一种具有高性能的高级热作模具钢及其制造方法

摘要

本发明提供一种具有高性能的高级热作模具钢，该模具钢主要由重量百分比为C 0.32?0.41％，Si 0.2?0.6％，Mn 0.6?0.9％，Cr 2.5?4.5％，Mo 2.5?3.5％，V 0.5?1.1％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe的各成分组成，该模具钢具有优异高温强度、回火稳定性和热传导性能，可获得NADCA#229?2011标准中组织AS1级，氧硫含量小于10ppm，在高硬度下冲击功比H13模具钢高出30％。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢材锻造及热处理工艺技术，特别涉及一种具有 优异高温强度、回火稳定性和热传导性能的高级热作模具钢及其制造 方法。

背景技术

用模具加工成型零件具有生产效率高、质量好、节约材料和成本 等一系列优点，应用范围及其广泛。热锻模具钢是一类重要的模具材 料，由于热锻服役时与1000℃的金属坯料接触较长时间，承受巨大的 挤压力、冲压力、弯曲力、摩擦力及热冲击交变应力等复杂作用，这 就要求热锻模具钢具有良好的强韧性、冷热疲劳性以及高温热稳定性 等。

H13模具钢是最常用的热锻模具钢之一，最早由美国在上世纪下半 叶开发，其化学成分如下(按重量百分比计算)：C0.32-0.45％、 Si0.8-1.2％、Mn0.2-0.5％、Cr4.75-5.5％、Mo1.10-1.75％，V0.8-1.2％， P≤0.03％，S≤0.03％，由于其具有淬透性、韧性好、耐磨性高、热疲 劳好等特点，在热作模具钢中，H13的综合性能十分突出，因此，它迅 速成分世界主流的热作模具钢。H13模具钢主要特点：1)具有中等的 耐磨损能力；2)硬度低；3)采用常规的渗碳或渗氮工艺会提高其表 面硬度，但是其抗热裂能力降低；4)其含碳量低，导致其二次应化能 力差；5)在中等温度下具有抗软化能力，但使用温度高于540℃ (1000℉)，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)切削加工性一般；8)抗脱碳能力一般。

随着高速、强负荷、高精密模锻设备和高强韧性锻件普遍应用， 热锻模具服役条件更加恶劣，H13模具钢在生产过程中因种种原因造成 多种失效形式，例如高温强度变化大、回火稳定差、热传导性能低、 淬透性、冲击韧性等低，因此需要对H13模具钢的成分进行改进，以 解决H13模具钢存在的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种新的模具钢，该模具钢具有优异 的高温强度、回火稳定性和热传导性能，退火组织达到 NADCA#229-2011标准中组织AS1级，在高硬度下冲击功比H13模具 钢高出30％。

本发明具体技术方案如下：

本发明提供一种具有高性能的高级热作模具钢，该模具钢包括如 下重量百分比的各成分：C0.32-0.41％，Si0.2-0.6％，Mn0.6-0.9％，Cr 2.5-4.5％，Mo2.5-3.5％，V0.5-1.1％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为 Fe。

进一步的改进，该模具钢包括如下重量百分比的各成分：C 0.34-0.40％，Si0.3-0.5％，Mn0.7-0.9％，Cr2.8-4.2％，Mo3.0-3.4％， V0.7-0.9％，P<0.02％，S<0.0005％，余量为Fe。

进一步的改进，该模具钢包括如下重量百分比的各成分：C0.38％， Si0.4％，Mn0.9％，Cr3.0％，Mo3.2％，V0.9％，P<0.02％，S<0.0005％， 余量为Fe。

本发明通过对H13模具钢各成分的用量进行改进，将Si的重量百 分比降低到0.2-0.6％，将Mn的重量百分比升高到0.6-0.9％、将Cr的 含量降低到2.5-4.5％，将Mo重量百分比升高到2.5-3.5％；进而使得 制备的模具钢具有优异的高温强度、回火稳定性和热传导性能，同时 在高硬度下冲击功比H13模具钢高出30％。

进一步的改进，该模具钢还包括如下重量百分比的成分：Al-Sc合 金0.02-0.06％。

优选地，Al和Sc的重量比为1:1.2-1.4。

本发明通过在模具钢中加入Al-Sc合金，不但能够起到脱氧定氮的 作用，由于本发明加入的是Al-Sc合金，其可显著提高模具钢的抗蠕 变能力和淬透性及其表征数据。

进一步的改进，该模具钢还包括如下重量百分比的成分：Zr 0.01-0.02％，Gd0.06-0.09％。

本发明通过在模具钢中加入Zr和Gd两种成分后，可进一步提高 高模具钢的冲击韧性及其表征数据。

进一步的改进，该模具钢还包括如下重量百分比的成分：Ti 0.001％-0.002％，W0.02-0.05％。

本发明通过在模具钢内加入Ti和W两种成分后，可显著提高模具 钢的抗回火软化性能，提高了20％，同时还能够提高模具钢的热疲劳性 能、抗脱碳能力及二次应化能力。

本发明涉及的各元素的名称为：C：碳，Si：硅，Mn：锰，Cr： 铬，Mo：钼，V：钒，P：磷，S：硫，Fe：铁，Al：铝，Sc：钪，Zr： 锆，Gd：钆，Ti：铊，W：钨。

本发明另一方面提供一种具有高性能的高级热作模具钢的制备方 法，该方法包括如下步骤：

S1：熔炼：按照模具钢的成分及重量百分比，选材进行熔炼，浇注成 电极棒；

S2：电渣重熔：将浇铸成的电极棒在保护气氛下进行电渣重熔精炼；

S3：高温均质处理：进行温度为1200-1270℃，时间6-9h的高温均质 化处理；

S4：锻造处理：开锻温度为1110℃-1170℃，终锻温度为850-900℃， 压缩比为8以上；压缩比优选为10-15；

S5：超细化处理：加热至1030-1060℃保温3-8h，雾冷；

S6：球化退火：840-870℃保温13-16h，730-750℃保温10-13h，降温 至400℃以下，降温速度小于20℃/h，出炉空冷。

本发明提供的模具钢的制备方法简单，制备的模具钢具有很好的 高温强度、回火稳定性和热传导性能。

进一步的改进，步骤S1所述的熔炼具体工艺为：熔炼温度为 1550-1610℃，保温，待合金成分符合要求并且达到均匀，在氩气保护 下浇注成电极棒。

优选地，步骤S3中高温均质处理温度为1250℃，时间7h；步骤 S4开锻温度为1140℃，终锻温度为870℃，压缩比为12；步骤S5超 细化处理加热至1050℃保温5h；步骤S6球化退火：850℃保温15h， 735℃保温12h，降温至50℃，降温速度为15℃/h，出炉空冷。

本发明所提供的具有高性能的高级热作模具钢，其具有以下优 点：

1.利用本发明技术方案可获得NADCA#229-2011标准中组织AS1 级，氧硫含量小于10ppm，在高硬度下冲击功比H13模具钢高出30％。

2.本发明的突出优点是在H13模具钢基础上通过优化合金成分， 所得热作模具钢具有优异高温强度、回火稳定性和热传导性能。

附图说明

图1为本发明模具钢的退火组织图；

图2为不同温度下各组模具钢的抗拉强度；

图3为不同温度下各组模具钢的屈服强度；

图4为500℃各组模具钢随时间变化的硬度值；

图5为550℃各组模具钢随时间变化的硬度值；

图6为600℃各组模具钢随时间变化的硬度值。

具体实施方式

实施例1

本发明各实施例和对照例提供的具有高性能的高级热作模具钢的 成分及各成分的重量百分比分别见表1和表2。

表1各实施例模具钢成分的重量百分比(％)

表2各对照例模具钢成分的重量百分比(％)

实施例2

本发明提供的模具钢的制备方法如下：

S1：熔炼：按照模具钢的成分及重量百分比，选材进行熔炼，浇 注成电极棒；

S2：电渣重熔：将浇铸成的电极棒在保护气氛下进行电渣重熔精炼；

S3：高温均质处理：进行温度为1200℃，时间6h的高温均质化处 理；

S4：锻造处理：开锻温度为1110℃，终锻温度为850℃，压缩比为 8；

S5：超细化处理：加热至1030℃保温3h，雾冷；

S6：球化退火：球化退火温度为860℃，保温15h；740℃保温12h， 降温至400℃以下，降温速度小于20℃/h，出炉空冷。

实施例3

本发明提供的模具钢的制备方法如下：

S1：熔炼：按照模具钢的成分及重量百分比，选材进行熔炼，浇 注成电极棒；

S2：电渣重熔：将浇铸成的电极棒在保护气氛下进行电渣重熔精炼；

S3：高温均质处理：进行温度为1250℃，时间7h的高温均质化处 理；

S4：锻造处理：开锻温度为1140℃，终锻温度为870℃，压缩比为 12；

S5：超细化处理：加热至1050℃保温5h，雾冷；

S6：球化退火：球化退火温度为850℃，保温15h；735℃保温12h， 降温至50℃，降温速度为15℃/h，出炉空冷。

实施例4

本发明提供的模具钢的制备方法如下：

S1：熔炼：按照模具钢的成分及重量百分比，选材进行熔炼，熔 炼温度为1550℃，保温，在氩气保护下浇注成电极棒；

S2：电渣重熔：将浇铸成的电极棒在保护气氛下进行电渣重熔精 炼；

S3：高温均质处理：进行温度为1270℃，时间9h的高温均质化处 理；

S4：锻造处理：开锻温度为1170℃，终锻温度为900℃，压缩比为 15；

S5：超细化处理：加热至1060℃保温8h，雾冷；

S6：球化退火：870℃保温16h，750℃保温13h，降温至400℃以 下，降温速度小于20℃/h，出炉空冷。

模具钢力学性能考察

试验例1退火态组织

从图1中可以看出，本发明提供的模具钢偏析已解基本消除，组 织细小均匀，基体上弥散分布着小颗粒的碳化物。

试验例2高温强度的考察

取实施例2-4和对照例1-5的模具钢及H13模具钢，分别置于不 同的温度下，测各模具钢的抗拉强度(Rm)和屈服强度(Rp0.2)，检 测结果分别见图2和图3。

从图2和图3中可以看出本发明提供的模具钢具有很高的抗拉强 度和屈服强度，与对照例和H13模具钢存在显著差异，说明只有将H13 模具钢按照本发明的范围进行调整后，才具有更优异的高温强度。

试验例3回火稳定性的考察

取实施例1-4和对照例1-5的模具钢及H13模具钢，分别置于 500℃、550℃和600℃，测各模具钢在不同的回火时间内的硬度值 (HRC)，检测结果分别见图4、图5和图6。

从图4-6中可以看出本发明提供的模具钢具有很高的回火稳定性， 与对照例和H13模具钢存在显著差异，说明只有将H13模具钢按照本 发明的范围进行调整后，才具有更优异的回火稳定性。

试验例4热传导性能的考察

取实施例1-4和对照例1-5的模具钢及H13模具钢，分别测各模 具钢在20℃、400℃和600℃的热传导系数，检测结果见表1。

表1各组模具钢的热传导系数

从表中可以看出，本发明的模具钢具有更优异的热传导性能。

试验例5冲击功的考察

取实施例1-4和对照例1-5的模具钢及H13模具钢，分别测各模 具钢在45HRC硬度下的冲击功，检测结果见表2。

表2各组模具钢的冲击功

从表中可以看出，与对照例和H13相比，本发明的冲击功提供了 30％。

试验例6淬透性试验

取实施例2、实施例5和对照例6的模具钢及H13模具钢，在距 各磨具钢如下距离的情况下，测各模具钢的硬度，检测结果见表3。

表3各组模具钢距表面不同距离的硬度

从表3中可以看出，H13模具钢的淬透性大约为60mm，而本发明 的模具钢的淬透性能够达到200mm。

试验例7冲击韧性的考察

取实施例2、实施例6-7和对照例7、对照例9的模具钢及H13模 具钢，在硬度为50HRC的模具钢坯料上取横向冲击试验，试样尺寸为 10mm×10mm×55mm，开V2型缺口，检测结果见表4。

表4各组模具的冲击韧性

从表中可以看出，本发明提供的模具钢具有很高的冲击韧性，并 且只有同时加入Zr和Gd后才能够提高其冲击韧性，换成别的元素或 者缺少其一，冲击韧性没有改善。

试验例8热疲劳性能的考察

采用UDDWIIOLM自约束冷热疲劳试验方法，使得试验温度在 100-700℃区间循环，对实施例2、实施例8和实施例9及对照例8、 H13的模具钢进行热疲劳性能测试，热疲劳性能以试样冷热循环3000 次后钢的表面疲劳损伤情况综合反映，结果见表5。

表5各组模具钢的热疲劳性能测试实验结果(主裂纹长度mm)

经过3000次冷热循环后，本发明所述的模具钢表面裂纹均匀、细 小，无明显主要裂纹，实施例2的主裂纹长度才为0.87mm，还不到H13 模具钢裂纹长度的一半；抗热疲劳性能优于对照例和H13模具钢，由 此得出只有同时加入Ti和W后才能够提高其热疲劳性能，缺少其一， 热疲劳性能没有改善。

以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对 本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域 普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入 本发明的权利要求书确定的保护范围内。