CN118345303A - 一种超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料成分设计与热加工领域，具体为一种超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢及其制备方法。模具钢化学成分及所占质量百分比包括：C 0.20wt.％～0.30wt.％、Si 1.45wt.％～1.60wt.％、Mn 2.00wt.％～2.30wt.％、Cr 1.35wt.％～1.50wt.％、Mo 0.50wt.％～0.55wt.％、Ni 0.45wt.％～0.55wt.％、V 0.10wt.％～0.15wt.％、P≤0.01wt.％、S≤0.01wt.％，余量为Fe。本发明基于中温锻造或中温轧制过程，通过中温大变形工艺获得片层状超细晶组织与纳米析出相的思想，通过制得铸态坯料，加热保温后进行“三镦三拔”锻造、正火及后续中温大变形锻造或轧制处理，开发出高强度及超高抗冲击韧性的高品质模具钢，具有显著的社会及经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料成分设计与热加工领域，具体为一种超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢及其制备方法。
背景技术
模具材料服役环境苛刻，且随着目前冲压和冷挤压向高效、高速、高精度和自动化方向发展以及被加工材质强度的不断提高，对模具的强度、韧性及模具寿命等综合性能指标提出了较高的要求。高韧性合金材料在实际服役过程中可减缓模具表面的开裂、变形等失效问题而被广泛应用，在模具钢市场上具有较大前景。
现阶段，鉴于经济和环境原因，迫切需要高韧性、高使用寿命的模具材料。高强韧模具钢主要通过合金设计及优化热处理方式以提高材料强韧性，研究工作主要集中在热加工后的调制处理和析出相调控阶段，包括改进型淬火处理、改进型碳化物演变处理等。但如何在最优热处理制度基础之上进一步提升性能以满足模具钢更苛刻服役环境及更高服役寿命需求，已成为国内外研究的方向之一，而合理的热加工过程与最大化调配合金配比关系已成为进一步提高材料强韧性的重要途径。在工业生产中，模具钢高的强度与韧性匹配关系很大程度上决定了其可服役工况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢及其制备方法，以提高低合金化材料的高强韧性匹配。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢，模具钢化学成分及所占质量百分比包括：C 0.20wt.％～0.30wt.％、Si 1.45wt.％～1.60wt.％、Mn 2.00wt.％～2.30wt.％、Cr1.35wt.％～1.50wt.％、Mo 0.50wt.％～0.55wt.％、Ni 0.45wt.％～0.55wt.％、V0.10wt.％～0.15wt.％、P≤0.01wt.％、S≤0.01wt.％，余量为Fe。
所述的超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢的制备方法，包括冶炼、锻造、热处理及中温大变形锻造或轧制工序，具体步骤如下：
(1)冶炼：在真空感应熔炼过程中进行真空脱气处理，保证钢水的纯净度，并满足模具钢的化学成分要求，浇注模具钢钢锭；
(2)锻造：将符合成分要求的模具钢钢锭进行“三镦三拔”锻造处理，锻造温度控制在900～1150℃；
(3)正火：钢锭锻造后采用正火处理，加热温度选取900±20℃，经保温1～4h后空冷，进行组织正火超细化处理；
(4)中温大变形：将正火超细化处理后的模具钢进行中温锻造或轧制处理，截面的锻轧变形量应大于80％，锻轧的温度控制在600～850℃，获得片层状超细晶组织，轧后应立即以1～2℃/s冷速冷至室温，获得纳米析出相。
所述的超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢的制备方法，步骤(3)中，正火超细化处理后的亚结构尺寸为2～10μm。
所述的超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢的制备方法，步骤(4)中，片层状超细晶组织的片层厚度为0.5～5μm。
所述的超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢的制备方法，步骤(4)中，纳米析出相为Fe3C相和Mo-V系碳化物，析出相尺寸为0.2～1μm。
所述的超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢的制备方法，模具钢的标准拉伸试样尺寸参照国标GB/T228-2002，模具钢的标准冲击试样尺寸参照国标GB/T229-2020。
本发明的设计思想是：
材料热加工过程中的大变形锻轧工艺能显著细化晶粒，产生细晶强化作用，可提高材料的强度。此外，经大变形锻造或轧制工艺后的组织呈片层排布，片层状超细组织可有效抑制裂纹萌生与扩展，提高材料的抗冲击、抗开裂性能。
本发明在大变形中温锻造或中温轧制的基础上，通过纳米尺寸强化相提高材料强度。本发明基于优化的合金成分设计，按成分配比制得铸态坯料，加热保温后进行“三镦三拔”锻造、正火及后续中温大变形锻造或轧制处理工序，并通过适当的冷却方式，获得超细片层间的纳米级析出相，该类析出相可以提高材料强度的同时不会损失材料的韧性。通过大变形中温锻轧工艺综合提高材料的强韧性能，开发出超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明基于中温锻造或中温轧制过程，通过中温大变形工艺获得片层状超细晶组织与纳米析出相的思想，使低合金材料通过片层状超细晶组织与纳米析出相联合强化的方式，同时提高材料强度与韧性。与高合金的模具钢中固溶与析出强化起主导地位的强韧性材料相比，降低了生产成本、节约了合金资源。本发明契合目前模具钢发展趋势，有着十分深远的应用前景。
2、本发明通过中温大变形锻轧工艺代替传统调制热处理工艺，材料在高度强韧性匹配同时减少了生产工艺流程，实现相对高效、低成本、低合金化和综合机械性能匹配合理的高端模具钢，具有显著的社会及经济效益。
3、本发明开发出高强度及超高抗冲击韧性的高品质模具钢，其性能指标如下：屈服强度882～1157MPa，抗拉强度1613～1796MPa，V口冲击功79～260J。
附图说明
图1为实施例1、实施例2低合金高强韧模具钢经正火处理获得的超细化组织。
图2为实施例1低合金高强韧模具钢经中温大变形获得的片层状超细晶组织。
图3为实施例2低合金高强韧模具钢经中温大变形获得的片层状超细晶组织。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明提出的一种超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢及其制备方法，通过合金成分设计与中温大变形锻轧工艺，得到片层状细晶组织，通过组织特性、细晶强化与少量纳米级析出相强化作用以提高模具钢的强度及冲击韧性。
低合金高强韧模具钢对合金成分中的C、Cr、Si、V进行了优化的设计，优化后的合金成分作用如下：
(1)控制C、Cr元素在低含量水平，避免材料中生成粗大碳化物导致韧性降低；
(2)通过Si元素抑制奥氏体稳定性，避免在中温大变形过程中发生奥氏体长大；
(3)通过V元素进行微合金化，实现晶粒细化和析出强化的双重作用。
上述超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：真空感应熔炼→真空脱气处理，保证钢水的纯净度，并满足模具钢的化学成分要求，浇注模具钢钢锭；
(2)锻造：将符合成分要求的模具钢钢锭进行“三镦三拔”锻造处理，锻造温度控制在900～1150℃；
(3)正火：钢锭锻造后采用正火处理，加热温度选取900±20℃，经保温1～4h后空冷，进行组织正火超细化处理；
(4)中温大变形：将正火超细化处理后的模具钢进行中温锻造或轧制处理，截面的锻轧变形量应大于80％，锻轧的温度控制在600～850℃，获得片层状超细晶组织，锻轧后应立即以1～2℃/s冷速冷至室温，获得纳米析出相。
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1
本实施例中，确定一种超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢及其制备方法，其中：按质量百分比计，模具钢由以下组分及含量组成：C 0.21wt.％，Si 1.59wt.％，Mn2.24wt.％，Cr 1.43wt.％，Mo 0.50wt.％，Ni 0.53wt.％，V 0.10wt.％，P 0.002wt.％，S0.002wt.％，其余为Fe元素，合计总量为100wt.％。
按照上述化学成分质量配比进行配料，利用50kg真空感应熔炼炉冶炼成钢锭。随后将所得钢锭以100℃/h的升温速率加热至1150℃并透烧完全后始锻，终锻温度900℃，最终尺寸为75mm×75mm×1000mm。将需要热处理的钢材以100℃/h的升温速率加热至900℃，保温2h并空冷至室温，进行组织超细化处理，步骤(3)中，正火超细化处理后的亚结构尺寸为2～10μm；随后以100℃/h的升温速率加热至850℃并烧透完全后开始轧制，终轧温度为750℃，终轧厚度为15mm，获得片层状超细晶组织，轧制后立即以1℃/s冷速风冷至室温，获得纳米析出相；其中，片层状超细晶组织的片层厚度为0.5～3μm；纳米析出相为Fe3C相和Mo-V系碳化物，析出相尺寸为0.2～1μm。
将轧制后的试样分别精加工成标准拉伸试样及标准V型缺口冲击试样，在室温下检测其强度值及冲击韧性值(见表1)。
表1本实施例1成分模具钢的性能结果
实施例2
本实施例中，确定一种超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢及其制备方法，其中：按质量百分比计，模具钢由以下组分及含量组成：C 0.21wt.％，Si 1.59wt.％，Mn2.24wt.％，Cr 1.43wt.％，Mo 0.50wt.％，Ni 0.53wt.％，V 0.10wt.％，P 0.002wt.％，S0.002wt.％，其余为Fe元素，合计总量为100wt.％。
按照上述化学成分质量配比进行配料，利用50kg真空感应熔炼炉冶炼成钢锭。随后将所得钢锭以100℃/h的升温速率加热至1150℃并透烧完全后始锻，终锻温度900℃，最终尺寸为75mm×75mm×1000mm。将需要热处理的钢材以100℃/h的升温速率加热至900℃，保温2h并空冷至室温，进行组织超细化处理，正火超细化处理后的亚结构尺寸为2～10μm；随后以100℃/h的升温速率加热至850℃并烧透完全后开始轧制，终轧温度为750℃，终轧厚度为15mm，获得片层状超细晶组织，轧制后立即以1℃/s冷速风冷至室温，获得纳米析出相；其中，片层状超细晶组织的片层厚度为1～5μm；纳米析出相为Fe3C相和Mo-V系碳化物，析出相尺寸为0.2～1μm。
将锻后的试样分别精加工成标准拉伸试样及标准V型缺口冲击试样，在室温下检测其强度值及冲击韧性值(见表2)。
表2本实施例2成分模具钢的性能结果
如图1所示，由实施例1、实施例2低合金高强韧模具钢经正火处理的金相组织可以看出，正火处理为获得的超细化前驱体组织，且细化组织中无明显碳化物析出相，适用于后续大变形锻轧处理。
如图2所示，由实施例1低合金高强韧模具钢经中温大变形获得金相组织可以看出，轧制大变形工艺获得超细晶片层状组织，片层组织结构可以有效抑制裂纹，对沿层状方向的韧性有极大提升。
如图3所示，由实施例2低合金高强韧模具钢经中温大变形获得金相组织可以看出，锻造大变形工艺获得超细晶组织，组织结构细小且无明显各向异性，对各个方向的塑韧性均有极大提升。
实施例结果表明，本发明确定的一种超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢，通过上述中温锻造或轧制方式，能够低合金成分基础上得到高强度与高冲击韧性匹配性能。而高的冲击功往往会得到更好的抗开裂、抗失效性能，从而提高模具材料的使用寿命，综合提高了模具钢的社会及经济效益。采用中温大变形锻轧处理工艺制备的低合金钢高强韧模具钢可用于高强服役环境的模具上。
Claims (6)
1.一种超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢，其特征在于，模具钢化学成分及所占质量百分比包括：C 0.20wt.％～0.30wt.％、Si 1.45wt.％～1.60wt.％、Mn 2.00wt.％～2.30wt.％、Cr 1.35wt.％～1.50wt.％、Mo 0.50wt.％～0.55wt.％、Ni 0.45wt.％～0.55wt.％、V 0.10wt.％～0.15wt.％、P≤0.01wt.％、S≤0.01wt.％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢的制备方法，其特征在于，包括冶炼、锻造、热处理及中温大变形锻造或轧制工序，具体步骤如下：
(1)冶炼：在真空感应熔炼过程中进行真空脱气处理，保证钢水的纯净度，并满足模具钢的化学成分要求，浇注模具钢钢锭；
(2)锻造：将符合成分要求的模具钢钢锭进行“三镦三拔”锻造处理，锻造温度控制在900～1150℃；
(3)正火：钢锭锻造后采用正火处理，加热温度选取900±20℃，经保温1～4h后空冷，进行组织正火超细化处理；
(4)中温大变形：将正火超细化处理后的模具钢进行中温锻造或轧制处理，截面的锻轧变形量应大于80％，锻轧的温度控制在600～850℃，获得片层状超细晶组织，轧后应立即以1～2℃/s冷速冷至室温，获得纳米析出相。
3.根据权利要求1所述的超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，正火超细化处理后的亚结构尺寸为2～10μm。
4.根据权利要求1所述的超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，片层状超细晶组织的片层厚度为0.5～5μm。
5.根据权利要求1所述的超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，纳米析出相为Fe3C相和Mo-V系碳化物，析出相尺寸为0.2～1μm。
6.根据权利要求1所述的超高冲击韧性的低合金高强韧模具钢的制备方法，其特征在于，模具钢的标准拉伸试样尺寸参照国标GB/T228-2002，模具钢的标准冲击试样尺寸参照国标GB/T229-2020。
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