CN102212756A - 铬钼钒系热作工模具钢及其热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低成本铬钼钒系热作工模具钢及其热处理工艺，属合金钢制造工艺技术领域。该钢的成分及重量百分比为：C0.3～0.4%，Si0.6～1.2%，Mn0.6～1.2%，Cr3.5～4.5%，Mo0.8～1.2%，V0.4～0.8%，P＜0.02%，S＜0.02%，Fe余量。本发明热作工模具钢的制备过程如下：配料、冶炼、浇涛，然后电渣重熔；在1200～1280℃，匀质化处理8～10h，然后锻造，再进行超细化热处理和等温退火处理，最后进行调质处理，即将其加热至1000～1100℃进行奥氏体化，经过油淬或高压气淬后，在560℃～620℃进行两至三次回火。本发明的热作工模具钢具有高的热稳定性、高的韧性、以及良好的热疲劳性能。

Description

铬钼钒系热作工模具钢及其热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种铬钼钒系热作工模具钢及其热处理工艺，该工模钢不仅降低了合金成本（相对于H13系钢），而且具有高的热稳定性和有良好的韧性和热疲劳性能，属合金钢制造工艺技术领域。

背景技术

工模具钢通常可以分为热作、冷作和塑料工模具钢三大类产品。热作工模具钢主要用于制造铝合金压铸模和铜锌压铸模等，是目前使用最广和消耗最大的工模具钢之一，它的工况条件复杂，在工作时需长时间与加热的坯料甚至液态金属相接触，当炽热的金属放入热作模具型腔时，型腔表面急剧升温，表层产生压应力和压应变；当金属件取出时，型腔表面由于急剧降温而受到拉应力和拉应变作用，极易产生热疲劳等，并且热作模具钢在服役过程中，还要受到较大冲击载荷。因此要求工模具材料具有高的热强度、高温硬度、冲击韧性、淬透性和好的热稳定性和抗冷热疲劳性能等。我国目前广泛应用的热作工模具钢包括钨系3Cr2W8V、铬系H13以及应用于热锻模的5CrNiMo、5CrMnMo等。钨系的3Cr2W8V虽然具有较高的回火抗力和高的热强性，但其塑韧性、导热性以其热疲劳性能较差；H13钢是现在使用最广泛的热作模具钢，但是它的高温强度不是很高，一般使用温度不能超过540℃；5CrNiMo和5CrMnMo的热强性较低，容易造成模具工作部分的塌陷。我国目前使用的热挤压模具钢采用的是国家标准GB/T1299-2000中钢号为4Cr5MoSiV1。这种热挤压模具钢的化学成分采用C 0.32-0.45wt%、Cr 4.75-5.50wt%、Mo 1.20-1.75 wt%、V 0.80-1.20 wt%、Si 0.80-1.2wt%、Mn 0.20-0.5wt%、P≤0.03wt%、S≤0.03wt%。由于这种热挤压模具钢的化学成份含有较高的钼、铬和钒元素及一定量的碳元素，属于过共析钢，因此其材料电渣锭的偏析严重，成材后的组织中存在大量的大块液析碳化物，使得材料的韧性不足，容易出现早期开裂失效。由于这种材料含有大量的二次硬化元素，其回火态二次碳化物容易在服役条件下长大粗化和发生类型转变，而且回火马氏体中的合金元素也容易析出而降低钢的强度，从而降低钢的高温性能。这种钢的性能指标为：经1030℃淬火+590－610℃回火后洛氏硬度值为44－46HRC，冲击韧性值（“V”型缺口）Ak为≥8J，这些在淬火加回火状态下的硬度值和冲击韧性值等性能指标是热挤压模用钢的关键技术指标，是衡量热挤压模用钢质量好坏的主要技术参数指标。另外，抗回火软化能力和热疲劳抗力是热作模具钢的重要性能指标。

上述热作模具钢的冶金制造工艺是采用电炉熔炼加电渣重熔，然后锻造成材的工艺。在其制造工序中，电炉熔炼加电渣重熔工序完成之后获得500Kg－3000Kg的电渣锭，径锻机锻造成材。这种制造工艺存在如下问题：1）电渣锭型较小，小锭型降低了产品的成材率和制造产能；2）电渣锭的原始组织存在大量的大颗粒或大块状液析碳化物和组织偏析，降低了钢锭锻造成材后的性能指标；3）锻后材料晶粒粗大，导致淬回火后材料的冲击韧性低，产品档次低，无法满足市场对高韧性热作模具钢的需要。

在目前国内外可持续、经济型的发展模式下，本发明从经济的角度出发打破传统的低硅高钼铬的研究方向，采用经济的硅、锰作为主要的合金化元素，充分利用硅、锰合金元素的固溶强化和对碳化物回火稳定性等作用，而尽量降低铬、钼和钒等贵合金元素的含量，从而开发了具有高热稳定性、良好冲击韧性和热疲劳性能的低成本热作模具钢。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本铬 钼钒系热作工模具钢及其热处理工艺。

本发明热作工模具钢的特征在于具有以下的成分及重量百分比：

C          0.3～0.4%，                     Si                  0.6～1.2%，

Mn        0.6～1.2%，                     Cr                 3.5～4.5%，

Mo        0.8～1.2%，                     V                  0.4～0.8%，

P       ＜0.02%，                  S               ＜0.02%

Fe         余量。

上述低成本铬钼钒系热作工模具钢的热处理工艺，该工艺具有以下的工艺步骤：

A.     采用感应熔炼或电弧炉熔炼：按低成本铬钼钒系热作工模具钢的化学成分及重量百分比：C 0.3～0.4%，Si 0.6～1.2%，Mn 0.6～1.2%，Cr 3.5～4.5%，Mo 0.8～1.2%，V 0.4～0.8%，P＜0.02%，S＜0.02%，Fe余量，配料后放入感应熔炼或电弧炉中，进行熔炼。

B.     电渣重熔：将熔炼浇涛出的电渣锭放到电渣重熔装置中，进行电渣重熔。

C.     高温均质化处理：将电渣重熔后的钢锭加热至1200～1280℃进行高温均质化处理，保温8～10小时，均匀组织，消除成分偏析和伪共晶碳化物。

D.     锻造：将上述钢锭温度调整到1050～1150℃温度范围内进行多向锻造加工；锻造比≥4，终锻温度≥850℃。

E.      超细化处理：超细化温度为1050～1150℃，超细化时间为6～10h；然后油冷（淬火介质）至200℃以下。

F.      等温退火处理：第一阶段等温退火温度为830～850℃，退火时间为6～10h；第二阶段等温退火温度为730～750℃，退火时间为6～10h；

G.     调质热处理：加热至1000～1100℃进行奥氏体化，采用油淬（淬火介质）；随后进行560～620℃回火处理。

所述的高温均质化处理，钢锭升温过程中分多级升温，保证钢锭内外温度均匀，即分别在800℃和1100℃等温；高温均质化处理后在1100～1150℃温度等温，当钢锭温度均匀后进行锻造处理。

所述的调质热处理，加热至1000～1100℃油淬（淬火介质）至室温后，立即回火处理，回火处理2～3次，每次回火温度560～620℃，每次回火保温时间2～4h。

本发明的热作工模具钢其成分设计的理论依据如下所述：

本热作工模具钢与传统铬系热作模具钢相比，降低了Cr、Mo和V的含量，增加了Si和Mn的含量。最近研究发现，一定量的锰元素的加入可以增加钢的基体强化作用并能推迟马氏体组织的转变，提高钢的抗回火软化性。锰元素虽然是弱碳化物形成元素，不能够形成碳化物强化作用，但是一定量的锰元素的加入可以促进渗碳体的分解和推迟碳化物的析出与长大，有利于钢的热稳定性。另外，锰元素可以造成钢中的残余奥氏体的含量增加与稳定，这样可以提高钢的韧性和抗热疲劳性能。硅元素不是碳化物形成元素，但硅元素是提高回火抗力的有效元素，提高钢中硅元素的含量主要是可以使得钢在回火的过程中马氏体的分解减缓，硅元素可以在奥氏体到马氏体的转变之后的回火过程中有效阻碍马氏体的分解，这主要是通过抑制ε碳化物质点的长大和扩大ε碳化物稳定区，延迟了ε-碳化物向θ-碳化物的转变。硅推迟ε→θ转变，并能充分减小钢中渗碳体在回火过程中的长大速率，硅原子从θ相析出而在θ相周围形成硅原子的富集区，抑制θ相的长大粗化；另外硅能有效提高钢的抗回火软化能力。由于V与碳的亲和力强，在冶炼的过程中容易形成VC一次碳化物，这种碳化物颗粒尺寸较大，不仅对钢的性能没有提高，相反降低钢的韧性和热疲劳性能等，而在随后的热处理过程中很难完全消除。因此适当降低钢中V含量可有效的降低VC一次碳化物的比例，改善钢的性能。但是，在回火过程中V可降低马氏体的分解速度，推迟了奥氏体的转变，而且V形成MC型的二次碳化物，细小弥散，不易聚集长大，在回火过程中，增强了二次硬化效果，极大的提高了钢的热稳定性和冲击韧性。因此，将钢中V的含量控制在0.4～0.8%之间，充分发挥V的合金化作用。Cr在热作工模具钢中主要形成Cr23C6型碳化物，这类碳化物易沿晶析出并长大粗化，降低材料的热稳定性和热疲劳性能，本热作模具钢的铬含量有所降低，减小了这种不利影响。

本发明热作工模具钢在经过上述热处理后，其热稳定性、冲击韧性和热疲劳性能优于H13钢。

附图说明

图1为本发明热作工模具钢在上述热处理工艺后的退火组织和回火组织。

图2为本发明热作工模具钢在上述热处理工艺后的淬火组织。

图3为本发明热作工模具钢在上述热处理工艺后的回火组织。

图4为本发明热作工模具钢在620℃下与H13钢热稳定性数据对比。

图5为本发明热作工模具钢热疲劳裂纹表面和截面照片。

图6为H13钢的热疲劳裂纹表面和截面照片。

图7为本发明热作工模具钢与H13钢的热疲劳试样截面硬度梯度对比。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于下。

实施例一

本实例中，采用热作模具钢的组成成分及其重量百分比如下：

C    0.32%，  Si       1.0%，  Mn        1.0%，  Cr      4.0%，  Mo      1.0%，

V  0.6%， P    0.01%，  S    0.01%，  Fe   余量。

本实施例中，热作工模具钢的工艺过程和步骤如下：

A    电炉冶炼：按上述的合金元素配比在电弧炉中进行熔炼，熔炼温度大于1500℃，浇铸成φ400mm-φ450mm电极棒并空冷；

B     电渣重熔：将浇涛后的钢锭作为自耗电极放置于电渣重熔装置中，进行电渣重熔，化渣电压56-62V，电流3000-5000A、电制度电压57-59V，电流11000-12000A、封顶电压57-59V，电流时间35-50Min，电渣重熔成500Kg-3000Kg电渣锭；

C    高温匀质化：将电渣重熔后的钢锭加热至1250℃进行高温均质化处理，保温10小时，均匀组织，消除成分偏析和伪共晶碳化物；

D    锻造：将上述高温均质化处理的钢锭温度调整至1100℃温度范围内进行多向锻造加工；锻造比≥4，终锻温度≥850℃。

E     超细化处理：超细化温度为1100℃，超细化时间为8h；然后油冷（淬火介质）至200℃以下。

F     等温退火处理：第一阶段等温退火温度为830～850℃，退火时间为8h；第二阶段等温退火温度为730～750℃，退火时间为8h；然后炉冷至室温

G    淬回火处理：淬火温度1050℃，采用油淬，在600℃进行两次回火，每次回火2小时。

本发明热作工模具钢经过上述热处理后，进行性能测试：

A    硬度测试：

淬火硬度：51HRC；回火硬度：48HRC

B     冲击韧性实验：

在坯料上取横向冲击试样，试样尺寸为7mm×10mm×55mm（采用北美压铸协会标准）。

室温冲击功值：≥280J。

C    热稳定性：

本发明热作模具钢在620℃条件下与H13钢进行稳定性对比实验，H13钢经过淬回火处理之后使其硬度值与本发明钢一样，均为49HRC，试验结果如附图4所示。由附图4可见，虽然实验开始前本发明热作模具钢与H13钢硬度值一致，但在620℃下，从进行20个小时热稳定性实验硬度变化情况来看，本发明的热作模具钢优于H13钢。

D    热疲劳性能测试：

在700℃条件下进行冷热循环，经过3000次后，对比本发明热作模具钢与H13钢的热疲劳表面形貌（如附图5所示）和截面形貌（如附图6所示）以及截面硬度梯度（如附图7所示）。由图中可见，本发明热作模具钢热疲劳实验后，表面裂纹十分均匀、细小，在表面上没有看到比较大的主裂纹的形成。而H13钢的表面裂纹成网状，且其中存在几条宽度较大的的主裂纹，裂纹之间相互贯通，呈开裂状。另外，从截面硬度梯度分布可以看出H13钢的硬度下降显著于本发明热作模具钢。二者对比可以看出，本发明热作模具钢的热疲劳性能强于H13钢。

Claims (5)

1.一种铬钼钒系热作工模具钢，其特征在于该钢的化学成分及重量百分比为：C 0.3～0.4%，Si 0.6～1.2%，Mn 0.6～1.2%，Cr 3.5～4.5%，Mo 0.8～1.2%，V 0.4～0.8%，P＜0.02%，S＜0.02%，Fe余量。

2.根据权利要求1所述的铬钼钒系热作工模具钢，其特征在于该钢的化学成分及重量百分比为：C 0.32%，Si 1.0%，Mn 1.0%，Cr 4.0%，Mo 1.0%，V 0.6%，P＜0.02%，S＜0.02%，Fe余量。

3.根据权利要求1或2所述的铬钼钒系热作工模具钢的热处理工艺，其特征在于该工艺具有以下步骤：

A.按低成本铬钼钒系热作工模具钢的化学成分及重量百分比为：C 0.3～0.4%，Si 0.6～1.2%，Mn 0.6～1.2%，Cr 3.5～4.5%，Mo 0.8～1.2%，V 0.4～0.8%，P＜0.02%，S＜0.02%，Fe余量，进行配料、感应熔炼或电弧炉熔炼、然后进行电渣重熔；

B.高温均质化处理：均质化温度为1200～1280℃，匀质化时间为8～10h；然后锻造：加热至1100～1150℃温度范围内进行多向锻造加工，锻造比≥4，终锻温度≥850℃；

C.超细化处理：超细化温度为1050～1150℃，超细化时间为6～10h；然后油冷至200℃以下；

D.等温退火处理：第一阶段等温退火温度为830～850℃，退火时间为6～10h；第二阶段等温退火温度为730～750℃，退火时间为6～10h；

E.调质热处理：加热至1000～1100℃，采用油淬；随后进行560～620℃回火处理。

4.根据权利要求3所述的铬钼钒系热作工模具钢的热处理工艺，其特征在于所述的高温均质化处理，钢锭升温过程中分多级升温，保证钢锭内外温度均匀，即分别在800℃和1100℃等温；高温均质化处理后在1100～1150℃温度等温，当钢锭温度均匀后进行锻造处理。

5.根据权利要求3所述的铬钼钒系热作工模具钢的热处理工艺，其特征在于所述的调质热处理，加热至1000～1100℃油淬至室温后，立即回火处理，回火处理2～3次，每次回火温度560～620℃，每次回火保温时间2～4h。

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