一种新型铬系热作模具钢及其热处理工艺

摘要

本发明新型铬系热作模具钢属于一种热作模具钢，特别是涉及一种含钨很低的热作模具钢及其热处理工艺。按重量百分比计包括：碳C 0.35～0.7％，硅Si 0.3～1.3％，锰Mn0.3～1.3％，铬Cr 7.0～11.0％，钨W 0.4～1.2％，钼Mo 0.4～1.2％，钒V 0.4～1.2％，镍Ni 1.0％，硫S≤0.005％，磷P≤0.030％，硼B 0.03％－0.10％，氮化物含量的范围为0.02％≤氮化物≤0.20％，0.02％≤氮N≤0.10％，其余量为铁Fe。本发明钢的晶粒更细化，产生了耐热性、耐韧性、抗压强度都大大增加的效果，是现有模具钢的三倍以上的耐用次数。本发明还提供了该钢淬火温度为1020℃～1050℃这种较低温度的热处理工艺。

说明书

技术领域

本发明属于一种热作模具钢，特别是涉及一种用大量使用铬Cr，减少使用钼Mo、钒V的热作模具钢及其热处理工艺。

背景技术

热作模具钢要求材料具有高的淬透性、高的高温强度、高的耐磨性、高的韧度、高的抗热裂能力和高的耐熔损性能等。在美国，热作模具钢分为三种：铬热作模具钢、钨热作模具钢和钼热作模具钢，都冠以H字母，分别表示为H10～H19、H21～H26和H42、H43等。其中前两种钢的含碳量在(0.30～0.50)％范围，后种钢的含碳量在(0.50～0.70)％范围内，三种钢的Cr、W、Mo和V合金元素的总含量在(6～25)％范围。H13钢是使用最广泛和最具代表性的热作模具钢种，它的主要特性是(1)具有高的淬透性和高的韧性；(2)优良的抗热裂能力，在工作场合可予以水冷；(3)具有中等耐磨损能力，还可以采用渗碳或渗氮工艺来提高其表面硬度，但要略为降低抗热裂能力；(4)因其含碳量较低，回火中二次硬化能力较差；(5)在较高温度下具有抗软化能力，但使用温度高于540℃(1000°F)硬度出现迅速下降(即能耐的工作温度为540℃)；(6)热处理的变形小；(7)中等和高的切削加工性；(8)中等抗脱碳能力。更为令人注意的是，它还可用于制作航空工业上的重要构件。

H13钢是C-Cr-Mo-Si-V型钢，在世界上的应用极其普遍，同时各国许多学者对它进行了广泛的研究，并在探究化学成分的改进。钢的应用广泛和具有优良的特性，主要由钢的化学成分决定的。当然钢中杂质元素必须降低，有资料表明，当Rm在1550MPa时，材料含硫量由0.005％降到0.03％，会使冲击韧度大大提高约。

我国GB/T 1299和YB/T 094中4Cr5MoSiV1和SM 4Cr5MoSiV1的含碳量为(0.32～0.42)％和(0.32～0.45)％。H13钢的淬火硬度在55HRC左右。

人们对0.4％C-5％Cr-1％Mo-1％Si-V的H13钢的化学成分有较明确的认识。

中国专利申请200610029825.1《H13钢真空控时急冷热处理工艺》本公开了一种H13钢真空控时急冷热处理工艺，该热处理工艺包括加热保温、淬火、回火，加热保温后的淬火采用的淬火介质为含5～10％NaCl的盐水，淬火处理时间为1～5分钟。该发明采用了特殊的控时急冷工艺手段，既避免了盐水淬火中产生开裂的危险，又大大提高淬火质量，有效地提高了H13钢回火后的冲击韧性，从而大大提高模具的使用寿命，但没有改变各种材料的配合比例，材料成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种比现有热作模具钢H13的耐热性和韧性硬好的，成本较低，更耐用的热作模具钢。

本发明的第二次目的是提供本发明这种热作模具钢的热处理工艺。

本发明的技术方案是：

本发明的一种新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.35～0.70％，硅Si 0.30～1.30％，锰Mn 0.30～1.30％，铬Cr 7.00～11.00％，

钨W 0.40～1.20％，钼Mo 0.40～1.20％，钒V 0.40～1.00％，镍Ni 0.10～1.00％，

硫S≤0.005％，磷P≤0.03％，其余量为铁Fe。本发明新型铬系热作模具钢自定名为45Cr10Si1Mn1WMoV Ni。

作为优选，上述新型铬系热作模具钢按重量百分比计包括：

碳C 0.35～0.55％，硅Si 0.60～1.00％，锰Mn 0.60～1.00％，铬Cr 8.00～10.00％，

钨W 0.40～0.80％，钼Mo 0.40～0.80％，钒V 0.40～0.70％，镍Ni 0.30～0.70％，

硫S≤0.005％，磷P≤0.03％，其余量为铁Fe。

作为最优选取值，上述新型铬系热作模具钢按重量百分比计包括：

碳C 0.45％，硅Si 0.80％，锰Mn 0.80％，铬Cr 9.00％，

钨W 0.60％，钼Mo 0.60％，钒V 0.50％，镍Ni 0.30％，

硫S≤0.005％，磷P≤0.030％，其余量为铁Fe

作为优选，上述一种新型铬系热作模具钢中还包括按重量百分比计还包括硼B含量的范围为0.03％--0.10％。

作为优选，上述一种新型铬系热作模具钢中还包括按重量百分比计还包括微量的氮化物0.02％≤氮化物≤0.20％，氮化物包括：BN、AlN、FeN、CrN、MnN、TiN、VN的一种或全部；还包括微量的氮N，0.02％≤氮N≤0.10％。

作为优选，上述一种新型铬系热作模具钢中还包括按重量百分比计还包括0.30％的铌Nb，0.30％以下的钛Ti，0.05％以下的稀土元素。

上述任何配合比，任何优选配合比的新型铬系热作模具钢的热处理工艺，包括以下步骤：

(1)、预加热：将全部原料预加热温度为580℃～620℃，预加热时间为50～70分钟；

(2)、淬火加热：淬火加热温度为1020℃～1050℃，采用油冷却或者空气冷却或者盐浴冷却，淬火时间为20～30分钟；

(3)、回火：回火温度为480℃～500℃，然后空气冷却至室温。

作为优选，预加热后，还进行第二次预加热，然后进行淬火，第二次预加热温度850℃～900℃，第二次预加热时间为40～50分钟；第一次回火空气冷却后，再进行第二次回火，第二次回火温度480℃～500℃，然后空气冷却至室温。

作为优选，第二次回火空气冷却至室温后，再进行第三次回火，第三次回火温度400℃～420℃，然后空气冷却至室温。

本发明一种新型铬系热作模具钢主要组份范围确定的理由如下：

碳C：是控制马氏体强度的关键因素，也是影响韧性的主要因素。国内外关于低碳马氏体的大量研究表明：若要获得较好的综合机械性能，钢中碳量要控制在0.70％-0.30％。

硅Si：硅的加入可提高钢的淬透性和基体强度。硅溶于α-Fe中，使其强化，并提高α-Fe转变r-Fe的转变温度及高温抗氧化能力。硅是不溶于碳化物，但能提高回火时析出特殊碳化物的弥散度；近期研究表明：加入适量的硅可以改善钢的韧性，在以碳化物为强化相的热作模具钢中，硅量一般以0.2-1.0％为宜。

锰Mn：除了能提高淬透性之外，还可以消除硫的有害影响。它的含量，一般控制在0.2-0.8％。

铬Cr：铬形成碳化物，可提高钢的淬透性。淬火加热时铬溶于奥氏体，淬火后固溶于马氏体中，可以提高钢的抗回火能力。热作模具钢中，α-Fe中铬含量少于2％时，随着铬含量的增加，高温强度随之上升，但铬含量大于2％时，高温强度将随铬含量的增加反而下降。同时，还会引起碳化物偏析，将导致降低冲击韧性。一般讲，热作模具钢，铬含量应控制2％为宜。

钨W和钼Mo：钨的加入在多元复合合金化的热作模具钢中，可以明显地降低钢的过热敏感倾向，并提高钢的热稳定性。但钨的含量超过2.0-3.0％，钢的热强性不会再有明显提高，反而会使韧性下降。一般应控制在1％左右。钼的加入，可以提高钢的淬透性与热强性，又可以防止第二类回火脆性。但钼加入过多，会造成钼碳化物偏析，在回火过程中沿晶界呈针状或网状析出，影响钢的韧性。在高韧性热作模具钢中，钼含量以0.6-1％为宜。

钒V：钒可以降低钢的过热敏感倾向。在低合金钢中加入0.1-0.3％的钒就有明显的效果。马氏体钢中，钒含量达到0.5％就可以产生足够的二次硬化效应。钒量过高，在二次硬化温度范围内回火，钢的塑性、韧性将明显下降，故钒加入量不能超过1％。

镍Ni：镍为非碳化合物形成元素，可提高钢的淬透性。对钢的强度与韧性，均有良好作用。但过量镍会促使沿奥氏体晶界析出碳化物，这会导致基体中合金元素含量降低，使钢热强性下降。大型锤锻模具钢镍含量一般不会超过1.5％。

钴Co、铌Nb、钛Ti：铌可形成稳定性很高的NbC，在1050℃刚刚开始溶入奥氏体中，因此抑制晶粒长大，可提高热强性和高韧性。钻的加入可显著提高耐氧化性和红硬性(耐磨性能好)。加入3％的钴，可大大提高其钢的耐磨性能。钛在钢中的作用，就是在高温时，避免晶粒粗化，因此可以强化钢的基体，又能提高钢的韧性。

硫S与磷P：由原材料带入的有害元素，属于尽量控制在少含量范围的元素。

本发明的优点：本发明新型铬系热作模具钢45Cr10Si1Mn1WMoVNi比较现有热作模具钢H13大量减少了价格昂贵钼Mo的含量，大量增加铬Cr的含量，少量增加了钨W、镍Ni的含量，其原料成本比现有热作模具钢H13成本更低，但晶粒更细化，产生了耐热性、耐韧性、抗压强度都大大增加的效果，经过大量实践证明，用本发明新型铬系热作模具钢45Cr10Si1Mn1WMoV Ni作的模具是现有热作模具钢H13相同模具的二倍以上的耐用次数。大量使用铬Cr，减少使用钼Mo、钒V，材料本成比模具钢H13低很多，并且韧性和耐磨性大幅程度提高，硬度在55～61HRC。

附图说明

图1是发明新型铬系热作模具钢热处理工艺曲线图；

具体实施方式

实施例1

本发明的一种新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.45％，硅Si 0.80％，锰Mn 0.80％，铬Cr 9.00％，

钨W 0.60％，钼Mo 0.60％，钒V 0.50％，镍Ni 0.30％，

硫S≤0.005％，磷P≤0.030％，其余量为铁Fe。

上述新型铬系热作模具钢热处理工艺的步骤如下：

(1)、预加热：预加热温度为580℃～620℃，预加热时间为50～70分钟；

(2)、淬火加热：淬火加热温度为1020℃～1050℃，采用油冷却或者空气冷却或者盐浴冷却，淬火时间为20～30分钟；

(3)、回火：回火温度为480℃～500℃，然后空气冷却至室温。

实施例2

本发明的一种新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.35％，硅Si 0.30％，锰Mn 0.30％，铬Cr 7.00％，

钨W 0.40％，钼Mo 0.40％，钒V 0.40％，镍Ni 0.10％，

硫S≤0.005％，磷P≤0.030％，铌Nb0.30％，钛Ti0.30％，

硼B 0.03％，其余量为铁Fe。

上述新型铬系热作模具钢热处理工艺的步骤如下：

(1)、第一次预加热：将全部原料预加热温度为580C～620℃，预加热时间为50～70分钟；

(2)、第二次预加热：第一次预加热后，进行第二次预加热，然后进行淬火，第二次预加热温度850℃～900℃，第二次预加热时间为40～50分钟。

(3)、淬火加热：淬火加热温度为1020℃～1050℃，采用油冷却或者空气冷却或者盐浴冷却，淬火时间为20～30分钟；

(4)、第一次回火：回火温度为480℃～500，然后空气冷却至室温。

(5)、第二次回火：第一次回火空气冷却后再进行第二次回火，第二次回火温度480℃～500℃，然后空气冷却至室温。

实施例3

本发明的一种新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.70％，硅Si1.30％，锰Mn 1.30％，铬Cr11.00％，

钨W 1.20％，钼Mo 1.20％，钒V 1.00％，镍Ni1.00％，

硫S≤0.005％，磷P≤0.030％，铌Nb0.30％，钛Ti0.30％，

稀土元素0.05％，氮N 0.02％，氮化物0.02％，氮化物是BN，其余量为铁Fe。上述新型铬系热作模具钢热处理工艺的步骤如下：

(1)、第一次预加热：将全部原料预加热温度为580℃～620℃，预加热时间为50～70分钟；

(2)、第二次预加热：第一次预加热后，进行第二次预加热，然后进行淬火，第二次预加热温度850℃～900℃，第二次预加热时间为40～50分钟。

(3)、淬火加热：淬火加热温度为1020℃～1050℃，采用油冷却或者空气冷却或者盐浴冷却，淬火时间为20～30分钟；

(4)、第一次回火：回火温度为480℃～500℃，然后空气冷却至室温。

(5)、第二次回火：第一次回火空气冷却后再进行第二次回火，第二次回火温度480℃～500℃，然后空气冷却至室温。

(6)第三次回火：在第二次回火空气冷却至室温后，再进行第三次回火，第三次回火温度400℃～420℃，然后空气冷却至室温。

实施例4、

本发明的一种热段新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.45％，硅Si 0.80％，锰Mn 0.80％，铬Cr 9.00％，

钨W 0.60％，钼Mo 0.60％，钒V 0.50％，镍Ni 0.30％，

硫S≤0.005％，磷P≤0.030％，其余量为铁Fe。

上述热段新型铬系热作模具钢热处理工艺的步骤同于实施例3。本实施例热段新型铬系热作模具钢硬度在55～57HRC。

实施例5、

本发明的一种温段新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.60％，硅Si 0.80％，锰Mn 0.80％，铬Cr 9.00％，

钨W 0.60％，钼Mo 0.60％，钒V 0.50％，镍Ni 0.30％，

硫S≤0.005％，磷P≤0.030％，铌Nb0.30％，钛Ti0.30％，

稀土元素0.05％，硼B 0.04％，其余量为铁Fe。

上述温段新型铬系热作模具钢热处理工艺的步骤同于实施例3。本实施例温段新型铬系热作模具钢硬度在58～61HRC。

实施例6、

本发明的又一种温段新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.60％，硅Si 0.80％，锰Mn 0.80％，铬Cr 9.00％，

钨W 0.60％，钼Mo 0.60％，钒V 0.50％，镍Ni 0.30％，

硫S≤0.005％，磷P≤0.030％，铌Nb0.30％，钛Ti0.30％，

硼B0.10％，氮N 0.05％，氮化物0.20％，氮化物包括：BN、AlN、FeN、CrN、MnN、TiN、VN；其余量为铁Fe。

上述温段新型铬系热作模具钢热处理工艺的步骤同于实施例3。本实施例温段新型铬系热作模具钢硬度在58～61HRC。