專利名稱：高錳低鉻型高強(qiáng)韌性熱作模具鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高錳低絡(luò)型高強(qiáng)度熱作模具鋼及其制備方法，該模具鋼不僅具有 高的熱穩(wěn)定性，而且有良好的韌性和熱疲勞性能，屬合金鋼制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
熱作模具鋼的工況條件復(fù)雜，在工作時(shí)需長(zhǎng)時(shí)間與加熱的坯料甚至液態(tài)金屬相接 觸，當(dāng)熾熱的金屬放入熱作模具型腔時(shí)，型腔表面急劇升溫，表層產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓應(yīng) 變；當(dāng)金屬件取出時(shí)，型腔表面由于急劇降溫而受到拉應(yīng)力和拉應(yīng)變作用，極易產(chǎn)生 熱疲勞等，并且熱作模具鋼在服役過程中，還要受到較大沖擊載荷。因此要求模具材 料具有高的熱強(qiáng)度、高溫硬度、沖擊韌性、淬透性和好的熱穩(wěn)定性和抗冷熱疲勞性能 等。目前被廣泛應(yīng)用的熱作模具鋼包括鎢系3Cr2W8V、鉻系H13以及應(yīng)用于熱鍛模的 5CrNiMo、 5CrMnMo等。鎢系的3Cr2W8V雖然具有較高的回火抗力和高的熱強(qiáng)性， 但其塑韌性、導(dǎo)熱性以其熱疲勞性能較差；5CrNiMo和5CrMnMo的熱強(qiáng)性較低，容 易造成模具工作部分的塌陷。由于熱作模具鋼的工作條件的特殊性以及當(dāng)前模具鋼的 發(fā)展現(xiàn)狀，在目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高強(qiáng)韌性和優(yōu)良熱疲勞性能模具鋼需求不斷提高的基礎(chǔ) 上，本發(fā)明開發(fā)了具有高熱穩(wěn)定性、良好沖擊韌性和熱疲勞性能的熱作模具鋼。
該熱作模具鋼通過加熱至100(TC—110(rC奧氏體化后，促使合金元素大量溶入基 體，提高合金度，增強(qiáng)固溶強(qiáng)化效果。同時(shí)，在進(jìn)行回火過程中，彌散析出的第二相 粒子通過沉淀強(qiáng)化，提高材料強(qiáng)韌性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高錳低鉻型高強(qiáng)韌性熱作模具鋼。
本發(fā)明的另一 目的是提供一種高錳低鉻型高強(qiáng)韌性熱作模具鋼的制備方法。
本發(fā)明熱作模具鋼的特征在于具有以下的成分及重量百分比
C 0.3 0.6%， Si 0.1 0.5%，
Mn 0.5 1.5%， Cr 1.5 4.0%，
Mo 1.0 3.0%， V 0.4 1.3%，
W 0.5 2.0%， P <0.02%，
S <0.02%， Fe 余量。上述高錳低鉻型高強(qiáng)度熱作模具鋼的制備方法，其特征在于該方法具有以下的工 藝過程和步驟
a.采用感應(yīng)熔煉或電弧爐熔煉按高錳低鉻型高強(qiáng)韌性熱作模具鋼的化學(xué)成分 及重量百分比C0.3 0.6%， Si0.1 0.5%， Mn0,5 1.5%， Crl.5 4線 Mol.0 3,0%， V0.4 1.3%， W0.5 2.0%， P<0.02o/o， S<0.02%， Fe余量， 配料后放入熔煉爐中，進(jìn)行熔煉。
b. 電渣重熔將熔煉澆濤出的電渣錠放到電渣重熔裝置中，進(jìn)行電渣重熔。
c. 高溫均質(zhì)化處理將電渣重熔后的鋼錠加熱至1200 1280'C進(jìn)行高溫均質(zhì)化 處理，保溫8 10小時(shí)，均勻組織，消除成分偏析，然后埋砂冷卻。
d. 鍛造將上述鋼錠加熱至1100 1150。C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行鍛造加工；終鍛溫度 >850。C。
e. 退火材料在鍛造后，在830 85(TC下進(jìn)行退火，退火時(shí)間為6 10小時(shí)。
f. 淬回火熱處理加熱至1000 110(TC進(jìn)行奧氏體化，采用油淬或高壓氣淬； 隨后進(jìn)行580 640'C兩次回火，每次回火時(shí)間為2 4h。
本發(fā)明的熱作模具鋼其成分設(shè)計(jì)的理論依據(jù)如下所述
本熱作模具鋼與傳統(tǒng)鉻系熱作模具鋼相比，降低了Cr的含量，增加了Mn的含量， Mn作為一種弱碳化物形成元素，在奧氏體化的過程中，大部分溶入到了基體當(dāng)中， 提高了基體中的合金含量，加強(qiáng)了固溶強(qiáng)化作用，從而提高基體的強(qiáng)度，更好的抵抗 材料的熱循環(huán)應(yīng)力，提高了熱疲勞抗力，剩余的一小部分形成了M3C型的碳化物，同 樣強(qiáng)化了基體。由于V與碳的親和力強(qiáng)，有效的降低了碳的活度，在回火過程中降低 了馬氏體的分解速度，推遲了奧氏體的轉(zhuǎn)變，而且V形成MC型的碳化物，細(xì)小彌散， 不易聚集長(zhǎng)大，在回火過程中，增強(qiáng)了二次硬化效果，極大的提高了鋼的熱穩(wěn)定性和 沖擊韌性。Cr在熱作模具鋼中主要形成Cr23C6型碳化物，這類碳化物極易粗化長(zhǎng)大， 大塊的碳化物降低材料的熱穩(wěn)定性，同時(shí)容易成為疲勞裂紋源，有可能在晶界產(chǎn)生偏 聚，降低材料的熱疲勞抗力，本熱作模具鋼的鉻含量較低，減少了大塊碳化物的生成， 同時(shí)錳的加入提高材料的淬透性，使得材料不會(huì)因鉻的降低而降低淬透性。
本發(fā)明熱作模具鋼在經(jīng)過淬回火處理后，其熱穩(wěn)定性高于目前應(yīng)用廣泛的具有良 好熱強(qiáng)性的熱作模具鋼3Cr2W8V，并且具有良好的沖擊韌性和熱疲勞性能。


圖1為本發(fā)明熱作模具鋼在620'C下與3Cr2W8V鋼熱穩(wěn)定性數(shù)據(jù)對(duì)比。 圖2為本發(fā)明熱作模具鋼經(jīng)過105(TC淬火后，回火溫度與硬度關(guān)系曲線。 圖3為本發(fā)明熱作模具鋼與3Cr2W8V鋼的熱疲勞裂紋照片對(duì)比。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實(shí)施例敘述于下。
實(shí)施例1
本實(shí)例中，采用熱作模具鋼的組成成分及其重量百分比如下
C 0.41%， Si0.33%, Mn0.99%, Cr 2.36%， Mo 1.61%， V 1.02%， W1.53% P 0.01%， S0.01%， Fe 余量。
本實(shí)施例中，熱作模具鋼的工藝過程和步驟如下
a. 感應(yīng)熔煉按上述的合金元素配比在感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉，熔煉溫度大于1500 °C，而后澆鑄成①80咖鋼錠并空冷；
b. 電渣重熔將澆濤后的鋼錠作為自耗電極放置于電渣重熔裝置中，進(jìn)行電渣重 熔，液體金屬經(jīng)過渣池的渣層下落至下面的水冷結(jié)晶器中，再重新凝固成鋼錠；
c. 高溫勻質(zhì)化將電渣重熔后的鋼錠加熱至125(TC進(jìn)行高溫均質(zhì)化處理，保溫
IO小時(shí)，均勻組織，消除成分偏析；
d. 鍛造將上述鋼錠加熱至1100 1150。C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行鍛造加工；終鍛溫度
》850°C。鍛造成80mmX 80mm的方料和①20咖的圓料；
e. 退火將鍛造后的鋼料放入加熱爐中退火，退火溫度為840°C，退火時(shí)間為8h。
f. 淬回火處理淬火溫度105(TC，采用油淬，在600'C進(jìn)行兩次回火，每次回火 2小時(shí)。
本發(fā)明熱作模具鋼經(jīng)過上述熱處理后，進(jìn)行性能測(cè)試
(1) 淬火硬度54.5HRC;回火硬度50.5HRC
(2) 沖擊韌性實(shí)驗(yàn)
在坯料上取橫向沖擊試樣，試樣尺寸為7mmX10mmX55mm (采用北美壓鑄 協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn))。
室溫沖擊功值270J。
(3) 熱穩(wěn)定性
本發(fā)明熱作模具鋼在62(TC條件下與3Cr2W8V進(jìn)行穩(wěn)定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)，3Cr2W8V
鋼經(jīng)過淬回火處理之后使其硬度值與本發(fā)明鋼一樣，均為50.5HRC，試驗(yàn)結(jié)果如附圖 l所示。由附圖1可見，雖然實(shí)驗(yàn)開始前本發(fā)明熱作模具鋼與3Cr2W8V硬度值一致， 但在62(TC下，從進(jìn)行20個(gè)小時(shí)熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)硬度變化情況來看，本發(fā)明的熱作模 具鋼從熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)開始，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，其硬度值均高于傳統(tǒng)的熱作模具鋼 3Cr2W8V。經(jīng)過20小時(shí)之后，本發(fā)明熱作模具鋼的硬度保持在44HRC，而3Cr2W8V 的硬度值39.2HRC,高出3Cr2W8V約5個(gè)HRC，其熱穩(wěn)定性優(yōu)于3Cr2W8V。 (4)熱疲勞性能測(cè)試 在70(TC條件下進(jìn)行冷熱循環(huán)，經(jīng)過3000次后，對(duì)比本發(fā)明熱作模具鋼與3Cr2W8V 鋼的熱疲勞表面形貌(如附圖3所示)。由圖中可見，本發(fā)明熱作模具鋼熱疲勞實(shí)驗(yàn) 后，表面裂紋十分均勻、細(xì)小，在表面上沒有看到比較大的主裂紋的形成。而3Cr2W8V 的表面裂紋成網(wǎng)狀，且其中存在幾條寬度較大的的主裂紋，裂紋之間相互貫通，呈開 裂狀。二者對(duì)比可以看出，本發(fā)明熱作模具鋼的熱疲勞性能強(qiáng)于3Cr2W8V鋼。
權(quán)利要求
1. 一種高錳低鉻型高強(qiáng)韌性熱作模具鋼，其特征在于該鋼的化學(xué)成分及重量百分比為C 0.3～0.6％，Si 0.1～0.5％，Mn 0.5～1.5％，Cr 1.5～4.0％，Mo 1.0～3.0％，V 0.4～1.3％，W 0.5～2.0％，P<0.02％，S<0.02％，F(xiàn)e余量。
2. —種用于如權(quán)利要求1所述的高錳低鉻型高強(qiáng)韌性熱作模具鋼的制備方法，該方 法具有以下的工藝過程和步驟1) 按高錳低鉻型高強(qiáng)韌性熱作模具鋼的化學(xué)成分及重量百分比C 0.3 0.6%， Si 0.1 0.5o/o， Mn0.5 l,5%， Cr l,5 4,0o/o， Mo 1.0 3.0%， V0.4 1.3%， W0.5 2.0%， P<0.02%， S<0.02%， Fe余量，配料、感應(yīng)熔煉或電弧爐熔煉、然后進(jìn) 行電渣重烙；2) 高溫均質(zhì)化處理均質(zhì)化溫度為1200 1280°C，勻質(zhì)化時(shí)間為8 10h;然后鍛 造加熱至1100 115(TC溫度范圍內(nèi)進(jìn)行鍛造加工，終鍛溫度》85(TC;退火 退火溫度為830 850°C，退火時(shí)間為6 10h;3) 淬火回火熱處理加熱至1000 1100'C進(jìn)行奧氏體化，采用油淬或高壓氣淬；隨 后進(jìn)行580 64(TC兩次回火，每次回火時(shí)間為2 4h。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高錳低鉻型高強(qiáng)韌性熱作模具鋼，屬合金鋼制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。該鋼的成分及重量百分比為C 0.3～0.6％，Si 0.1～0.5％，Mn 0.5～1.5％，Cr 1.5～4.0％，Mo 1.0～3.0％，V 0.4～1.3％，W 0.5～2.0％，P＜0.02％，S＜0.02％，F(xiàn)e余量。本發(fā)明熱作模具鋼的制備過程如下配料、感應(yīng)熔煉、澆濤，然后電渣重熔；在1200～1280℃，勻質(zhì)化處理8～10h，然后鍛造、退火，將其加熱至1000～1100℃進(jìn)行奧氏體化，經(jīng)過油淬或高壓氣淬后，在580℃～640℃進(jìn)行兩次回火。本發(fā)明的熱作模具鋼具有高的熱穩(wěn)定性、高的熱強(qiáng)性、以及良好的熱疲勞性能。
文檔編號(hào)C21D8/00GK101392353SQ200810201979
公開日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者呂廣奇, 吳曉春, 偉 張, 閔永安, 陳英偉 申請(qǐng)人:上海大學(xué)