CN1924069A - 高热强性热作模具钢材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热作模具钢材料，属合金钢材料制造工艺技术领域。本发明高热强性热作模具钢材料，其特征在于具有如下的成分及重量百分比：Cr 3.5～4.0％，Mo2.0～2.5％，V 1.0～1.5％，W 1.0～1.5％，Mn 0.1～0.5，Ni 0.1～0.25％，C 0.3～0.35％，Si 0.1～0.5％，S 0.005～0.01％，P 0.01～0.02，Fe余量。该合金钢的制备过程如下：(1)熔炼、(2)电渣重熔、(3)高温均匀化、(4)锻造、(5)锻件退火、(6)毛坯锻造、(7)退火；最终制得产品热作模具钢。该模具钢具有较高使用硬度，硬度在48～54HRC范围内；该材料的室温冲击韧性值大于300J，并且具有较优的热疲劳性能。

Description

高热强性热作模具钢材料

技术领域

本发明涉及一种热作模具钢材料，属合金钢材料制造工艺技术领域。

背景技术

热作模具钢一般是在相当复杂工作条件下运作的，对于模具钢材料的性能要求也相当严格。在工作时材料承受着很大的冲击力，模腔和高温金属接触后，本身温度常达300～400℃，局部可达500～700℃，有的甚至达1000℃左右，还经受着反复的加热与冷却。在时冷时热状态下，容易使模具的工作表面产生热疲劳裂纹，即龟裂；炽热金属被强制变形时，与模具型腔表面相互摩擦，模具极易磨损并且硬度降低；模具在高的机械应力循环中也可导致塑性变形而萌生裂纹。另外，模具在较高温度使用时，会产生软有现象，即随着使用次数的增加，模具的硬度降低，以致达不到使用性能的要求。有些材料也会因高温韧性不够或抗冷热疲劳能力不够产生开裂而报废。所以，如何使模具钢具有持久的高温强度和韧性，是科研工作者关注的研究课题。

人们所熟知的H13钢是一种综合性能优异的热作模具钢。一般情况下，H13钢常用作热挤压模、铝合金的压铸模和塑料模，但是其使用温度不能超过600℃。它还可用作冷挤凹模、冷挤钢管环形模、顶件等，是冷热兼用的模具钢。当工作温度大于600℃时，如某些钢或铜热挤压模具及铜合金的压铸模，其表层受热温度可达700℃，甚至更高，此时H13钢就失去了原来的优良性能。3Cr2W8V合金钢虽然也有较好的热硬性，但其热疲劳抗力差，模具常因发生龟裂而早期失效，因而严重限制了其使在寿命。

有鉴于此，许多国内外的科研工作者都致力于新型高热强性热作模具钢的研究，尽管研制出许多新的钢种，并且不乏有许多性能优良的钢种，但是大多数都是针对某一方面的问题孕育而生，应用领域有一定的局限性。所以，致力于高热强性热作模具钢的研究依然任重而道远，人们期望能获得综合性能更高的、应用范围更广泛的新热作模具钢材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种高热强性热作模具钢材料及其制备方法。

本发明一种高热强性热作模具钢材料，其特征在于具有如下的成分及重量百分比：

Cr    3.5～4.0％

Mo    2.0～2.5％

V     1.0～1.5％

W     1.0～1.5％

Mn    0.1～0.5％

Ni    0.1～0.25％

C     0.3～0.35％

Si    0.1～0.5％

S     0.005～0.01％

P     0.01～0.02％

Fe    余量

本发明一种高热强性热作模具钢的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：

(a)熔炼：按传统常规方法熔炼，将按上述配方来的配合料放置于中频感应炉中，在1500℃温度以上进行熔炼；然后浇注钢锭，进入下一步骤待用；

(b)电渣重熔：利用电流通过电渣层产生电阻热来熔化自耗电极的合金母材，液体金属以熔滴形式经渣层下落至水冷结晶器中的金属熔池内，钢锭由下而上逐步结晶。电渣重熔后可降低气体和夹杂物的含量，并获得成份均匀、组织致密、质量高的钢锭。重熔时合金得到进一步精炼，夹杂物去除是通过渣洗和在熔池中上浮。合金的持久性能和塑性都得到提高，消除或减轻了各种宏观和显微缺陷；

(c)高温均匀化：随后加热，达1200～1240℃温度，并保温8-10小时，使钢成分均匀化，然后埋砂冷却；

(d)锻造：再将上述钢锭加热至1200～1230℃，进行粗锻，终锻温度940℃，得到锻件；

(e)锻件退火：于830℃温度下，退火8小时，随后随炉冷却；

(f)毛坯锻造：再次加热至1100～1300，在930～1100℃温度范围内再次进行锻造加工：

(g)退火：在810℃温度下，再次退火7小时，随后随炉冷却，最终制得产品热作模具钢。

本发明热作模具钢设计成分配方的理论依据如下所述：

(1)获得综合性能良好的钢种，一般均为中碳钢，碳含量过低就不能保证得到足够的硬度，碳含量过高就容易造成韧性不足或冷热疲劳，故本发明的模具钢为中碳钢。

(2)Cr元素可增加钢的淬透性，既可固溶于奥氏体，也可固溶于马氏体中，固溶的Cr有助于提高过冷奥氏体的稳定性和马氏体的回火抗力。但是，如是Cr含量过高(如H13钢中含铬量5％Cr)，淬火后回失时，铬和碳可形成高铬的碳化物，妨碍具有高抗回火软化能力的碳化钒的形成，从而降低了H13钢的高温热强性，所以本发明稍微降低了Cr的含量。

(3)W和Mo是高热强性形成元素，它们均可提高钢的高温强度和热稳定性。Mo在热处理后形成Mo₂C型的稳定性碳化物，可提高钢的抗回火软化能力。但含W量过高时，会使钢的冷热疲劳抗力明显下降，一般W含量不宜超过3％。

(4)V也是稳定性极好的碳化物形成元素，可降低钢的过程敏感性。V的碳化物弥散析出，阻碍晶粒的长大，达到细化晶粒的效果；在高温回火过程中，V易出现明显的二次硬化效果。

(5)Si可以提高钢的淬透性，也有助于提高钢的二次硬化峰，因而Si对提高基体的强度及回火抗力有利。

本发明中采用了电渣重熔的步骤，可提高钢锭的冶金质量，降低P、S等杂质元素，减少成分偏析。采用电渣锭高温均匀化，可改善一次碳化物，随后进行锻打，改善钢锭组织和成分，从而保证钢的良好综合性能。

本发明方法制得的热作模具钢材料具有较高的洛氏硬度，热疲劳性能也较优，并且具有较好的室温冲击韧性。

附图说明

图1为本发明热作模具钢与H13钢的硬度—时间变化曲线比较图。

采用1060℃淬火+600℃两次回火后在600℃下保温，两种钢材即本发明模具钢与H13钢的HRC硬度值随保温时间的变化所绘制的曲线图。

具体实施方式

现将本发明的实施例具体叙述于后。

实施例1

本实施例中，采用的模具钢的成分及重量百分比如下：

Cr    3.64％

Mo    2.32％

V     1.29％

W     1.29％

Mn    0.36％

Ni    0.15％

C     0.32％

Si    0.27％

S     0.002％

P     0.01％

Fe    余量

本实施例中的工艺过程和步骤如下：

(1)熔炼：按传统常规方法熔炼，将按上述配方来的配合料放置于中频感应炉中，在1500℃温度以上进行熔炼；然后浇注得钢锭，进入下一步骤待用；

(2)电渣重熔：利用电流通过电渣层产生电阻热来熔化自耗电极的合金母材，液体金属以熔滴形式经渣层下落至水冷结晶器中的金属熔池内，钢锭由下而上逐步结晶。电渣重熔后可降低气体和夹杂物的含量，并获得成份均匀、组织致密、质量高的钢锭。重熔时合金得到进一步精炼，夹杂物去除是通过渣洗和在熔池中上浮。合金的持久性能和塑性都得到提高，消除或减轻了各种宏观和显微缺陷；

(3)高温均匀化：随后加热，达1200～1240℃温度，并保温9小时，使钢成分均匀化，然后埋砂冷却；

(4)锻造：再将上述钢锭加热至1200～1230℃，进行粗锻，终锻温度940℃，得到锻件；

(5)锻件退火：于830℃温度下，退火8小时，随后随炉冷却；

(6)毛坯锻造：再次加热至1100～1300℃，在930～1100℃温度范围内再次进行锻造加工；

(7)退火：在810温度下，再次退火7小时，随后随炉冷却，最终制得产品热作模具钢。

性能测试

1、不同条件下的硬度和室温冲击韧性值

将上述实施例所得之产品热作模具钢作性能测试，结果如下：

(1)1020℃淬火+600℃两次回火

其性能数据为：硬度49HRC，室温冲击韧性值275J。

(2)1060℃淬火+600℃两次回火

其性能数据为：硬度50HRC，室温冲击韧性值大于300J。

(3)1100℃淬火+600℃两次回火

其性能数据为：硬度52HRC，室温冲击韧性值大于300J。

2、本发明模具钢与H13钢的硬度—时间变化比较

参见图1的本发明模具钢与H13钢的硬度—时间变化曲线比较图。

采用1060℃淬火+600℃两次回火后在600℃下保温两种钢材即本发明模具钢与H13钢的HRC硬度值随保温时间的变化情况，在图中明显表示出：①本发明模具钢的硬度明显比在相同条件下的H13钢要高，具有更好的高温热强性。②本发明模具钢的随时间下降坡度明显小于H13钢，显得较为平坦平稳，明显比H13钢具有更好的抗回火软化能力。

3、本发明模具钢与H13钢的热疲劳试验比较

在1100℃淬火+600℃两次回火后，将两种钢种循环3000次后的热疲劳试验，通过体式电子显微镜观察，可以看到本发明模具钢表面的裂纹明显少于H13钢，裂纹组小均匀，是网络状分布，无粗大裂纹。

作为对比钢种的H13钢，其成分及重量百分比如下：

Cr5.06，Mo1.55，V1.04，W0.029，Mn0.443，C0.395，Si0.992，S0.0062，P0.0165，Fe余量。

Claims (2)

1.一种高热强性热作模具钢材料，其特征在于具有如下的成分及重量百分比：

Cr    3.5～4.0％

Mo    2.0～2.5％

V     1.0～1.5％

W     1.0～1.5％

Mn    0.1～0.5％

Ni    0.1～0.25％

C     0.3～0.35％

Si    0.1～0.5％

S     0.005～0.01％

P     0.01～0.02％

Fe    余量。

2.权利要求1所述的一种高热强性热作模具钢的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：

(a)熔炼：按传统常规方法熔炼，将按上述配方来的配合料放置于中频感应炉中，在1500℃温度以上进行熔炼；然后浇注钢锭，进入下一步骤待用；

(b)电渣重熔：利用电流通过电渣层产生电阻热来熔化自耗电极的合金母材，液体金属以熔滴形式经渣层下落至水冷结晶器中的金属熔池内，钢锭由下而上逐步结晶。电渣重熔后可降低气体和夹杂物的含量，并获得成份均匀、组织致密、质量高的钢锭。重熔时合金得到进一步精炼，夹杂物去除是通过渣洗和在熔池中上浮。合金的持久性能和塑性都得到提高，消除或减轻了各种宏观和显微缺陷；

(c)高温均匀化：随后加热，达1200～1240℃温度，并保温8-10小时，使钢成分均匀化，然后埋砂冷却；

(d)锻造：再将上述钢锭加热至1200～1230℃，进行粗锻，终锻温度940℃，得到锻件；

(e)锻件退火：于830℃温度下，退火8小时，随后随炉冷却；

(f)毛坯锻造：再次加热至1100～1300℃，在930～1100℃温度范围内再次进行锻造加工：

(g)退火：在810℃温度下，再次退火7小时，随后随炉冷却，最终制得产品热作模具钢。

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