CN101709423A - 一种通过加氮改进h13模具钢性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过加氮改进H13模具钢性能的方法，属于金属材料领域。本发明是对传统H13钢的化学成分进行改进，通过加入固溶氮元素提高模具钢的强度、硬度和耐磨性，并且不降低韧性。氮元素采用添加氮化铬中间合金的方法加入，其他元素采用常规方法。熔炼时为保证氮元素收得率，减少熔炼过程的溢出和凝固时形成气泡，要严格控制熔炼温度在熔点以上50℃之内，在合金全部溶化后迅速浇铸。含氮H13模具钢的化学成分百分含量如下：碳：0.28～0.40，硅：0.8～1.2，锰：0.2～0.5，铬：4.75～5.5，钼：1.10～1.75，钒：0.8～1.2，氮：0.02～0.08，磷≤0.03，硫≤0.03，余量：铁。经热处理后的锻件达到如下性能：硬度值53～55HRC，抗拉强度1800MPa以上，屈服强度1480MPa以上，冲击吸收功值稳定在15～16J之间。强度、硬度高于H13钢，韧性不低于H13钢。

Description

一种通过加氮改进H13模具钢性能的方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种H13模具钢，针对H13模具钢的化学成分进行改进，通过加入固溶氮原子提高H13钢强度、硬度和耐磨性。

背景技术

含氮钢由于其高性能、低成本已经引起钢铁行业的的广泛关注[干勇，董瀚，先进钢铁材料技术的进展，中国冶金，2004，(8)：1-6]。氮在钢中作为固溶强化元素，不会像碳一样导致晶间碳化物的析出，因此氮在提高钢强度的同时不会降低韧性。目前高氮钢的强度最高可达3600MPa，预计很快达到4000MPa，而其韧性比同等强度的钢要高[M.Milititsky，et al.，Impact toughness properties of nickel-free austenitic stainless steels，Materials Science and EngineeringA，2008，(496)：189-199]。氮作为提高强度、奥氏体化和耐点蚀的重要化学元素，已经在不锈钢中广泛应用，如含氮0.1％的UNS S32304(23Cr-4Ni-0.1N)，可代替AISI304钢使用，节约贵重金属镍资源；SUS304N是在传统304钢的成分基础上添加N元素，提高了该钢种的综合力学性能和耐蚀性[M.O.Speidle，董瀚，可持续发展的高氮奥氏体不锈钢，不锈，2004，(3)：1-7]。

H13钢是使用广泛且最具代表性的铬系热作模具钢，其合金元素含量多，价格昂贵。但目前H13钢，尤其国产H13钢耐磨性、寿命偏低，使得金属热加工产品的生产成本居高不下。对于中等强度的建筑用铝合金金挤压产品，工模具的成本占总成本的30％左右，如将其使用寿命提高5～10倍，则产品的成本可大幅度下降[刘静安，邵莲芬，铝合金挤压工模具典型图册，化学工业出版社，2008]。而对于大型工业型材用工模具，由于其耐磨性、强度、韧性的要求更高，国产模具几乎不能满足使用要求。大幅度提高模具钢的耐磨性、改善其韧性，是提高模具使用寿命、降低产品制造成本的主要途径。热作模具钢主要在室温至600℃之间循环服役，要求优良的高温强度、硬度和韧性，在钢中添加适量的氮可望在提高其高温强度、硬度的同时，获得良好的韧性，从而提高模具的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低廉的提高H13模具钢的强度、硬度并且不降低其韧性的化学成分优化方案。

一种通过加氮改进H13模具钢性能的方法，H13模具钢化学成分及重量百分含量如下：

碳：0.28～0.40，硅：0.8～1.2，锰：0.2～0.5，铬：4.75～5.50，钼：1.10～1.75，钒：0.8～1.2氮：0.02～0.08；

主要夹杂：磷≤0.03，硫≤0.03

余量：铁

氮元素采用添加氮化铬中间合金的方法加入，其他元素采用常规方法。制备方法如下：按钢中各元素所占重量比计算、准备原材料，按下列顺序依次加入真空感应熔炼炉进行熔炼：先加入纯铁、金属钼和1/3氮化铬，抽真空并充入氮气进行保护，熔化后加入硅铁、钒铁和1/3氮化铬，全部熔融后加入最后1/3氮化铬和易挥发的金属锰。为保证氮元素收得率，减少熔炼过程的溢出和凝固时形成气泡，要严格控制熔炼温度在熔点以上50℃之内，在合金全部溶化后迅速浇铸。

熔炼所得铸锭进行电渣重熔、多向锻造、退火、淬火、回火，其工艺制度与常规H13模具钢相同。

本发明的优点：

1.原材料成本低廉，仅在传统H13钢成分基础上添加廉价的氮元素。

2.采用传统的熔铸、加工和热处理设备及工艺制度，无须额外的设备、工艺投入。

3.结合了含氮钢和H13模具钢两者的优点，所开发的新型含氮H13模具钢较传统H13模具钢强度高、硬度高，韧性不降低。

4.由于硬度的提高，可大幅度降低热作模具的磨损。

5.有较强的实际生产用途，可用作新型铝镁合金热挤压模和压铸模用钢。

附图说明

图1为实施例1含氮H13钢回火试样金相图

图2为实施例2含氮H13钢回火试样金相图

具体实施方式

实施例1：采用本发明所述感应熔炼方法，熔炼加氮的H13模具钢，化学成份如下(％)

C	Si	Mn	Cr	Mo	V	P	S	N
									0.31	0.89	0.30	4.90	1.25	0.92	0.0058	0.0040	0.085

实施例2：采用本发明所述感应熔炼方法，熔炼加氮的H13模具钢，化学成份如下(％)

C	Si	Mn	Cr	Mo	V	P	S	N
									0.29	0.96	0.30	5.03	1.27	0.92	0.0050	0.0049	0.021

对以上实施例中的铸锭进行相同工艺的电渣重熔、多向锻造及热处理。锻造时总锻造比≥4，各工序镦粗比≥2。锻造后立即进行等温球化退火，其工艺为：(840～890℃)×(3h)+炉冷至(710～740℃)保温3.5h，之后炉冷至500℃出炉空冷。退火后的试样再经680～720℃和820～850℃分级预热，最终分别加热到1020℃、1080℃保温2h后油淬。油淬后的试样再经560℃和540℃二次回火，回火时间为1小时。

回火后试样的金相组织如图1和图2所示，力学性能如表1所示。

表1含氮H13钢回火试样力学性能

Claims (1)

1.一种通过加氮改进H13模具钢性能的方法，其特征是H13模具钢化学成分及重量百分含量如下：

碳：0.28～0.40，硅：0.8～1.2，锰：0.2～0.5，铬：4.75～5.50，钼：1.10～1.75，钒：0.8～1.2氮：0.02～0.08，磷≤0.03，硫≤0.03，余量：铁

氮元素采用添加氮化铬中间合金的方法加入，其他元素采用常规方法；制备方法如下：按钢中各元素所占重量比计算、准备原材料，按下列顺序依次加入真空感应熔炼炉进行熔炼：先加入纯铁、金属钼和1/3氮化铬，抽真空并充入氮气进行保护，熔化后加入硅铁、钒铁和1/3氮化铬，全部熔融后加入最后1/3氮化铬和易挥发的金属锰；为保证氮元素收得率，减少熔炼过程的溢出和凝固时形成气泡，要严格控制熔炼温度在熔点以上50℃之内，在合金全部溶化后迅速浇铸；

熔炼所得铸锭进行电渣重熔、多向锻造、退火、淬火、回火，其工艺制度与常规H13模具钢相同。

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