中有助于改善温度分布均匀性，控制模具尺寸变形，避免出现模具开裂现象。
第二，高导热率热作模具钢可以有效应对模具长时间服役过程中的反复冷热循环，提高模具心部与表面间的热量扩散效率，减小冷却过程中心部与表面间温度梯度，减小由温差产生的热应力，从而控制模具表面裂纹的萌生，提高模具使用寿命。
第三，高导热率热作模具钢可以提高产品成型过程中的表面温度均匀性，有助于提高产品表面精度。
第四，在模具钢中添加一定量的稀土元素，降低钢中非金属夹杂含量，提高模具产品的使用性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中不同温度下FC-10-1钢的热导率统计图；
图2是本发明实施例2中不同温度下FC-10-2钢的热导率统计图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
热导率：热导率又称导热系数，反映了物质的热传导能力。合金材料热导率计算公式为：λ＝αρCp。
其中λ为热导率，单位为W/m·K，α为热扩散系数，单位为m2/s，ρ为合金材料的密度，单位为Kg/m3，Cp为定压比热容，单位为J/Kg·K。钢的热导率与材料成分、组织、杂质和缺陷有关，热导率与晶粒尺寸呈正相关。
本发明提供的高导热率热作模具钢，按质量百分数计，含有C0.23％～0.35％、Si0.05％～0.15％、Mn0.55％～0.85％、Cr0.01％～0.05％、Mo1.5％～2.5％、V≤0.0005％、Ce0.02％～0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。
碳(C)是最重要的硬化元素，有助于增加钢材的强度和硬度，但会降低其塑性和韧性。
硅(Si)提高模具钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合力学性能，特别是弹性极限有利，但会较大程度降低其导热率。
锰(Mn)在模具钢中熔于铁素体和渗碳体，使钢的强度、硬度提高。此外由于Mn和S的亲和力大于铁与硫的亲和力，那么可以夺走部分有害物质硫，形成高熔点的MnS(高于1600度)，从而减轻S对钢的有害作用。
铬(Cr)增加模具钢、冲子料的硬度、强度，最重要的是耐腐蚀性，但会影响模具钢的导热率。
钼(Mo)可以提高模具钢的淬透性，含量约0.5％时能降低或抑制其他合金元素导致的回火脆性。在较高回火温度下，形成弥散分布的特殊碳化物，有二次硬化作用，提高模具钢的热强性和蠕变强度。
钒(V)增强抗磨损能力和延展性，提高工具钢的使用寿命，但会影响模具钢的导热率。
稀土元素可以和氧、硫、氮、碳等元素生成高熔点稀土化合物，在模具钢中引入一定量的稀土元素，将钢中夹杂物的硫和氧元素置换出来形成稀土化合物，以起到降低硫、氧含量的作用。
本发明通过调整材料化学元素成分配比，降低Cr、Si与V元素含量，增加Mo元素含量，获得具有高导热率的热作模具钢，具有更强的热传递效率，同时引入稀土元素Ce来降低钢中夹杂物含量，硫氧元素控制水平较好，提高模具钢的纯净度，冲击韧性比较高，可适用于更复杂的加工环境(压铸、热锻和热冲压等)，符合目前热作模具钢的发展需求，也适用于高精度零件的塑性成型过程。
该高导热率热作模具钢在150℃下热导率达44.2W/m·K，在400℃下热导率达36.2W/m·K，在650℃下热导率达32.3W/m·K，与H13钢相比具有较高的热导率。
需要说明的是，按质量百分数计，C的含量可以但不限于为0.23％、0.25％、0.27％、0.29％、0.31％、0.33％或0.35％；Si的含量可以但不限于为0.05％、0.07％、0.09％、0.11％、0.13％或0.15％；Mn的含量可以但不限于为0.55％、0.6％、0.65％、0.7％、0.75％或0.85％；Cr的含量可以但不限于为0.01％、0.02％、0.03％、0.04％或0.05％；Mo的含量可以但不限于为1.5％、1.7％、1.9％、2.1％、2.3％或2.5％；Ce的含量可以但不限于为0.02％、0.021％、0.022％、0.023％、0.024％、0.025％、0.026％、0.027％、0.028％、0.029％或0.03％。
在优选的实施方式中，高导热率热作模具钢还包含选自由以下元素所组成的组中的至少一种元素：Ni0.02％～0.06％、Cu0.03％～0.07％、Al0.01％～0.03％、N0.002％～0.005％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Ti≤0.003％、Nb≤0.003％、O≤0.02％。
镍(Ni)具有固溶强化及提高淬透性的作用。细化铁元素体晶粒，在强度相同的条件下，提高钢的塑性和韧性，特别是低温韧性。与铬、钼等联合使用，提高钢的热强性和耐蚀性。
铜(Cu)能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆。
铝(Al)是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。
氮(N)能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。
磷(P)在通常情况下，磷元素是模具钢材中的有害元素，磷(P)元素能够增加模具钢的冷脆性，使模具钢焊接性能变坏；降低模具钢的塑性，使模具钢的冷弯性能变坏。
硫(S)在一般情况下也是有害元素。硫(S)元素使模具钢产生热脆性，降低模具钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫(S)元素对模具钢的焊接性能也不利，降低其耐腐蚀性。
钛(Ti)是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。
铌(Nb)能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。
需要说明的是，按质量百分数计，Ni的含量可以但不限于为0.02％、0.03％、0.04％、0.05％或0.06％；Cu的含量可以但不限于为0.03％、0.04％、0.05％、0.06％或0.07％；Al的含量可以但不限于为0.01％、0.02％或0.03％；N的含量可以但不限于为0.002％、0.003％、0.004％或0.005％。
在更优选的实施方式中，高导热率热作模具钢含有C0.29％、Si0.084％、Mn0.69％、Cr0.026％、Mo1.94％、V≤0.0005％、Ce0.023％、Ni0.02％～0.06％、Cu0.03％～0.07％、Al0.01％～0.03％、N0.002％～0.005％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Ti≤0.003％、Nb≤0.003％和O≤0.02％。
在更优选的实施方式中，高导热率热作模具钢含有C0.32％、Si0.074％、Mn0.75％、Cr0.037％、Mo2.12％、V≤0.0005％、Ce0.026％、Ni0.02％～0.06％、Cu0.03％～0.07％、Al0.01％～0.03％、N0.002％～0.005％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Ti≤0.003％、Nb≤0.003％和O≤0.02％。
本发明的高导热率热作模具钢可通过如下方法制备：
S1.冶炼：将原料按照设计成分进行配料，采用感应炉和电弧炉进行熔炼，出钢时控制O≤0.02％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Si≤0.15％。
S2.电渣重熔：钢液在保护气氛下浇铸得到母电极，并进行去应力退火，在保护气氛下对母电极进行电渣重熔精炼处理，得到电渣锭，进行740℃～780℃退火，保温6～12h，保温结束缓冷至400℃停止加热。
S3.高温均质化：将电渣重熔加退火后的钢锭在1220～1280℃之间进行保温，保温时间15～20h，改善钢锭中元素分布均匀性。
S4.锻造：将高温均质化处理后的钢锭经快锻机进行锻造，始锻温度1150℃～1180℃，终锻温度860℃～900℃，锻造比>4。
S5.超细化处理：钢锭经1010℃～1030℃保温4～8h，然后出炉水冷，表面温度350～450℃时装炉进行退火。
S6：球化退火处理：退火温度为840～880℃，保温时间20～30h，保温结束后缓冷至400℃后停止加热，出炉空冷。
该高导热率热作模具钢可用于压铸、热锻或热冲压等更复杂的加工环境中。
本发明提供由该高导热率热作模具钢制备得到的钢制品。
下面通过实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明，实施例中的材料为根据现有方法制备而得，或直接从市场上购得。
实施例1
一种高导热率热作模具钢的化学成分配比如表1(其中，Ni0.02％～0.06％、Cu0.03％～0.07％、Al0.01％～0.03％、N0.002％～0.005％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Ti≤0.003％、Nb≤0.003％、O≤0.02％，余量为Fe和其他不可避免的杂质，这些元素对热导率的影响较小)。利用如下制备工艺得到FC-10-1高导热率模具钢：
S1.冶炼：将废钢、铬铁和钼铁等原料按照设计成分进行配料，采用感应炉和电弧炉进行熔炼，出钢时控制O≤0.02％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Si≤0.15％；
S2.电渣重熔：钢液在保护气氛下浇铸得到母电极，并进行去应力退火，在保护气氛下对母电极进行电渣重熔精炼处理，得到电渣锭，进行780℃退火，保温8h，保温结束缓冷至400℃停止加热；
S3.高温均质化：将电渣重熔加退火后的钢锭在1260℃进行保温，保温时间16h，改善钢锭中元素分布均匀性；
S4.锻造：将高温均质化处理后的钢锭经快锻机进行锻造，始锻温度1170℃，终锻温度880℃，锻造比>4；
S5.超细化处理：钢锭经1010℃保温8h，然后出炉水冷，表面温度约400℃时装炉进行退火；
S6：球化退火处理：退火温度为860℃，保温时间24h，保温结束后缓冷至400℃后停止加热，出炉空冷。
表1FC-10-1钢主要化学成分表(wt％)
| 钢号 | C | Si | Mn | Cr | Mo | V | Ce |
| FC-10-2 | 0.29 | 0.084 | 0.69 | 0.026 | 1.94 | <0.0005 | 0.023 |
| H13 | 0.38 | 0.95 | 0.39 | 5.01 | 1.40 | 1.02 | 无 |
该钢与H13钢相比具有较低的Si、Cr、V元素含量，Si含量0.084％，Cr含量0.026％，V含量<0.0005％，并提高Mo元素含量至1.94％，添加稀土元素Ce0.023％。
对FC-10-1钢进行热导率检测，测试结果如图1和表2所示，并与国产H13钢热导率进行对比，在200℃时FC-10钢的热导率为40.7W/m·K，约为H13钢的1.6倍，在600℃时FC-10钢的热导率为31.7W/m·K，约为H13钢的1.6倍。回火态FC-10-1钢的洛氏硬度为40.7HRC，无缺口试样冲击吸收功为384J，冲击韧性较高。
表2FC-10-1钢的热导率(W/m·K)
| 温度(℃) | 200 | 400 | 600 | 750 |
| 热导率(W/m·K) | 40.7 | 36.2 | 31.7 | 27.3 |
实施例2
一种高导热率热作模具钢的化学成分配比如表3(其中，Ni0.02％～0.06％、Cu0.03％～0.07％、Al0.01％～0.03％、N0.002％～0.005％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Ti≤0.003％、Nb≤0.003％、O≤0.02％，余量为Fe和其他不可避免的杂质，这些元素对热导率的影响较小)。利用如下制备工艺得到FC-10-2高导热率模具钢，：
S1.冶炼：将废钢、铬铁和钼铁等原料按照设计成分进行配料，采用感应炉和电弧炉进行熔炼，出钢时控制O≤0.02％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Si≤0.15％；
S2.电渣重熔：钢液在保护气氛下浇铸得到母电极，并进行去应力退火，在保护气氛下对母电极进行电渣重熔精炼处理，得到电渣锭，进行760℃退火，保温12h，保温结束缓冷至400℃停止加热；
S3.高温均质化：将电渣重熔加退火后的钢锭在1240℃进行保温，保温时间18h，改善钢锭中元素分布均匀性；
S4.锻造：将高温均质化处理后的钢锭经快锻机进行锻造，始锻温度1160℃，终锻温度890℃，锻造比>4；
S5.超细化处理：钢锭经1020℃保温6h，然后出炉水冷，表面温度约400℃时装炉进行退火；
S6：球化退火处理：退火温度为870℃，保温时间20h，保温结束后缓冷至400℃后停止加热，出炉空冷。
表3FC-10-2钢主要化学成分表(wt％)
| 钢号 | C | Si | Mn | Cr | Mo | V | Ce |
| FC-10-2 | 0.32 | 0.074 | 0.75 | 0.037 | 2.12 | <0.0005 | 0.026 |
| H13 | 0.38 | 0.95 | 0.39 | 5.01 | 1.40 | 1.02 | 无 |
该钢与H13钢相比具有较低的Si、Cr、V元素含量，Si含量0.074％，Cr含量0.037％，V含量<0.0005％，并提高Mo元素含量至2.12％，添加稀土元素Ce0.026％。
FC-10-2的热导率测试结果如图2和表4所示，在200℃时FC-10-2钢的热导率为37.2W/m·K，约为H13钢的1.4倍，在600℃时FC-10-2钢的热导率为31.4W/m·K，约为H13钢的1.6倍。回火态FC-10-2钢的洛氏硬度为40.3HRC，无缺口试样冲击吸收功为374J，冲击韧性较高。
表4FC-10-2钢的热导率(W/m·K)
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明的技术构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本发明的保护范畴。
Claims (7)
1.一种高导热率热作模具钢，其特征在于，按质量百分数计，所述高导热率热作模具钢含有C0.23％～0.35％、Si0.05％～0.15％、Mn0.55％～0.85％、Cr0.01％～0.05％、Mo1.5％～2.5％、V≤0.0005％、Ce0.02％～0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高导热率热作模具钢，其特征在于，还包含选自由以下元素所组成的组中的至少一种元素：Ni0.02％～0.06％、Cu0.03％～0.07％、Al0.01％～0.03％、N0.002％～0.005％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Ti≤0.003％、Nb≤0.003％、O≤0.02％。
3.根据权利要求1或2所述的高导热率热作模具钢，其特征在于，所述高导热率热作模具钢含有C0.29％、Si0.084％、Mn0.69％、Cr0.026％、Mo1.94％、V≤0.0005％和Ce0.023％。
4.根据权利要求1或2所述的高导热率热作模具钢，其特征在于，所述高导热率热作模具钢含有C0.32％、Si0.074％、Mn0.75％、Cr0.037％、Mo2.12％、V≤0.0005％和Ce0.026％。
5.权利要求1～4任一项所述的高导热率热作模具钢的制备方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：
S1.冶炼：将原料按照设计成分进行配料，采用感应炉和电弧炉进行熔炼，出钢时控制O≤0.02％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Si≤0.15％；
S2.电渣重熔：钢液在保护气氛下浇铸得到母电极，并进行去应力退火，在保护气氛下对母电极进行电渣重熔精炼处理，得到电渣锭，进行740℃～780℃退火，保温6～12h，保温结束缓冷至400℃停止加热；
S3.高温均质化：将电渣重熔加退火后的钢锭在1220～1280℃之间进行保温，保温时间15～20h，改善钢锭中元素分布均匀性；
S4.锻造：将高温均质化处理后的钢锭经快锻机进行锻造，始锻温度1150℃～1180℃，终锻温度860℃～900℃，锻造比>4；
S5.超细化处理：钢锭经1010℃～1030℃保温4～8h，然后出炉水冷，表面温度350～450℃时装炉进行退火；
S6：球化退火处理：退火温度为840～880℃，保温时间20～30h，保温结束后缓冷至400℃后停止加热，出炉空冷。
6.权利要求1～4任一项所述的高导热率热作模具钢在压铸、热锻或热冲压中的应用。
7.一种钢制品，其特征在于，包含权利要求1～4任一项所述的高导热率热作模具钢。
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