CN101240399A - 一种低铬低成本热作模具钢 - Google Patents

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Abstract

本发明属于工模具领域，特别涉及一种低铬低成本热作模具钢。该钢的具体化学成分(重量％)为：C：0.38－0.42％，Si：0.9－1.1％，S≤0.030％，P≤0.030％，Mn：0.3－0.5％，W：0.9－1.2％，Mo：0.45－0.55％，Cr：2.8－3.2％，V：0.25－0.45％，Nb：0.08－0.15％，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明钢能替代含有较高合金含量的H13，并与H13综合性能相近且具有良好的抗回火稳定性、低铬低成本的优点；合理的合金化配比比H13钢节约合金成本20％以上，具有更好的经济效益。

Description

一种低铬低成本热作模具钢
技术领域
本发明属于工模具领域，主要用于制造热挤压磨具与芯棒、模锻锤的锻模、锻造压力机模具、精锻机用模具镶块以及铝、铜及其合金的压铸模等，特别涉及一种低铬低成本热作模具钢。
背景技术
随着机械制造业的发展，对热作模具钢的性能和经济成本提出了更高的要求H13钢是使用最广泛和最具代表性的热作模具钢种，该钢种以Cr、Mo、V为主要强化元素，具有良好的强韧性配合，同时保持较高的热疲劳抗力，因而能够承受高温拉、压、冲击作用，同时还可承受高温磨损、氧化及激冷激热周期性温度变化等作用。但钢中含有较高含量的钼和钒等较贵重元素，近年来钼、钒合金的价格大幅上涨，造成H13钢的冶炼成本大幅上升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能替代含有较高合金含量的H13，具有与H13综合性能相当且具有良好的抗回火稳定性，低铬低成本的热作模具钢。
根据上述目的，本发明参照美国的S7等钢种，在H13(4Cr5MoSi V1)的基础上适当降低合金元素Mo、V、Cr的含量，加入少量的W、Nb，使该钢种达到H13的综合性能，并且具有较低的制造成本。本发明采用的技术方案是：(1)降低H13中的碳化物形成元素Cr、Mo及V的含量；(2)加入强碳化物形成元素Nb，部分替代V，形成一定数量的一次碳化物，并细化晶粒，以提高钢的耐磨性；(3)加入适量的W，降低钢的过热敏感倾向，并提高钢的热稳定性。
根据上述目的和整体的技术方案，本发明具体技术方案为：
本发明钢的具体化学成分(重量％)为：C：0.38-0.42％，Si：0.9-1.1％，S≤0.030％，P≤0.030％，Mn：0.3-0.5％，W：0.9-1.2％，Mo：0.45-0.55％，Cr：2.8-3.2％，V：0.25-0.45％，Nb：0.08-0.15％，其余为Fe及不可避免的杂质。
上述各元素的作用及配比依据如下：
C：钢中含碳量决定淬火钢的基体硬度，对热作模具钢而言，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化。另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。对热作模具钢，这种合金碳化物除少量残留的以外，还要求它在回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生两次硬化现象。从而由均匀分布的残留合金碳化合物和回火马氏体的组织来决定热作模具钢的性能。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0.38％-0.42％。
Mn：除了能提高淬透性之外，还可以消除硫的有害影响，本发明中控制Mn含量在0.30-0.5％。
P：P在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大。控制P的含量在0.030％以下，并且含量越低越好。
S：不可避免的不纯物，形成FeS，给钢带来热脆性。控制S含量在0.030％以下，并且含量越低越好。
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。参照美国的S7钢，在本发明中铬含量控制在2.8-3.2％。
W、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％，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0.5-1％为宜。在本发明钢中，控制W含量在0.9-1.2％，Mo含量在0.45-0.55％。
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％。H13钢中的钒含量在0.80-1.20％，在本发明钢中因加入了一定量的铌，所以钒含量控制在在0.25-0.45％。
Nb：强碳化物形成元素，形成MC型碳化物，可用来部分替代V，将V含量降至仅保持二次硬化的水平。在本发明钢中Nb含量控制在0.08-0.15％。
本发明采用与现有技术相近似的制备方法：
本发明钢可采用电弧炉、高频感应炉、真空感应炉冶炼，钢水浇铸成钢锭，根据需要可进行电渣重熔，经锻造成材或开坯后轧制成棒材。
本发明钢能替代较高合金含量H13，具有与H13合金综合性能相当且具有良好的抗回火稳定性、低铬低成本的优点；合理的合金化配比比H13钢节约合金20％以上，具有更好的经济效益。
具体实施方式
根据上述所本发明钢的化学成分范围，在25kg真空感应炉上冶炼了3炉本发明钢和1炉对比钢(H13)，其具体化学成分如表1所示。钢水浇铸成锭，并经锻造制成φ16mm、□15mm棒材。本发明钢与对比钢退火后，加工成试样，经淬、回火处理(1000℃淬火，510～650℃回火)，其室温力学性能见表2～5。
本发明钢具有与对比钢相当的综合机械性能，比对比钢具有更高的冲击韧性，淬火后在510～650℃回火，本发明钢的硬度、抗拉强度、抗回火稳定性与对比钢相当。
1.经淬火(本发明钢淬火温度1000℃，对比钢淬火温度1030℃)，高温(510～650℃)回火后，本发明钢在600℃以下回火时硬度、强度低于对比钢，在600、650℃回火时与对比钢相当(见表2、3)
2.经淬、回火处理后，本发明钢冲击韧性高于对比钢(见表4)
3.经淬、回火处理后，本发明钢与对比钢红硬性、抗软化能力相当。(见表5)
                          表1本发明钢实施例与对比钢的化学成分，重量％
  钢种   C   Si   Mn   Cr   Mo   V   W   Nb   P   S   Fe
  本发明钢1#   0.40   1.03   0.38   2.97   0.52   0.33   0.92   0.14   0.012   0.006   余
  本发明钢2#   0.38   0.95   0.33   2.85   0.48   0.28   0.98   0.09   0.018   0.009   余
  本发明钢3#   0.41   1.07   0.44   3.13   0.54   0.41   1.08   0.14   0.021   0.011   余
  对比钢   0.44   0.94   0.41   4.69   1.22   0.84   /   /   0.0096   0.006   余
        表2本发明钢实施例与对比钢1000℃淬火不同温度回火的硬度值
钢种   不同温度下回火后的硬度值(HRC)
  510℃   540℃   570℃   600℃   650℃
  本发明钢1#   52.1   51.8   48.8   46.3   36.0
  本发明钢2#   51.7   51.3   48.3   45.9   35.7
  本发明钢3#   52.4   52.1   48.9   46.5   36.2
  对比钢   55.7   55.3   52.0   47.4   34.6
             表3本发明钢实施例与对比钢的抗拉强度表
钢种   不同温度下回火后的抗拉强度(MPa)
  510℃   540℃   570℃   600℃   650℃
  本发明钢1#   1675   1733   1567   1500   1185
  本发明钢2#   1655   1721   1536   1483   1174
  本发明钢3#   1684   1752   1582   1517   1192
  对比钢   2060   1940   1830   1500   1120
                       表4本发明钢实施例与对比钢的冲击韧性表
淬火(油)回火工艺 钢种   在不同温度下回火后的冲击值(Ak/J·cm-2)
  510℃   540℃   570℃   600℃   650℃
  1000℃淬火+回火2h×2次   本发明钢1# 38.67 37.67 44.67 51.67 87.33
  1000℃淬火+回火2h×2次   本发明钢2# 39.28 38.25 45.75 52.61 88.63
  1000℃淬火+回火2h×2次   本发明钢3# 38.21 37.20 44.08 51.30 87.38
  1030℃淬火+回火2h×2次 对比钢 26.00 35.33 38.33 49.33 83.33
            表5本发明钢实施例与对比钢的抗回火软化硬度数据表(HRC)
Figure S2008101013395D00051

Claims (1)

1、一种低铬低成本热作模具钢，其特征在于该钢的具体化学成分(重量％)为：C：0.38-0.42％，Si：0.9-1.1％，S≤0.030％，P≤0.030％，Mn：0.3-0.5％，W：0.9-1.2％，Mo：0.45-0.55％，Cr：2.8-3.2％，V：0.25-0.45％，Nb：0.08-0.15％，其余为Fe及不可避免的杂质。
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Assignor: Central Iron & Steel Research Institute

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Denomination of invention: Low-chromium low-cost hot working die steel

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