專利名稱：高熱強性熱作模具鋼材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱作模具鋼材料，屬合金鋼材料制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
熱作模具鋼一般是在相當(dāng)復(fù)雜工作條件下運作的，對于模具鋼材料的性能要求也相當(dāng)嚴(yán)格。在工作時材料承受著很大的沖擊力，模腔和高溫金屬接觸后，本身溫度常達300～400℃，局部可達500～700℃，有的甚至達1000℃左右，還經(jīng)受著反復(fù)的加熱與冷卻。在時冷時熱狀態(tài)下，容易使模具的工作表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋，即龜裂；熾熱金屬被強制變形時，與模具型腔表面相互摩擦，模具極易磨損并且硬度降低；模具在高的機械應(yīng)力循環(huán)中也可導(dǎo)致塑性變形而萌生裂紋。另外，模具在較高溫度使用時，會產(chǎn)生軟有現(xiàn)象，即隨著使用次數(shù)的增加，模具的硬度降低，以致達不到使用性能的要求。有些材料也會因高溫韌性不夠或抗冷熱疲勞能力不夠產(chǎn)生開裂而報廢。所以，如何使模具鋼具有持久的高溫強度和韌性，是科研工作者關(guān)注的研究課題。
人們所熟知的H13鋼是一種綜合性能優(yōu)異的熱作模具鋼。一般情況下，H13鋼常用作熱擠壓模、鋁合金的壓鑄模和塑料模，但是其使用溫度不能超過600℃。它還可用作冷擠凹模、冷擠鋼管環(huán)形模、頂件等，是冷熱兼用的模具鋼。當(dāng)工作溫度大于600℃時，如某些鋼或銅熱擠壓模具及銅合金的壓鑄模，其表層受熱溫度可達700℃，甚至更高，此時H13鋼就失去了原來的優(yōu)良性能。3Cr2W8V合金鋼雖然也有較好的熱硬性，但其熱疲勞抗力差，模具常因發(fā)生龜裂而早期失效，因而嚴(yán)重限制了其使在壽命。
有鑒于此，許多國內(nèi)外的科研工作者都致力于新型高熱強性熱作模具鋼的研究，盡管研制出許多新的鋼種，并且不乏有許多性能優(yōu)良的鋼種，但是大多數(shù)都是針對某一方面的問題孕育而生，應(yīng)用領(lǐng)域有一定的局限性。所以，致力于高熱強性熱作模具鋼的研究依然任重而道遠，人們期望能獲得綜合性能更高的、應(yīng)用范圍更廣泛的新熱作模具鋼材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高熱強性熱作模具鋼材料及其制備方法。
本發(fā)明一種高熱強性熱作模具鋼材料，其特征在于具有如下的成分及重量百分比
Cr3.5～4.0％Mo2.0～2.5％V 1.0～1.5％W 1.0～1.5％Mn0.1～0.5％Ni0.1～0.25％C 0.3～0.35％Si0.1～0.5％S 0.005～0.01％P 0.01～0.02％Fe余量本發(fā)明一種高熱強性熱作模具鋼的制備方法，其特征在于具有以下的工藝過程和步驟(a)熔煉按傳統(tǒng)常規(guī)方法熔煉，將按上述配方來的配合料放置于中頻感應(yīng)爐中，在1500℃溫度以上進行熔煉；然后澆注鋼錠，進入下一步驟待用；(b)電渣重熔利用電流通過電渣層產(chǎn)生電阻熱來熔化自耗電極的合金母材，液體金屬以熔滴形式經(jīng)渣層下落至水冷結(jié)晶器中的金屬熔池內(nèi)，鋼錠由下而上逐步結(jié)晶。電渣重熔后可降低氣體和夾雜物的含量，并獲得成份均勻、組織致密、質(zhì)量高的鋼錠。重熔時合金得到進一步精煉，夾雜物去除是通過渣洗和在熔池中上浮。合金的持久性能和塑性都得到提高，消除或減輕了各種宏觀和顯微缺陷；(c)高溫均勻化隨后加熱，達1200～1240℃溫度，并保溫8-10小時，使鋼成分均勻化，然后埋砂冷卻；(d)鍛造再將上述鋼錠加熱至1200～1230℃，進行粗鍛，終鍛溫度940℃，得到鍛件；(e)鍛件退火于830℃溫度下，退火8小時，隨后隨爐冷卻；(f)毛坯鍛造再次加熱至1100～1300，在930～1100℃溫度范圍內(nèi)再次進行鍛造加工(g)退火在810℃溫度下，再次退火7小時，隨后隨爐冷卻，最終制得產(chǎn)品熱作模具鋼。
本發(fā)明熱作模具鋼設(shè)計成分配方的理論依據(jù)如下所述(1)獲得綜合性能良好的鋼種，一般均為中碳鋼，碳含量過低就不能保證得到足夠的硬度，碳含量過高就容易造成韌性不足或冷熱疲勞，故本發(fā)明的模具鋼為中碳鋼。
(2)Cr元素可增加鋼的淬透性，既可固溶于奧氏體，也可固溶于馬氏體中，固溶的Cr有助于提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性和馬氏體的回火抗力。但是，如是Cr含量過高(如H13鋼中含鉻量5％Cr)，淬火后回失時，鉻和碳可形成高鉻的碳化物，妨礙具有高抗回火軟化能力的碳化釩的形成，從而降低了H13鋼的高溫?zé)釓娦?，所以本發(fā)明稍微降低了Cr的含量。
(3)W和Mo是高熱強性形成元素，它們均可提高鋼的高溫強度和熱穩(wěn)定性。Mo在熱處理后形成Mo2C型的穩(wěn)定性碳化物，可提高鋼的抗回火軟化能力。但含W量過高時，會使鋼的冷熱疲勞抗力明顯下降，一般W含量不宜超過3％。
(4)V也是穩(wěn)定性極好的碳化物形成元素，可降低鋼的過程敏感性。V的碳化物彌散析出，阻礙晶粒的長大，達到細(xì)化晶粒的效果；在高溫回火過程中，V易出現(xiàn)明顯的二次硬化效果。
(5)Si可以提高鋼的淬透性，也有助于提高鋼的二次硬化峰，因而Si對提高基體的強度及回火抗力有利。
本發(fā)明中采用了電渣重熔的步驟，可提高鋼錠的冶金質(zhì)量，降低P、S等雜質(zhì)元素，減少成分偏析。采用電渣錠高溫均勻化，可改善一次碳化物，隨后進行鍛打，改善鋼錠組織和成分，從而保證鋼的良好綜合性能。
本發(fā)明方法制得的熱作模具鋼材料具有較高的洛氏硬度，熱疲勞性能也較優(yōu)，并且具有較好的室溫沖擊韌性。


圖1為本發(fā)明熱作模具鋼與H13鋼的硬度—時間變化曲線比較圖。
采用1060℃淬火+600℃兩次回火后在600℃下保溫，兩種鋼材即本發(fā)明模具鋼與H13鋼的HRC硬度值隨保溫時間的變化所繪制的曲線圖。
具體實施例方式
現(xiàn)將本發(fā)明的實施例具體敘述于后。
實施例1本實施例中，采用的模具鋼的成分及重量百分比如下
Cr3.64％Mo2.32％V 1.29％W 1.29％Mn0.36％Ni0.15％C 0.32％Si0.27％S 0.002％P 0.01％Fe余量本實施例中的工藝過程和步驟如下(1)熔煉按傳統(tǒng)常規(guī)方法熔煉，將按上述配方來的配合料放置于中頻感應(yīng)爐中，在1500℃溫度以上進行熔煉；然后澆注得鋼錠，進入下一步驟待用；(2)電渣重熔利用電流通過電渣層產(chǎn)生電阻熱來熔化自耗電極的合金母材，液體金屬以熔滴形式經(jīng)渣層下落至水冷結(jié)晶器中的金屬熔池內(nèi)，鋼錠由下而上逐步結(jié)晶。電渣重熔后可降低氣體和夾雜物的含量，并獲得成份均勻、組織致密、質(zhì)量高的鋼錠。重熔時合金得到進一步精煉，夾雜物去除是通過渣洗和在熔池中上浮。合金的持久性能和塑性都得到提高，消除或減輕了各種宏觀和顯微缺陷；(3)高溫均勻化隨后加熱，達1200～1240℃溫度，并保溫9小時，使鋼成分均勻化，然后埋砂冷卻；(4)鍛造再將上述鋼錠加熱至1200～1230℃，進行粗鍛，終鍛溫度940℃，得到鍛件；(5)鍛件退火于830℃溫度下，退火8小時，隨后隨爐冷卻；(6)毛坯鍛造再次加熱至1100～1300℃，在930～1100℃溫度范圍內(nèi)再次進行鍛造加工；(7)退火在810溫度下，再次退火7小時，隨后隨爐冷卻，最終制得產(chǎn)品熱作模具鋼。
性能測試1、不同條件下的硬度和室溫沖擊韌性值將上述實施例所得之產(chǎn)品熱作模具鋼作性能測試，結(jié)果如下(1)1020℃淬火+600℃兩次回火其性能數(shù)據(jù)為硬度49HRC，室溫沖擊韌性值275J。
(2)1060℃淬火+600℃兩次回火其性能數(shù)據(jù)為硬度50HRC，室溫沖擊韌性值大于300J。
(3)1100℃淬火+600℃兩次回火其性能數(shù)據(jù)為硬度52HRC，室溫沖擊韌性值大于300J。
2、本發(fā)明模具鋼與H13鋼的硬度—時間變化比較參見圖1的本發(fā)明模具鋼與H13鋼的硬度—時間變化曲線比較圖。
采用1060℃淬火+600℃兩次回火后在600℃下保溫兩種鋼材即本發(fā)明模具鋼與H13鋼的HRC硬度值隨保溫時間的變化情況，在圖中明顯表示出①本發(fā)明模具鋼的硬度明顯比在相同條件下的H13鋼要高，具有更好的高溫?zé)釓娦?。②本發(fā)明模具鋼的隨時間下降坡度明顯小于H13鋼，顯得較為平坦平穩(wěn)，明顯比H13鋼具有更好的抗回火軟化能力。
3、本發(fā)明模具鋼與H13鋼的熱疲勞試驗比較在1100℃淬火+600℃兩次回火后，將兩種鋼種循環(huán)3000次后的熱疲勞試驗，通過體式電子顯微鏡觀察，可以看到本發(fā)明模具鋼表面的裂紋明顯少于H13鋼，裂紋組小均勻，是網(wǎng)絡(luò)狀分布，無粗大裂紋。
作為對比鋼種的H13鋼，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，F(xiàn)e余量。
權(quán)利要求
1.一種高熱強性熱作模具鋼材料，其特征在于具有如下的成分及重量百分比Cr3.5～4.0％Mo2.0～2.5％V 1.0～1.5％W 1.0～1.5％Mn0.1～0.5％Ni0.1～0.25％C 0.3～0.35％Si0.1～0.5％S 0.005～0.01％P 0.01～0.02％Fe余量。
2.權(quán)利要求1所述的一種高熱強性熱作模具鋼的制備方法，其特征在于具有以下的工藝過程和步驟(a)熔煉按傳統(tǒng)常規(guī)方法熔煉，將按上述配方來的配合料放置于中頻感應(yīng)爐中，在1500℃溫度以上進行熔煉；然后澆注鋼錠，進入下一步驟待用；(b)電渣重熔利用電流通過電渣層產(chǎn)生電阻熱來熔化自耗電極的合金母材，液體金屬以熔滴形式經(jīng)渣層下落至水冷結(jié)晶器中的金屬熔池內(nèi)，鋼錠由下而上逐步結(jié)晶。電渣重熔后可降低氣體和夾雜物的含量，并獲得成份均勻、組織致密、質(zhì)量高的鋼錠。重熔時合金得到進一步精煉，夾雜物去除是通過渣洗和在熔池中上浮。合金的持久性能和塑性都得到提高，消除或減輕了各種宏觀和顯微缺陷；(c)高溫均勻化隨后加熱，達1200～1240℃溫度，并保溫8-10小時，使鋼成分均勻化，然后埋砂冷卻；(d)鍛造再將上述鋼錠加熱至1200～1230℃，進行粗鍛，終鍛溫度940℃，得到鍛件；(e)鍛件退火于830℃溫度下，退火8小時，隨后隨爐冷卻；(f)毛坯鍛造再次加熱至1100～1300℃，在930～1100℃溫度范圍內(nèi)再次進行鍛造加工(g)退火在810℃溫度下，再次退火7小時，隨后隨爐冷卻，最終制得產(chǎn)品熱作模具鋼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱作模具鋼材料，屬合金鋼材料制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明高熱強性熱作模具鋼材料，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，F(xiàn)e余量。該合金鋼的制備過程如下(1)熔煉、(2)電渣重熔、(3)高溫均勻化、(4)鍛造、(5)鍛件退火、(6)毛坯鍛造、(7)退火；最終制得產(chǎn)品熱作模具鋼。該模具鋼具有較高使用硬度，硬度在48～54HRC范圍內(nèi)；該材料的室溫沖擊韌性值大于300J，并且具有較優(yōu)的熱疲勞性能。
文檔編號C21D11/00GK1924069SQ200610116358
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月21日
發(fā)明者吳曉春, 閔永安, 陳建亭, 汪宏斌 申請人:上海大學(xué)