CN102242318B

CN102242318B - 用于双层堆焊制备锻模工艺的铸钢基体及其制备方法

Info

Publication number: CN102242318B
Application number: CN201110179277.1A
Authority: CN
Inventors: 周杰; 董旭刚; 卢顺; 权国政; 刘阳
Original assignee: CHONGQING JIEPIN TECHNOLOGY Co Ltd; Chongqing University
Current assignee: CHONGQING JIEPIN TECHNOLOGY Co Ltd; Chongqing University
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2031-06-29
Also published as: CN102242318A

Abstract

本发明公开了一种用于双层堆焊制备锻模工艺的铸钢基体及其制备方法，所述铸钢基体采用了由下述百分比元素构成的材料：碳元素含量0.2%-0.35%、硅元素含量0.1%-0.5%、锰元素含量1.0%-1.8%、磷元素含量≤0.01%，硫元素含量≤0.01%，铬元素含量0.3%-0.8%、镍元素含量0.1%-0.8%、钼元素含量0.1%-0.5%、铜元素含量≤0.5%，余量为铁；经正火后回火的工艺得到，其中正火温度为980-1020℃；回火温度为550-600℃，保温时间根据模具尺寸决定。本发明方法得到的铸钢基体，能够同时较好地满足锻模模具在硬度、强度和韧塑性两方面的性能要求，同时又具有优异焊接性能。

Description

用于双层堆焊制备锻模工艺的铸钢基体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法工艺，特别是涉及一种该工艺中采用的铸钢基体及其制备方法。

背景技术

随着我国经济水平的飞速发展和工业化程度的极大提高，各种锻模模具的应用也越来越普遍和重要，如何能利用更少的资源，生产出更多质量更好的产品，将是工业发展的一个方向，所以在锻模模具设计时，必须要综合考虑其性能和成本两方面。在现有技术中，常常采用各种模具钢来制造锻模模具。有些模具钢拥有良好的强硬度和韧性等综合性能，能够满足锻模工况需求，但普遍价格较高，制备工艺流程较多，周期较长。而其他的模具钢不是硬度和强度太高，韧塑性较差，加工时刃角部位易崩裂和剥落，使锐角变钝或缺损；就是硬度和强度较低，为保持足够的韧塑性，则模具接触面因较软而磨损较快。以上两种情况都将改变模具的尺寸和形状，从而严重影响加工后的尺寸精度和表面粗糙度。即使模具进行重新修模和更换，也要延长时间周期，增加生产成本，而且模具的重新装卡和定位也必将影响产品的加工质量。

综上所述，现有的锻模模具中，模具的性能和成本往往不能同时得到较好的满足。有较好硬度、强度和韧塑性性能的模具钢价格通常又很贵，模具制造工艺过程多。因此，寻找一种能同时较好地满足锻模模具在硬度、强度和韧塑性两方面的性能要求，同时又可减小生产成本和工序的锻模制备方法，就成为本技术领域亟待解决的问题。

为了解决所述技术问题，发明人曾设计了一种基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法工艺并申请了专利，专利号为ZL 200910104604X，该方法工艺中，采用铸钢作为锻模基体，形成波浪形基体表面，并通过在基体层上进行双层金属堆焊，再回火去应力，模具最后机加工成型。这样，得到的锻模能够同时较好地满足锻模模具在硬度、强度和韧性等方面的性能要求，同时又可减小生产成本的锻模制备方法；实现了低成本、低能耗、短时间、高利用率、高效率、高性能和高效益的制造和使用模具，对模具行业具有无法估量的意义。

发明人在实施上述方法的过程中，发现这种采用双层堆焊工艺制得的锻模在工作过程中，经过反复的使用，在压模反复冲击之下，锻模的堆焊层容易出现脱裂。故如何在保证锻模强度的基础上，进一步提高锻模基体与堆焊层结合强度，成为本领域研究的新方向。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：怎样提供一种用于双层堆焊制备锻模工艺的铸钢基体及其制备方法，提高锻模的基体与堆焊层之间的结合强度，进而提高锻模使用寿命。

现有的双层堆焊工艺制得的锻模在工作过程中出现问题后，发明人进行了分析研究。与铸铁相比，钢的铸造性能较差。由于钢的熔点较高，结晶温度范围较宽，故钢液的流动性能较差；收缩较大，故收缩及缩松趋向较大，铸件容易形成热裂和冷裂等缺陷。在普通铸造碳钢的化学成分中，碳、硅、锰、磷、硫这五种是基本元素，其中碳可提高碳钢中的珠光体含量，而使碳钢的强度提高；硅和锰也在一定程度上对钢起固熔强化的作用；磷会形成脆性的Fe₃P化合物，导致钢的塑韧性急剧下降，并使钢的脆性转变温度升高，形成“冷脆”；硫容易在晶界形成FeS低熔点物质（其熔点只有985℃），高温状态受力时，材料会沿晶界形成裂纹，形成“热脆”。

铸钢表面尽管有脱碳层，但在近表皮的地方并没有缩孔，金属比较致密，所以根据铸钢表面层金属进行设计和直接在表面层上施焊都是比较理想的。而铸钢的焊接性能也与其碳当量密切相关，根据碳当量计算公式（下式1），主要影响焊接性能元素为C、Mn、Cr、Mo等。通常铸钢含碳量在0.3%以下，如果杂质少，没有偏析现象，这说明可焊性是良好的。如果含碳量在0.3%以上，或含有硫磷杂质较多，就容易在焊接处出现硬化、裂缝等缺陷。

碳当量=C+1/6Mn+1/24Si+1/15Ni+1/5Cr+1/4Mo （1）

因此锻模基体碳及合金元素含量高，则其强度高，但必然导致可焊接性能变差；而良好的焊接性能需要较低的碳当量，这也必然会影响锻模力学性能。

故现有的铸造材料中，很难同时满足铸造基体既能有足够高的强度，以承受锻压机工作压力，在工作中不破裂、变形小，塑韧性能优异；又能具有良好的焊接性能，使其与表面强化焊层结合牢固，工作时不脱落。有较好硬度、强度和韧塑性性能的模具钢价格通常又很贵，模具制造工艺过程多。需要重新研发一种能同时较好地满足锻模模具在硬度、强度和韧塑性两方面的性能要求，同时又具有优异焊接性能的锻模铸造材料

为了解决所述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案：

一种用于双层堆焊制备锻模工艺的铸钢基体的制备方法，其特点在于，采用了由下述百分比元素构成的材料：碳元素含量0.2%-0.35%、硅元素含量0.1%-0.5%、锰元素含量1.0%-1.8%、磷元素含量≤0.01%，硫元素含量≤0.01%，铬元素含量0.3%-0.8%、镍元素含量0.1%-0.8%、钼元素含量0.1%-0.5%、铜元素含量≤0.5%，余量为铁；经正火后回火的工艺得到，其中正火温度为980-1020℃；回火温度为550-600℃。保温时间大小属于公知常识，具体大小可以根据模具尺寸决定。采用本方法得到的铸钢基体，经测试，其力学性能指标能够达到：σ_s(屈服强度)≥380MPa，σ_b(抗拉强度)≥590MPa，δ(延伸率)≥14%，ψ(收缩率)≥30%，AKv(-40℃)≥27J。

上述技术方案中，重新设计了材料元素的百分比含量，其中：锻模铸钢基体含碳的质量百分比为0.2%-0.35%。这是因为含碳量较低的钢和高碳钢的热裂抗力都比较差，容易形成热裂，而含碳的质量百分比为0.2%-0.3%的钢的热裂抗力都比较好，不易形成热裂；同时低碳钢塑性较好，不容易产生冷裂；高碳钢塑性较差，容易产生冷裂。

锻模铸钢基体含硅的质量百分比为0.1%-0.5%。这是因为硅在钢中不形成碳化物，只形成固溶体。在铁素体中形成固溶强化作用，因而使钢的强度和硬度上升，但塑性有所下降。当钢中含硅量超过3%以后，塑性和韧性的下降尤为显著。

锻模铸钢基体含锰的质量百分比为1.0%-1.8%。因为锰在一定程度上能抵消硫的有害作用，有助于防止热裂形成，并且使钢保持高的塑性，降低钢的韧-脆性转变温度，同时可用其代替部分镍的作用，以节约贵重的镍并降低成本。但它也会增大钢的过热敏感性，在稍有过热的情况下，晶粒就发生粗化，同时增加回火脆性。

锻模铸钢基体含磷的质量百分比为≤0.01%。钢中的磷化物减弱钢的强度，增大钢的冷裂趋向。

锻模铸钢基体含硫的质量百分比为≤0.01%。由于硫化物在钢凝固过程终了时才凝固在钢的晶粒周界位置，显著降低钢的高温强度，促使热裂形成。含硫量高时，钢的组织中硫化物数量多，使钢的强度和塑性同时降低，增大冷裂趋向。

锻模铸钢基体含铬的质量百分比为0.3%-0.8%。使钢的淬透性能提高，起到固溶强化作用，提高钢在热处理状态下的强度和硬度。当质量百分比小于2%时，提高钢的塑性。但也同时增大了钢的回火脆性。

锻模铸钢基体含镍的质量百分比为0.1%-0.8%。提高钢的淬透性，并且使钢的共析点左移，在相同含碳量下，能获得更多的珠光体，有利于钢的强化；并且在强化的同时，使铁素体的塑性和韧性上升；不但提高钢的常温塑性和韧性，还可使韧脆性转变温度下降；镍不易氧化，在氧化气氛下。随着其他元素的被氧化消耗，镍在钢的表面逐渐富集，而形成化学稳定性较高的富镍层，提高钢的抗氧化能力。

锻模铸钢基体含钼的质量百分比为0.1%-0.5%。固溶于钢中，能显著提高钢的再结晶温度，因而能显著提高钢的高温强度，并显著提高钢的淬透性，与Cr、Mn元素等配合使用，可降低或抑制钢的回火脆性，

锻模铸钢基体含铜的质量百分比为≤0.5%。起固溶强化作用；提高钢的韧性，降低钢的韧脆性转变温度。同时铜能降低钢的熔点，从而改善钢液的流动性，有利于铸件生产。

采用正火加回火的热处理方式，能够进一步增强基体硬度，提高力学性能指标。

由本发明方法得到的用于双层堆焊制备锻模工艺的铸钢基体，其强度满足液压机用锻模模具，塑韧性好，碳当量在0.6-0.8，可焊接性能较好，焊接强化层与铸钢基体连接牢固，连接强度超过1000MPa，工作时不脱落。故同时较好地满足锻模模具在硬度、强度和韧塑性两方面的性能要求，同时又具有优异焊接性能，提高了基体与堆焊层结合强度，延长了锻模寿命，降低生产成本、同时节省锻造工序、缩短锻模制造周期。

具体实施方式

下面结合具体实验对本发明作进一步的验证和说明。

为了验证本发明效果，申请人进行了正交实验，实验时，对本发明的基体材料配方中，选取对材料性能起主要作用的C、Mn、Cr、Ni四种元素具体比例，采用正交试验进行验证，其工艺为经正火后回火的工艺制得铸钢基体，其中正火温度为980-1020℃；回火温度为550-600℃，检测得到的铸钢基体的强度等性能参数，然后再在铸钢基体表面采用背景技术所述的双层堆焊制备锻模工艺堆焊一层过渡层，检测堆焊过渡层后的连接强度。摘录部分正交实验数据如下表。

表1 屈服强度

表2 抗拉强度

由上述方差分析表看出，因子Ni对样品屈服强度的作用不显著，即可认为Ni是影响该铸钢强度的次要因素，从节约的角度出发，不妨以后采用Ni含量为0.1%。较好的因子搭配为C1Mn1Cr1，即C为0.35%，Mn为1.8%，Cr为0.8%。考虑到对碳当量的影响因素中，碳含量的高低是主要的，降低碳含量将会极大降低碳当量，从而增加铸钢可焊接性能，提高基体与强化焊层的连接强度，使其在生产过程中不脱落、变形等。

因此最终确定的主要元素百分比最优含量为C为0.2%，Mn为1.8%，Cr为0.8%，Ni为0.1%，其碳当量为0.7左右，可焊接性能较好。在此基础上，对其余元素比例按照中间值或最大值选取，其具体比例如下：碳元素含量0.2%、硅元素含量0.3%、锰元素含量1.8%、磷元素含量0.01%，硫元素含量0.01%，铬元素含量0.8%、镍元素含量0.1%、钼元素含量0.3%、铜元素含量0.5%，余量为铁；经正火后回火的工艺得到铸钢基体，其中正火温度为1000℃；回火温度为580℃。测试此铸钢基体的性能，其力学性能指标达到σ_s(屈服强度)=527MPa，σ_b(抗拉强度)=775MPa，δ(延伸率)=21%，ψ(收缩率)=51%，AKv=39J的要求。然后再在此铸钢基体上堆焊过渡层后，进行试验检测和微观分析，其焊接层元素含量过渡最为平稳，波动最小，基体与焊接层结合牢固，测试焊接层连接强度为1200MPa，故完全能够满足要求。

将上述最佳比例成分的样品制造锻模用于实际铸造，经实际生产实践，该锻模目前在4000T热模锻压机上已经生产合格锻件7166件，铸钢基体无变形破裂等情况出现，焊接强化层连接牢固，无脱落，满足使用要求。

Claims

1.一种用于双层堆焊制备锻模工艺的铸钢基体的制备方法，其特征在于，采用了由下述百分比元素构成的材料：碳元素含量0.2%、硅元素含量0.3%、锰元素含量1.8%、磷元素含量0.01%，硫元素含量0.01%，铬元素含量0.8%、镍元素含量0.1%、钼元素含量0.3%、铜元素含量0.5%，余量为铁；经正火后回火的工艺得到，其中正火温度为1000℃；回火温度为580℃；制得的铸钢基体，其力学性能指标为σ_s(屈服强度)≥380MPa，σ_b(抗拉强度)≥590MPa，δ(延伸率)≥14%，ψ(收缩率)≥30%，-40℃下AKv≥27J。

2.一种用于双层堆焊制备锻模工艺的铸钢基体，其特征在于，由权利要求1所述的制备方法制备，其力学性能指标为σ_s(屈服强度)≥380MPa，σ_b(抗拉强度)≥590MPa，δ(延伸率)≥14%，ψ(收缩率)≥30%，-40℃下AKv≥27J。