專利名稱：新型鑄造熱鍛模具鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的熱作模具用鋼，特別是一種可直接用鑄造方法制造熱鍛模具用鋼。
背景技術(shù)：
當(dāng)前全世界的模具市場總產(chǎn)值約為600～650億美元，在鍛造工、模具鋼市場中熱作模具鋼占20％左右。熱鍛模具鋼占熱作模具鋼總產(chǎn)量的30％～50％左右。因此，熱鍛模具的壽命和成本決定了設(shè)備的生產(chǎn)率和產(chǎn)品的成本。
目前世界絕大多數(shù)國家熱鍛模具制造技術(shù)較為落后，主要為由特鋼廠提供熱鍛模具鋼鋼坯—根據(jù)加工模具最大尺寸，將鋼坯改鍛成實心模塊—熱處理—粗加工—熱處理—精加工。其制造成本高，材料利用率較低，資源浪費大。
中國、前蘇聯(lián)、美國、日本等國家在鑄造熱作模具鋼合金成分設(shè)計、微合金化方面開展了大量研究工作，并開發(fā)出一些鑄造熱作模具鋼，如表1～4所示，但性能并不十分令人滿意，限制了這些熱作模具鋼的應(yīng)用。
表1中國鑄造熱作模具鋼化學(xué)成分(wt％)鋼號C Cr W Mo V Ti Ni Mn SiSP5CrMnMo0.56 0.92-0.19- - - 1.48 0.25 0.02 0.025CrMnMoV 0.56 0.93-0.27 0.29 - - 1.58 0.36 0.02 0.0245CrWMoVTi 0.41 1.33 0.51 0.33 0.23 0.05- 0.45 0.83 --35CrNi3MoV 0.38 1.00-0.83 0.15 - 3.09 0.80 0.46 0.02 0.03表2日本鑄造熱作模具鋼實際化學(xué)成分(wt％) 熱處理℃性能鋼號σb延伸硬度CSiMnCr MoVW 退火 淬火 回火(MPa) 率(％) HRCSKD-61 0.4 1.0 0.3 5.0 1.2 1.0 1.0 850 1000 600 14707 51SKD-62 1.0 0.3 0.7 5.2 1.1 0.55 - 875 950180 17603 61SKD-63 0.30 0.5 0.7 1.7 0.4 - --855600 930 15 321
表3前蘇聯(lián)鑄造熱作模具鋼

表4美國鑄造熱作模具鋼

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為解決熱鍛模具制造技術(shù)中存在的上述問題，通過優(yōu)化合金成分設(shè)計、孕育、變質(zhì)、微合金化等，發(fā)明出一種新型高強韌性、高壽命新型鑄造熱鍛模具鋼，實現(xiàn)“以鑄代鍛”，提高鑄造熱鍛模具鋼的抗熱機疲勞、抗磨損、抗塑性變形等能力，提高其使用壽命，降低其制造成本。
熱鍛模具的主要失效形式為熱機疲勞裂紋、磨損、塑性變形等。本發(fā)明的技術(shù)方案通過加入Cr、Mo、Ni、V、W等提高鑄造熱鍛模具鋼的紅硬性、熱穩(wěn)定性、抗氧化性、抗熱機疲勞性等；通過加入Ti、RE、Si-Ca細化晶粒、去除鋼液中的O、S等有害元素與改善夾雜物形態(tài)及凝固組織，提高新型鑄造熱鍛模具鋼的強韌性。
本發(fā)明的新型鑄造熱鍛模具鋼含有以下合金成分(wt％)
C0.15～0.35，Cr1.5～3.75，Mo0.5～2.5，Ni0.6～2.5，V0.1～0.8，W0.1～0.8，Mn0.2～0.6，Si0.2～0.5，S≤0.04，P≤0.04。
該熱鍛模據(jù)鋼中還含有以下殘留變質(zhì)、孕育、凈化劑成份(Wt％)RE0.001～0.05，Ti0.005～0.20，Ca0.001～0.05。
本發(fā)明鑄造熱鍛模具鋼的回火組織為高溫回火馬-貝復(fù)相組織，其性能如表5～6所示。本發(fā)明新型鑄造熱鍛模具鋼用于2～4萬KN機械錘壓機與30KN錘鍛機的實施例，其壽命比分別用4Cr2MoVNi、5CrNiMo鍛造熱鍛模具鋼和俄羅斯(前蘇聯(lián))5CrMoVSi鑄造熱作模具鋼加工的熱鍛模具的壽命高80％與50％。實施例所選用新型鑄造熱鍛模具鋼的成分、性能如表7～12所示。
本發(fā)明采用RE-Ti-Si-Ca復(fù)合變質(zhì)、孕育、凈化劑處理的積極效果在于提高新型鑄造熱鍛模具鋼的強韌性。經(jīng)RE(稀土)變質(zhì)后，新型鑄造熱鍛模具鋼的硬度、強度變化不大，而常溫沖擊韌性、塑性、延伸率卻隨著RE變質(zhì)劑的加入量的提高而增加，當(dāng)殘余稀土含量為0.020wt％時達到峰值。而后，隨殘留稀土量的增加，塑韌性又逐漸下降。RE變質(zhì)還可以提高斷裂韌性(KIC)和疲勞裂紋擴展門檻值(ΔKth)。
表5稀土復(fù)合變質(zhì)對力學(xué)性能的影響

表6新型鑄造熱鍛模具鋼成分、力學(xué)性能

注(1)沖擊韌性(αK)值為3個帶有“U”型缺口的試樣的平均值；硬度為6點平均值。
(2)試樣的制備采用中頻感應(yīng)電爐，不氧化煉鋼工藝。1600～1650℃出鋼，在鋼包內(nèi)進行復(fù)合變質(zhì)、孕育、凈化處理，在水玻璃砂型中澆注30×60×180×300mm楔形試樣，從楔形試樣中制取各種性能測試試樣。
采用新型鑄造熱鍛模具鋼，通過精密鑄造，將模具復(fù)雜型腔直接鑄出，得到熱鍛模具的近終形(Near net shape)毛坯—熱處理—精加工。突破了上述目前傳統(tǒng)落后的熱鍛模具制造技術(shù)。與目前傳統(tǒng)的熱鍛模具加工技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點①取消改鍛工序。節(jié)省改鍛費用(約3000元/噸)，節(jié)省大量能源，同時改鍛時有4～5％合金燒損和易產(chǎn)生開裂與過燒等鍛造廢品。
②材料利用率提高10～40％。與目前傳統(tǒng)的將無型腔的實心模塊加工成有型腔的模具的方法相比，材料利用率提高10～40％。
③大大縮短了加工周期。加工量減少15～80％，加工工時減少30～60％以上(因已將模具復(fù)雜型腔鑄出，留0.5～2.0mm加工余量)，制造周期縮短30～70％，同時還可制造出機械加工難以加工或加工不出來的模具。
④失效模具可再資源化。失效鑄造模具可作為回爐料重熔回用，貴重緊缺合金元素可最大限度再資源化，如Ni、Mo、Cr等元素的回收率高達95％以上，每噸可節(jié)省2500～4500元。而采用特鋼廠模塊加工的模具難以回收。
⑤用新型鑄造熱鍛模具鋼鑄造的熱鍛模具的壽命比目前用傳統(tǒng)鍛造熱鍛模具鋼加工的熱鍛模具的壽命提高80％以上。
具體實施例方式
實施例(1)新型鑄造熱鍛模具鋼合金成分如表7所示。
表7 實施例新型鑄造熱鍛模具鋼成分范圍

(2)新型鑄造熱鍛模具鋼熔煉與熱鍛模具精密鑄造。
采用250Kg中頻感應(yīng)電爐，不氧化法煉鋼工藝。生鐵、廢鋼熔清后，加入各種鐵合金(Cr-Fe、Mo-Fe、Ni、W-Fe)，出鋼前加入V-Fe，在1600～1650℃插Al出鋼，采用包內(nèi)沖入法進行復(fù)合變質(zhì)、孕育、凈化處理，包內(nèi)復(fù)合變質(zhì)劑組成為Ti-Fe、RE-Si、Si-Ca，其粒度為5～10mm。采用V法鑄造((V-Process)，又稱真空密封鑄造)精密鑄造熱鍛模具與30×60×180×300mm楔形試樣。(3)新型鑄造熱鍛模具鋼性能(實施例2成分)。新型鑄造熱鍛模具鋼具有較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)和較低的線膨脹系數(shù)，如表8-11所示。
表8 新型鑄造熱鍛模具鋼的比熱容(J/kg·℃)100℃ 300℃ 450℃ 600℃0.428 0.581 0.669 0.735表9 新型鑄造熱鍛模具鋼的熱擴散率(cm2/S)100℃ 300℃ 450℃ 600℃0.065 0.060 0.054 0.048表10 新型鑄造熱鍛模具鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)(w/m·K)100℃ 300℃ 450℃ 600℃28.6 33.834.7 33.5表11 新型鑄造熱鍛模具鋼的線膨脹系數(shù)(10-6/℃)25～100℃ 25～300℃ 25～450℃ 25～600℃12 12.212.7 14.1實施例新型鑄造熱鍛模具鋼具有良好的強韌性和熱穩(wěn)定性，在室溫下，硬度在HRC40以上，沖擊韌性均超過15J·cm-2，室溫的抗拉強度在1400MPa以上，特別是具有良好的高溫強度，甚至在600℃，其抗拉強度仍然能保持在1000MPa以上，如表12所示。
表12 新型鑄造熱鍛模具鋼的力學(xué)性能沖擊韌 屈服強 彈性模 延伸溫度性 硬度 度 抗拉強度 量 斷面收縮 率(℃) (J.cm-2)(HRC) (MPa) (MPa)(GPa)率(％) (％)20 21.644.3 11851515 205.915.1 8.030010681480 190.212.8 7.6400998 1404 171.210.3 6.4600801 1019 139.233.5 8.8700264 344 75.6 77.6 27.0
(4)新型鑄造熱鍛模具生產(chǎn)性試驗。
采用實施例新型鑄造熱鍛模具鋼加工的熱鍛模具用于2～4萬KN機械錘壓機與30KN錘鍛機上。工況條件與目前現(xiàn)場使用的鍛造熱鍛模具鋼加工的熱鍛模具相同。工作前模具預(yù)熱至150～200℃，毛坯料加熱溫度1200℃左右，終鍛溫度不低于1100℃，先預(yù)熱后終鍛，每鍛一件，坯料與模具接觸時間2～3秒左右，脫模后對模具表面噴灑水膠基石墨冷卻潤滑劑或樹脂潤滑劑一次。對比模具分別由4Cr2MoVNi和5CrNiMo鍛造熱鍛模具鋼加工的熱鍛模具或由俄羅斯5CrMoVSi鑄造熱作模具鋼加工的熱鍛模具?，F(xiàn)場使用報告及結(jié)果如表13所示。
應(yīng)用結(jié)論(1)用新型鑄造熱鍛模具鋼加工的熱鍛模具的壽命分別比用4Cr2MoVNi與5CrNiMo鍛造熱作模具鋼加工的熱鍛模具和俄羅斯5CrMoVSi鑄造熱作模具鋼加工的熱鍛模具的壽命提高80％以上與50％以上。
(2)用新型鑄造熱鍛模具鋼加工的熱鍛模具與用鍛造熱作模具鋼(4Cr2MoVNi、5CrNiMo)加工的熱作模具相比，具有良好的抗熱機械疲勞性、抗氧化性、紅硬性、熱穩(wěn)定性和耐磨性；型腔表面熱機械疲勞龜裂紋少，脫模性好，易操作，受操作者歡迎。
(3)用新型鑄造熱鍛模具鋼加工的熱鍛模具與用鍛造熱作模具鋼加工的熱鍛模具相比，由于熱鍛模具型腔直接鑄出，加工量小，材料利用率高；取消熱鍛模具模塊改鍛工序，節(jié)省能源制造周期短；失效模具可再生回用，重熔鑄造出新的熱鍛模具，循環(huán)利用，節(jié)省大量貴重合金(Ni、Mo、Cr等)資源，熱鍛模具價格低15％以上，壽命提高80％以上，經(jīng)濟效益顯著，可用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
表13 新型鑄造熱鍛模具現(xiàn)場生產(chǎn)使用結(jié)果

權(quán)利要求
1.一種新型鑄造熱鍛模具鋼，其特征在于含有以下合金成分(wt％)C0.15～0.35，Cr1.5～3.75；Mo0.5～2.5，Ni0.6～2.5，V0.1～0.8，W；0.1～0.8，Mn0.2～0.6，Si0.2～0.5，S≤0.04，P≤0.04。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型鑄造熱鍛模具鋼，其特征在于還含有以下殘留變質(zhì)、孕育、凈化劑成分Ce0.001～0.05，Ti0.005～0.20，Ca0.001～0.05。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型的熱作模具用鋼，特別是涉及一種可直接用鑄造方法制造熱鍛模具的新型鑄造熱鍛模具鋼。該發(fā)明是為解決目前熱鍛模具制造技術(shù)中存在制造成本高，材料利用率較低，資源浪費大等缺點，實現(xiàn)“以鑄代鍛”，提高鑄造熱鍛模具鋼的抗熱機疲勞、抗磨損、抗塑性變形等能力，提高其使用壽命，降低其制造成本。本發(fā)明的新型鑄造熱鍛模具鋼含有以下合金成分(wt％)C0.15～0.35，Cr1.5～3.75，Mo0.5～2.5，Ni0.6～2.5，V0.1～0.8，W0.1～0.8，Mn0.2～0.6，Si0.2～0.5，S≤0.04，P≤0.04。
文檔編號C22C38/46GK1405353SQ0213324
公開日2003年3月26日 申請日期2002年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月20日
發(fā)明者姜啟川, 趙宇光, 趙玉謙, 王樹奇, 關(guān)慶豐, 王春生, 方建儒, 張瑞清, 夏振佳, 王金國, 王慧遠 申請人:吉林大學(xué)