一種高強(qiáng)度高韌性熱作模具鋼及其制備方法
【專利摘要】一種高強(qiáng)度高韌性熱作模具鋼及其制備方法，屬于模具鋼【技術(shù)領(lǐng)域】。該鋼化學(xué)成分重量％為：C:0.30～0.40％，Si:0.20～0.40％，S≤0.006％，P≤0.01％，Mn:0.40～0.6％，Mo:1.70～2.20％，Cr:5.00～5.40％，V:0.50～0.60％，Co:0.50～0.60％，其余為Fe及不可避免的不純物。本發(fā)明鋼與現(xiàn)有熱作模具鋼種H13相比具有高強(qiáng)度、高韌性，綜合性能良好的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明鋼在1030℃淬火，540℃以上溫度回火，具有較高的回火硬度及強(qiáng)度，在保持較高硬度和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上具有與H13相比更高的沖擊韌性，以至于本發(fā)明鋼可以使用在需要更高的硬度的工作場(chǎng)合而不損失材料的韌性，特別適用于需要高強(qiáng)度、高韌性、高疲勞抗性的銅、鋁及其合金的壓鑄模具的制造，提高壓鑄模具的使用壽命。
【專利說明】一種高強(qiáng)度高韌性熱作模具鋼及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于模具鋼領(lǐng)域，特別涉及一種高強(qiáng)度高韌性熱作模具鋼及其制備方法。適用于制造熱擠壓、芯棒、鍛模、精鍛機(jī)用模具鑲塊、壓鑄等熱作模具，特別適用于需要高強(qiáng)度、高韌性、高疲勞抗性的銅、鋁及其合金的壓鑄模。
【背景技術(shù)】
[0002]模具是制造業(yè)的重要工藝裝備，用模具生產(chǎn)的制件所達(dá)到的高精度、高復(fù)雜程度、高一致性、高效率和低消耗是其他加工制造方法所不能比擬的，隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，為了降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，提高材料的利用率，國(guó)內(nèi)外制造業(yè)廣泛采用無切削、少切削的加工工藝。在模具的服役過程中，模具會(huì)由于以下三種原因失效，第一，由于沖擊載荷和反復(fù)的加熱與冷卻而導(dǎo)致的沖擊斷裂和熱疲勞裂紋；第二，由于高溫金屬流動(dòng)而導(dǎo)致?？?zé)嵛g磨損；第三，在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力交互作用下而引起的模腔尺寸磨損。在使用中，每個(gè)熱作模具都會(huì)出現(xiàn)熱疲勞裂紋，它是由每次沖擊時(shí)溫度周期性變化引起反復(fù)的變形所造成的模具中空表面的疲勞，它對(duì)模具壽命的限制被認(rèn)為是正常的，但經(jīng)一定次數(shù)的沖擊后，裂紋變粗，使得鑄件表面光潔度不能滿足要求，這個(gè)時(shí)候模具就報(bào)廢了。高的熱硬性、強(qiáng)度、抗回火軟化性、熱導(dǎo)率及較低的熱膨脹系數(shù)對(duì)提高熱作模具鋼的抗熱裂性能有較大作用。因此，使用高硬度、強(qiáng)度的模具材料可以延緩熱疲勞裂紋的出現(xiàn)時(shí)間，但硬度、強(qiáng)度過高，模具容易出現(xiàn)大裂紋及整體斷裂，這個(gè)時(shí)候模具完全報(bào)廢，甚至?xí)l(fā)生工業(yè)事故。較高的韌性可以阻止熱疲勞裂紋向模具內(nèi)部延伸，因此為了減少熱裂傾向和增強(qiáng)產(chǎn)生粗裂紋的抗力，高而各向同性的塑性和韌性是非常重要的。傳統(tǒng)的H13鋼是一種使用范圍較廣的熱作模具鋼，該鋼強(qiáng)、韌性高，但使用溫度范圍有限制，并不一定適合所有的熱作模具應(yīng)用場(chǎng)合，如果在保持相當(dāng)?shù)臒釓?qiáng)性的同時(shí)能提高韌性，就可以擴(kuò)展該模具材料的使用范圍，同時(shí)提高模具的使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)度高韌性熱作模具鋼及其制備方法，能替代傳統(tǒng)H13鋼，熱強(qiáng)性和韌性、回火穩(wěn)定性均超過Hl3鋼的熱作模具鋼。
[0004]根據(jù)上述目的，本發(fā)明鋼參照美國(guó)的S7等鋼種，在H13(4Cr5MoSiVl)的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低合金元素S1、V的含量,加入少量的Mo及Co,使該鋼種綜合性能超越H13鋼。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:(I)降低Si和V含量，減小材料中一次碳化物數(shù)量，使材料具有更高的韌性；(2)適當(dāng)增加碳化物形成元素Mo、W、Nb含量，以彌補(bǔ)V含量降低帶來的高溫強(qiáng)度缺失，同時(shí)也改善淬火過程中的晶粒級(jí)別，提高二次硬化效果，回火過程析出納米級(jí)Mo2C，提高材料高溫強(qiáng)度；⑶適量增加Co的含量，增加Co元素的固溶量，以彌補(bǔ)低Si含量的強(qiáng)化作用缺失，同時(shí)進(jìn)一步提高材料的高溫強(qiáng)度。雖然本發(fā)明鋼中所添加的合金元素為熱作模具鋼中經(jīng)常加入的合金元素，但各元素變動(dòng)范圍是經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的，本發(fā)明鋼的最終成分為相同合金含量的熱作模具鋼中綜合性能最優(yōu)的成分配比。[0005]根據(jù)上述目的和整體技術(shù)方案，本發(fā)明具體的技術(shù)方案為:
[0006]本發(fā)明鋼的具體化學(xué)成分(重量％ )為:碳C:0.30~0.40%，硅S1:0.20~0.40%，硫 S ≤ 0.006%，磷 P ≤ 0.01 %，錳 Μη:0.40 ~0.6%，鑰 Mo: 1.50 ~2.20%，鉻Cr: 5.00~5.40%，釩V:0.50~0.60%，鈷Co:0.50~0.60%，其余為Fe及不可避免的不純物。
[0007]作為優(yōu)選，按重量百分比計(jì)該模具鋼包括--碳C:0.34~0.39%，硅S1:0.20~0.40%，硫 S ≤ 0.006%，磷 P ( 0.01 %，錳 Μη:0.40 ~0.6%，鑰 Mo: 1.70 ~2.20%，鉻Cr:5.00~5.40%，釩V:0.50~0.60%，鈷Co:0.50~0.60%，其余為Fe及不可避免的不純物。
[0008]作為優(yōu)選，該模具鋼還包括:0.2%以下的鈮。
[0009]作為優(yōu)選，該模鋼還包括O~I %的鶴W,并且化學(xué)成分含量還應(yīng)滿足:1.5 %(ff+Mo d。
[0010]上述各元素的作用及配比依據(jù)如下，以下說明中表示“質(zhì)量百分比”:
[0011]C:鋼中含碳量決定淬火鋼的基體硬度，對(duì)熱作模具鋼而言，鋼中的碳一部分進(jìn)入鋼的基體中引起固溶強(qiáng)化。另外一部分碳將和合金元素中的碳化物形成元素結(jié)合成合金碳化物。對(duì)熱作模具鋼，這種合金碳化物除少量殘留的以外，還要求它在回火過程中在淬火馬氏體基體上彌散析出產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象，從而由均勻分布的殘留合金碳化物和回火馬氏體組織來決定熱作模具鋼的性能。國(guó)內(nèi)外關(guān)于低碳馬氏體的大量研究表明:若要獲得較好的綜合機(jī)械性能，鋼中碳量要控制在0.34-0.39%。
[0012]S1:硅作為鋼中的合金元素，以固溶體形態(tài)存在于鐵素體或奧氏體中，不形成碳化物，提高退火、正火和淬火溫度，提高淬透性。由于硅對(duì)偏析有促進(jìn)作用，易使鋼中形成帶狀組織，使橫向性能低于縱向，因此，在H13鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低硅含量，本發(fā)明鋼中硅的含量控制在0.20~0.40%。
[0013]S:硫在鋼中易與錳結(jié)合，形成非金屬夾雜物MnS，通常在熱加工過程中沿加工方向被拉長(zhǎng)成為條狀，對(duì)鋼材的橫向韌性產(chǎn)生較大的影響，降低鋼的等向性能，硫元素在熱作模具鋼中經(jīng)常被認(rèn)為是有害元素，因此，在冶金條件允許的情況下應(yīng)盡量降低，本發(fā)明鋼中硫含量應(yīng)控制在0.006%以下。
[0014]P:磷在鋼液凝固時(shí)形成微觀偏析，隨后在奧氏體化溫度加熱時(shí)偏聚在晶界，使鋼的脆性顯著增大?？刂屏椎暮吭?.01 %以下，并且含量越低越好。
[0015]Mn:除了能提高淬透性之外，還可以消除硫的有害影響，本發(fā)明中控制Mn含量在0.4-0.6%。
[0016]Mo、W:鑰和鎢均是強(qiáng)碳化物形成元素，在鋼中可提高鋼的淬透性，同時(shí)在鋼中形成特殊的碳化物，提高鋼的二次硬化能力和回火穩(wěn)定性，本發(fā)明鋼中，為了控制VC一次碳化物的數(shù)量，釩含量降低，為了不影響鋼的二次硬化能力，適當(dāng)提高鑰元素的含量(1.70~
2.20%)，加入部分鎢能起到提高熱強(qiáng)性的作用。實(shí)驗(yàn)證明，增加的鑰更多的與碳結(jié)合，在回火時(shí)析出更多細(xì)小短桿狀Mo2C碳化物，對(duì)提高本發(fā)明鋼的回火穩(wěn)定性起了很大的作用。
[0017]Nb:鈮是強(qiáng)碳化物形成元素，和碳固溶度積很小，很容易形成非常穩(wěn)定的MC型碳化物。鈮和釩具有很多相似的特性，因此，Nb和V的復(fù)合作用增加了 V的效果。另外，Nb還有細(xì)化晶粒，細(xì)化鑄態(tài)組織的作用。但在熱作模具鋼中Nb易于凝固過程中形成大塊液析碳化物，對(duì)韌性不利，因此，本發(fā)明鋼中Nb控制在0.2%以下。
[0018] Cr:鉻形成碳化物，熱作模具鋼中可提高鋼的淬透性和抗高溫磨損性能。淬火加熱時(shí)鉻溶于奧氏體，淬火后固溶于馬氏體中，可以提高鋼的抗回火軟化能力，回火時(shí)由基體中析出，一般形成Cr23C6合金碳化物，隨著回火溫度的升高及時(shí)間的延長(zhǎng)有粗化的趨勢(shì)，本發(fā)明鋼使用同Hl3鋼相當(dāng)?shù)你t含量5.00-5.40%。
[0019]V:銀可以降低鋼的過熱敏感傾向。少量的釩能使鋼晶粒細(xì)化，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硎固蓟飶浬⑽龀鰰r(shí)，釩可提高鋼的高溫持久強(qiáng)度和蠕變抗力，在低合金鋼中加入0.1-0.3%的釩就有明顯的效果。馬氏體鋼中，釩含量達(dá)到0.5%就可以產(chǎn)生足夠的二次硬化效應(yīng)。釩含量過高，將增加鋼中一次碳化物VC的形成機(jī)率，一次碳化物的大量存在將顯著影響鋼的韌性，降低熱作模具鋼抵抗大裂紋的能力。H13鋼中的釩含量在0.80-1.2%，在本發(fā)明鋼中釩含量控制在0.50~0.60%
[0020]Co:鈷主要固溶在基體中，在鋼中幾乎不形成碳化物，只有極少量的鈷原子能進(jìn)入到析出相中，因此，高溫下鈷主要起固溶強(qiáng)化作用。鈷在回火或使用過程中阻止、延緩其它元素特殊碳化物的聚集，本發(fā)明鋼中，Co的加入對(duì)延緩Cr碳化物聚集粗化有一定作用，因此，可以提高熱作模具鋼的回火穩(wěn)定性。鈷是本發(fā)明鋼特別重要的元素，含量控制在
0.50 ~0.60%。
[0021]本發(fā)明的制備方法是鍛造及退火工藝中控制的技術(shù)參數(shù)如下:
[0022]鍛造:1140~1180°C加熱保溫I小時(shí)(請(qǐng)給出保溫時(shí)間的參數(shù)范圍)，1100~1150°C開鍛，終鍛溫度不得低于900°C，以≤300C /h緩冷至室溫；
[0023]退火工藝:400°C熱裝入爐，880°C保溫5小時(shí)，以小于30°C的冷速爐冷至500°C，出
爐空冷。
[0024]本發(fā)明鋼與現(xiàn)有熱作模具鋼種H13相比具有高強(qiáng)度、高韌性，綜合性能良好的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明鋼在1030°C淬火，540°C以上溫度回火，具有較高的回火硬度及強(qiáng)度，在保持較高硬度和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上具有與H13相比更高的沖擊韌性，以至于本發(fā)明鋼可以使用在需要更高的硬度的工作場(chǎng)合而不損失材料的韌性，特別適用于需要高強(qiáng)度、高韌性、高疲勞抗性的銅、鋁及其合金的壓鑄模具的制造，提高壓鑄模具的使用壽命。
【具體實(shí)施方式】
[0025]根據(jù)上述所設(shè)計(jì)的化學(xué)成分范圍，在25Kg真空感應(yīng)爐上冶煉了 4爐本發(fā)明鋼和I爐對(duì)比鋼(H13)，其具體化學(xué)成分如表1所示。鋼水澆鑄成錠，并經(jīng)1140~1180°C加熱保溫，1100~11501:開鍛，終鍛溫度≥9001:，緩冷至室溫，制成016皿1，口 15_棒材。本發(fā)明鋼與對(duì)比鋼同時(shí)于400 V熱裝入爐，880 V保溫5小時(shí)，以小于30 V的冷速爐冷至500 V。退火后，加工成試樣，經(jīng)淬、回火處理(1030°C淬火，510~650°C回火)，其室溫力學(xué)性能見表2~5。
[0026]本發(fā)明鋼
[0027]1、經(jīng)1030°C淬火，570°C、60(TC高溫回火后，本發(fā)明鋼硬度高于對(duì)比鋼，其余溫度回火硬度與對(duì)比鋼相當(dāng)(見表2).[0028]2、經(jīng)1030°C淬火，各溫度高溫回火后，本發(fā)明鋼抗拉強(qiáng)度與對(duì)比鋼相當(dāng)(見表3)
[0029]3、經(jīng)淬、回火后，本發(fā)明鋼沖擊韌性高于對(duì)比鋼(見表4)[0030]4、經(jīng)淬火、回火處理(淬、回火工藝1030°C X30min油冷淬火+600°C X2h空冷回
火兩次)后，本發(fā)明鋼具有更強(qiáng)的紅硬性、抗回火軟化能力(見表5)。
[0031]表1本發(fā)明鋼實(shí)施例與對(duì)比鋼的化學(xué)成分，重量％
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種高強(qiáng)度高韌性熱作模具鋼，其特征在于，化學(xué)成分重量％為:碳C:0.30~0.40%，硅 S1: 0.20 ~0.40%，硫 S ≤0.006%，磷P ≤ 0.01 %，錳 Mn: 0.40 ~0.6 %，鑰Mo: 1.50 ~2.20%，鉻 Cr: 5.00 ~5.40%，釩 V:0.50 ~0.60%，鈷 Co:0.50 ~0.60%，其余為Fe及不可避免的不純物。
2.如權(quán)利要求1所述的熱作模具鋼，其特征在于，碳C:0.34~0.39%，鑰Mo: 1.70~2.20%。
3.如權(quán)利要求1或2所述的熱作模具鋼，其特征在于，化學(xué)成分還包括:0.2%以下的鈮Nb。
4.如權(quán)利要求1或2所述的熱作模具鋼，其特征在于，還包括O~I%的鎢W，并且化學(xué)成分含量還應(yīng)滿足:1.5%≤ff+Mo ≤2.5%。
5.一種權(quán)利要求1~4所述的熱作模具鋼的制備方法，其特征在于，在鍛造及退火工藝中控制的技術(shù)參數(shù)如下: 鍛造:1140~1180°C加熱保溫I小時(shí)，1100~1150°C開鍛，終鍛溫度不得低于900°C，以≤300C /h緩冷至室溫；退火工藝:400°C熱裝入爐，880°C保溫5小時(shí)，以小于30°C的冷速爐冷至500°C，出爐空冷。
【文檔編號(hào)】C21D1/18GK103938096SQ201410175366
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】馬黨參, 周健, 遲宏宵 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院