專利名稱：：一種具有良好熱強(qiáng)性及高韌性的熱作模具鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及冶金行業(yè)模具鋼產(chǎn)品，尤其是指一種具有良好熱強(qiáng)性及高韌性的熱作模具鋼。
背景技術(shù)：
：隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外制造業(yè)廣泛采用精密沖壓、壓力鑄造、冷擠壓、熱擠壓等無(wú)切削、少切削工藝，模具已成為其主要的成形工具，并形成了熱作模具鋼、冷作模具鋼、塑料模具鋼三大系列模具用鋼。熱作模具鋼主要用于制造加熱到再結(jié)晶溫度以上的金屬或液態(tài)金屬壓制成型的模具，如錘鍛模、機(jī)鍛模、熱擠壓模和壓鑄模等。目前熱作模具鋼已發(fā)展為系列鋼種，如用于鍛模的5CrMnMo、5CrNiMo;用于熱擠壓模和壓鑄模的4Cr5MoSiVl等。熱作模具鋼一般性能要求如下強(qiáng)度和韌性模具在工作期間承受的較大的負(fù)荷往往由于材料的強(qiáng)度和韌性不足而產(chǎn)生型腔邊緣或局部塌陷、崩刃和斷裂等早期時(shí)效現(xiàn)象，因此要求模具鋼經(jīng)熱處理之后具有高的強(qiáng)度和好的韌性。疲勞性能模具服役期間承受的負(fù)荷是重復(fù)循環(huán)的，如冷作模具承受的機(jī)械沖擊和熱作模具承受的熱沖擊，因此模具鋼的抗應(yīng)力疲勞及抗熱疲勞性能的優(yōu)劣決定了模具的使用壽命，為了獲得模具的長(zhǎng)壽命，要求模具鋼應(yīng)具有良好的抗疲勞性能。加工性這里的加工性包括兩方面，一是材料的切削性能，二是材料的熱加工性能。模具鋼的生產(chǎn)一般均采用熱加工成形技術(shù)，因此要求模具鋼應(yīng)具有較好的熱加工成形性能，保證熱加工過(guò)程的順利進(jìn)行。另外模具的形狀很復(fù)雜，加工難度較大，良好的切削加工性能可保證模具加工的尺寸精度。淬硬性和淬透性對(duì)于大截面模具而言，高的淬透性可保證整個(gè)截面硬度均勻，提高模具的使用性能。在上述性能要求當(dāng)中，高強(qiáng)度和高韌性對(duì)提高熱作模具鋼使用壽命最為有利。以4Cr5MoSiVl為代表的中合金鉻系熱作模具鋼得到了廣泛應(yīng)用。其化學(xué)成份為C0.320.45%、Si0.801.20%、Mn0.200.50%、Cr4.755.50%、Mo1.101.75%、V0.801.20%、Fe余量。中合金熱作模具鋼以Cr5系列為主，此類鋼Cr含量較低合金熱作模具鋼有很大的提高，另外加入一定量的Si、Mo、V等合金元素，回火時(shí)又能析出一定量的M2C和MC型彌散碳化物，增加二次硬化效果，具有一定的熱強(qiáng)性及熱穩(wěn)定性。適合在600。C以下工況服役。熱作模具鋼的使用壽命取決于材料的強(qiáng)韌性，具有高強(qiáng)度和高韌性的材料，模具的使用壽命越高。然而4Cr5MoSiVl因熱強(qiáng)性不足，600°C回火保溫20小時(shí)后的硬度僅為HRC36，橫向無(wú)缺口沖擊韌性僅為180J，用于鋁合金壓鑄模具的使用壽命僅為6萬(wàn)次左右。為了進(jìn)一步提高熱作模具鋼使用壽命。國(guó)內(nèi)外冶金工作者相繼開(kāi)發(fā)出熱作模具鋼4Cr5MoSiVl的改進(jìn)型鋼種，如中國(guó)專利CN85100822A熱作模具鋼，其成份為C0.300.50%、Si0.201.00%、Cr2.004.00%、Mn0.201.00%、V0.802.00%、Mo1.503.50%、Ni<2.00%、Co<4.00%、Nb<0.30%、B<0.01%。該發(fā)明鋼種雖然有較高的高溫強(qiáng)度，但未提及韌性指標(biāo)。鋼中添加合金元素Co，除了提高鋼的高溫強(qiáng)度之外，卻降低了材料的熱加工性能，鍛造變形溫度范圍窄，鍛造終鍛溫度高，在95(TC以上；添加Co元素增加了材料的脆性，降低韌性；Co的加入還導(dǎo)致淬透性降低。同時(shí)由于合金元素Co價(jià)格昂貴，導(dǎo)致該發(fā)明模具鋼成本升高，不利于市場(chǎng)推廣，難于讓市場(chǎng)接受。該發(fā)明鋼種的Mo含量下限較低，僅為1.50%，低于H13中Mo含量上限，對(duì)提高熱穩(wěn)定性能作用不大。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于開(kāi)發(fā)一種具有良好熱強(qiáng)性及高韌性的熱作模具鋼，具有高的高溫強(qiáng)度同時(shí)又具有高韌性的熱作模具鋼，提高熱作模具鋼的使用壽命。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種具有良好熱強(qiáng)性及高韌性的熱作模具鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為C0.280.35Si0.200.50Mn0.200.80Cr4.505.50Mo2.002.80V0.40.80P《0.025S《0.025Nb0.050.20N0.010.03余量為Fe和不可避免雜質(zhì)元素。對(duì)于要求強(qiáng)韌性的熱作模具鋼而言，合金元素之間存在一定的交互作用硬度Yl=-2.39SiQ/oXMn%+2.14Si%XCr%-1.39Mn%XV%+0.97Mo%XV%+25.4(不考慮熱處理因素)沖擊韌性Y2=-154.33C%-27.79Mn%XV%+111.63(不考慮熱處理因素)本發(fā)明鋼種合金元素含量的確定參照了上述合金元素之間交互作用的規(guī)律，充分考慮了強(qiáng)度和韌性的兼顧。Si和Mn交互作用的結(jié)果降低硬度，Si和Cr交互作用的結(jié)果提高強(qiáng)度，Mn和V交互作用的結(jié)果降低硬度和韌性，因此考慮到元素之間的交互作用，C、Si、Mn、V均較4Cr5MoSiVl有所降低，并添加微量Nb，從而提高韌性；提高M(jìn)o含量，并添加N元素強(qiáng)化基體，使發(fā)明鋼種的強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高。C，是提高鋼的硬度和強(qiáng)度最為有效的元素，固溶強(qiáng)化作用顯著，回火時(shí)析出大量彌散的碳化物具有彌散強(qiáng)化作用，是保證熱作模具鋼所能達(dá)到的強(qiáng)度的必不可少的元素。但C含量過(guò)高會(huì)造成鋼中碳化物數(shù)量的增多，降低韌性和焊接性能。在諸多合金元素當(dāng)中，碳對(duì)韌性的影響最為顯著，從上述沖擊韌性關(guān)系式中有充分體現(xiàn)。因此碳含量不宜過(guò)高。并通過(guò)添加少量的氮元素，通過(guò)氮在鋼中的固溶強(qiáng)化作用代替部分碳的作用，因此在碳含量不高的情況下仍能獲得所需的強(qiáng)度。因此適宜的碳含量為0.280.35%C。鋼中含有少量的Si有較好的脫氧作用，但Si含量過(guò)高則降低鋼的焊接性能和切削加工性能，并且增加石墨化傾向，在鋼中存在Cr、Mn元素時(shí)，添加Si元素還有增加回火脆性傾向，因此適宜的Si含量為0.200.50/o。Mn，是強(qiáng)烈推遲珠光體轉(zhuǎn)變的合金元素，有利于提高鋼的淬透性并通過(guò)固溶強(qiáng)化作用提高強(qiáng)度，但Mn含量過(guò)高有使鋼晶粒粗化的傾向。適宜的Mn含量為0.200.80%Cr，在本發(fā)明鋼中的重要作用是強(qiáng)烈推遲珠光體轉(zhuǎn)變，有利于淬透性的提高；并提高馬氏體的回火穩(wěn)定性。Cr含量在5%左右時(shí)與碳形成(Fe,Cr)7(:3和(Fe,Cr)23C6型碳化物，產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)，提高強(qiáng)度。另外Cr是縮小Y相區(qū)的元素，Cr含量過(guò)高將得到鐵素體組織，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，因此適宜的Cr含量4.505.50%Cr。Mo，是提高鋼的熱強(qiáng)性極為有效的合金元素，在鋼中加入合金元素Mo形成M2C型碳化物可提高鋼的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。但只有當(dāng)Mo含量超過(guò)2.00%時(shí)才具有明顯的提高熱穩(wěn)定性的作用。另外Mo與Cr、Mn配合加入，其交互作用可顯著提高鋼的淬透性，但Mo含量過(guò)高則增大熱加工變形抗力，降低鋼的熱加工性能。因此適宜的Mo含量為2.002.80%。V，在鋼中的作用主要是細(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)韌性，另外鋼中添加合金元素V可析出MC型細(xì)小彌散的碳化物產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)提高鋼的回火穩(wěn)定性。V含量超過(guò)0.8Q/。時(shí)顯著降低鋼的高溫抗氧化性能，易導(dǎo)致熱作模具鋼產(chǎn)生熱融損現(xiàn)象。因此適宜的V含量為0.40.80%Nb在鋼中析出極為細(xì)小彌散的碳化物，起到釘軋晶界的作用，從而細(xì)化晶粒，提高韌性。鋼中添加0.05%Nb即可起到提高鋼的沖擊韌性的作用，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，改善焊接性能。Nb含量過(guò)高則降低鋼的淬透性，因此添加了0.050.20%Nb。N，是一個(gè)具有顯著固溶強(qiáng)化作用的元素，通過(guò)添加少量的N即可起到固溶強(qiáng)化作用，提高模具表面硬度，同時(shí)為減少碳含量創(chuàng)造了條件，碳含量的減少可提高鋼的韌性及焊接性能。過(guò)多的N容易形成氣泡和疏松缺陷，故本發(fā)明添加了0.010.03%N。本發(fā)明的有益效果1.本發(fā)明綜合考慮了影響熱作模具鋼使用壽命的熱強(qiáng)性及韌性，通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)，C及Cr、Mn、Mo、V等合金元素的固溶強(qiáng)化及沉淀強(qiáng)化作用提高了高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，尤其是添加了Nb元素提高了鋼的韌性，具有強(qiáng)韌性兼?zhèn)涞奶攸c(diǎn)，60(TC回火保溫20小時(shí)硬度可保持HRC40，比4Cr5MoSiVl高出3HRC以上，橫向無(wú)缺口沖擊韌性高達(dá)300J，比4Cr5MoSiVl至少高出50J以上，其熱強(qiáng)性及韌性均優(yōu)于4Cr5MoSiVl，有利于提高熱作模具鋼的使用壽命，尤其適用于鋁合金壓鑄模具和熱擠壓模具。2.本發(fā)明采用添加微量N元素減少了鋼中C的配比，有利于提高鋼的韌性及焊接性能。3.本發(fā)明具有鍛造溫度范圍寬，易于變形的特點(diǎn)，終鍛溫度可到800。C。圖1為本發(fā)明熱作模具鋼循環(huán)2000次后熱疲勞表面形貌照片；圖2為對(duì)比鋼種4Cr5MoSiVl循環(huán)2000次后熱疲勞表面形貌照片。具體實(shí)施例方式采用100kg中頻感應(yīng)爐，冶煉得到O80mm的電極棒，再經(jīng)電渣重熔冶煉，得到70Kg電渣錠，對(duì)電渣錠進(jìn)行1100120(TC保溫10小時(shí)的高溫均質(zhì)化處理，然后鍛成60mmX60mm方料，終鍛溫度800。C。實(shí)施例化學(xué)成分參見(jiàn)表l:表1單位質(zhì)量百分比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>經(jīng)過(guò)106(TC保溫2小時(shí)油冷至室溫淬火處理后進(jìn)行60(TC保溫2小時(shí)回火二次處理后的硬度如下表3實(shí)施例淬回火硬度<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>經(jīng)過(guò)106(TC保溫2小時(shí)油冷至室溫淬火處理后進(jìn)行60(TC保溫2小時(shí)回火二次處理后的橫向無(wú)缺口沖擊功如下表4實(shí)施例沖擊韌性<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>經(jīng)過(guò)106(TC保溫2小時(shí)油冷至室溫淬火處理后進(jìn)行60(TC保溫2小時(shí)回火二次處理后再經(jīng)60(TC保溫20小時(shí)回火處理后的硬度如下表5實(shí)施例熱穩(wěn)定性能<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從圖l可以看出，本發(fā)明熱作模具鋼在熱疲勞試驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的抗熱疲勞性能，.熱疲勞裂紋均勻、細(xì)小，而圖2所示，對(duì)比例的裂紋粗大。本發(fā)明的熱作模具鋼無(wú)缺口沖擊功達(dá)到300J以上，淬火硬度高達(dá)55HRC以上，600。C回火硬度高達(dá)45HRC以上，600°C回火20小時(shí)硬度仍保持40HRC以上，其強(qiáng)韌性、熱穩(wěn)定性和抗熱疲勞性能均高于目前廣泛使用的4Cr5MoSiVl熱作模具鋼，其優(yōu)良的強(qiáng)韌性有利于進(jìn)一步提高鋁合金壓鑄模具和熱擠壓模具的使用壽命。權(quán)利要求1.一種具有良好熱強(qiáng)性及高韌性的熱作模具鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為C0.28～0.35Si0.20～0.50Mn0.20～0.80Cr4.50～5.50Mo2.00～2.80V0.4～0.80P≤0.025S≤0.025Nb0.05～0.20N0.01～0.03余量為Fe和不可避免雜質(zhì)元素。全文摘要一種具有良好熱強(qiáng)性及高韌性的熱作模具鋼，其化學(xué)成分質(zhì)量百分比為C0.28～0.35、Si0.20～0.50、Mn0.20～0.80、Cr4.50～5.50、Mo2.00～2.80、V0.4～0.80、P≤0.025、S≤0.025、Nb0.05～0.20、N0.01～0.03、余量為Fe和不可避免雜質(zhì)元素。本發(fā)明的熱作模具鋼具有高的高溫強(qiáng)度同時(shí)又具有高韌性，因而提高熱作模具鋼的使用壽命。文檔編號(hào)C22C38/26GK101440456SQ20071017072公開(kāi)日2009年5月27日申請(qǐng)日期2007年11月21日優(yōu)先權(quán)日2007年11月21日發(fā)明者張洪奎,王慶亮,維續(xù)申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司