CN103334054A - 经济型含铝热挤压模具钢及其制备、热处理和表面处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种经济型含铝热挤压模具钢及其制备、热处理和表面处理方法。该发明钢各主要合金元素的质量百分比为：C0.45～0.60%，Si≤0.30%，Mn≤0.30%，Cr3.00～4.50%，Mo0.30～0.80%，V0.30～0.60%，Al0.50～0.90%，P＜0.015%，S＜0.015%，Fe余量。本发明钢的制备过程如下：配料、冶炼、浇涛，然后电渣重熔、退火；接着高温匀质化热处理、多向锻造、退火；再进行超细化热处理；最后进行淬回火热处理和表面处理。本发明钢成本低、韧性与H13钢相当且具有高耐磨和优良的回火抗力。因此，本发明使我国具备了自主研制高性能、长寿命热挤压模具钢的能力。

Description

经济型含铝热挤压模具钢及其制备、热处理和表面处理方法

技术领域

本发明涉及一种经济型含铝热挤压模具钢及其制备、热处理和表面处理方法，属合金钢制造工艺技术领域。

背景技术

热挤压模具是在高温、高压、磨损和热疲劳等恶劣条件下服役的。热挤压是塑性的金属坯料在压力的作用下通过挤压模具型腔形成所要求形状的型材或管材的过程。我国目前热挤压模具钢采用的是国家标准GB/T 1299-2000中的3Cr2W8V和H13（4Cr5MoSiV1）钢。

传统的热挤压模具钢是3Cr2W8V，于20世纪20年代开始在工业上使用，广泛用于黑色和有色金属热挤压模，是一种高热强性的热作模具钢，并具有良好的锻造和机械加工性能，使用温度可以达到650℃。但是W系模具钢导热性和抗热疲劳性能差，塑、韧性低，容易发生早期断裂。后来在20世纪80年代初，我国引进国外通用的Cr系热作模具钢H13（4Cr5MoSiV1），与高热强性热作模具钢3Cr2W8V相比，H13具有高的韧性和抗热震性，因此可以成功地取代因韧性或热疲劳性不足而引起失效的3Cr2W8V钢来制造热挤压模，但是这种替代一般限制在使用温度不超过600℃的条件下，除了使用温度受到一定的限制外，H13钢还存在较大的尺寸效应（尺寸效应是指许多材料当尺寸变化到某一极限时会丧失其原来可以利用的性质），在截面超过120mm×120mm以后，心部横向韧性显著下降，而心部冲击韧性也只有纵向表面的30～40％。

热挤压模具钢在使用过程中主要关注耐磨性、抗回火软化能力（高温热稳定性）以及抗冷热疲劳性能。H13钢作为热挤压模具钢，其化学成分含有较高的Mo、Cr和V元素及一定量的C元素，属于过共析钢，因此其电渣锭的偏析严重，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（“V2”型缺口）A_kV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具钢的关键技术指标，是衡量热挤压模具钢质量好坏的主要技术参数指标。另外，抗回火软化能力和耐磨性是热挤压模具钢极为重要的性能指标。在热挤压模的型腔通道上形成高硬度氮化层可以显著提高模具寿命和挤压型材的表面质量，因此在表面处理过程中热挤压模具钢应该具有良好的渗氮能力，而传统H13钢进行表面渗氮处理的硬度在1000~1050HV，没有达到较高的耐磨性要求。

因此，目前在国内外可持续、经济型的发展模式驱动下，从创新的角度出发针对市场特定需求，采用经济的合金化方法，充分利用合金元素配比对高温回火稳定性和耐磨性的作用，添加Al元素保证渗氮能力，开发了具备高回火抗力和渗氮能力的经济型含铝热挤压模具钢，其回火抗力是H13钢的3倍，渗氮后表面有白亮层，主要为AlN强化相，硬度比H13钢（CrN强化相）高150~200HV，扩散层比H13钢深80~120μm。本发明为我国自主研制高性能、长寿命热挤压模具钢迈出了重要一步。

发明内容

针对现有的技术缺陷，本发明的目的是提供一种经济型含铝热挤压模具钢及其制备、热处理和表面处理方法。其目的是采用一种经济的化学成分配比，在H13钢的基础上提高C含量，降低Si、Cr、Mo含量，合金总含量比H13少2.5%~3.5%，通过Cr、Mo的平衡获得高回火抗力，同时在基体中添加Al元素后经表面渗氮处理可形成AlN高耐磨强化相，解决了H13钢表面渗氮处理后抗回火软化能力差和耐磨性弱的缺陷。同时，合金含量的减少也大大降低了生产成本，使其具备了高的性价比。因此，本发明满足了我国当前热挤压模专用钢品种缺乏的现状，使我国具备了自主研制高性能、长寿命热挤压模具钢的能力。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种经济型含铝热挤压模具钢，各主要合金元素的质量百分比为：

C                   0.45～0.60%

Si                      ≤0.30%

Mn                     ≤0.30%

Cr                  3.00～4.50%

Mo                 0.30～0.80%

V                       0.30～0.60%

Al                      0.50～0.90%

P                         ＜0.015%

S                         ＜0.015%

Fe                          余量

一种制备、热处理和表面处理经济型含铝热挤压模具钢的方法，该方法具有以下步骤：

A.    冶炼：按经济型含铝热挤压模具钢的化学成分及重量百分比：C 0.45～0.60%，Si ≤0.30%，Mn ≤0.30%，Cr 3.00～4.50%，Mo 0.30～0.80%，V 0.30～0.60%，Al 0.50～0.90%，P＜0.015%，S＜0.015%，Fe余量，进行配料、感应熔炼或电弧炉熔炼、然后浇注成钢锭，待下一步使用；

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55~65V，电流3500~5500A、电制度电压55~60V，电流11500~12500A，封顶电压58~62V，电流时间36~48min，电渣重熔成500kg电渣锭；电渣重熔可以进一步通过渣洗和在熔池中上浮去除夹杂物，从而消除或减轻了各种宏观和微观缺陷，提高钢锭的成分和组织均匀性；

C.     电渣重熔后于750～850℃保温8~10小时后随炉冷却；

D.    高温均质化：温度为1200～1260℃，时间为8～12h；

E.     锻造：将经过高温均质化处理的钢锭降温至1080～1180℃温度范围内进行多向锻造加工，锻造比≥6，终锻温度≥900℃；

F.      锻后退火：于840℃～890℃保温8~10小时，随炉冷却；

G.    超细化热处理：温度为1090～1130℃，时间为7～12h；然后快冷（油冷或水冷等）至250℃以下；再热送回热处理炉，待下一步工序；

H.    等温退火：第一阶段等温退火温度为820～840℃，退火时间为6～8h；第二阶段等温退火温度为710～740℃，退火时间为8～12h；

I.       热处理：1030～1100℃淬火，采用油冷或水冷却至250℃以下空冷；随后进行560～630℃回火处理，回火2～3次，每次回火保温2～4小时；

J.       表面处理：530~570℃渗氮8~12h，渗氮气氛为氨气，流量580~620mL/min，炉内气压630~670Pa。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

经合金优化设计以及推荐热处理工艺，该经济型含铝热挤压模具钢克服了目前热挤压模广泛使用的H13钢在同等韧性条件下，回火抗力和耐磨性较差的缺点。与常用的H13钢相比，提高了C，降低了Si、Cr、Mo含量，合金总含量比H13少2.5%~3.5%，降低了热挤压模具钢的合金成本；通过Cr、Mo的平衡使本发明钢种获得高回火抗力；同时基体中加入Al元素，在表面渗氮后可形成AlN强化相，硬度高达1200HV以上，比H13钢渗氮后形成的CrN硬度高150~200HV，且本发明钢渗氮后的渗层厚度比H13钢渗氮后深度深约80~120μm，大大提高了热挤压模表面耐磨性。

附图说明

图1为本发明经济型含铝热挤压模具钢与H13钢淬回火态冲击韧性对比。

图2为本发明经济型含铝热挤压模具钢与H13钢热稳定性（回火抗力）对比。

图3为本发明经济型含铝热挤压模具钢与H13钢渗氮层显微硬度梯度对比。

图4为本发明经济型含铝热挤压模具钢与H13钢渗氮层对比图。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于下。

实施例

本实例中，采用经济型含铝热挤压模具钢的组成成分及其重量百分比如下：

C                      0.56%

Si                      0.20%

Mn                     0.24%

Cr                      3.00%

Mo                     0.42%

V                           0.36%

Al                          0.70%

P                          0.010%

S                          0.012%

Fe                           余量

本实施例中，经济型含铝热挤压模具钢的制备、热处理、表面处理工艺步骤如下：

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Ф400mm-Ф450mm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55~65V，电流3500~5500A，电制度电压55~60V，电流11500~12500A，封顶电压58~62V，电流时间36~48min，电渣重熔成500kg电渣锭；

C    电渣重熔后于750℃～800℃保温8~10小时后随炉冷却；

D    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，消除成分偏析和大块状液析碳化物；

E     锻造：将经过高温均质化热处理钢锭降温至1080～1180℃温度范围内进行多向锻造加工，锻造比≥6，终锻温度≥900℃；

F     锻后退火：于850℃～860℃保温8~10小时，随炉冷却；

G    超细化：超细化温度为1090～1110℃，超细化时间为8～10h；然后快冷至250℃以下；再热送回热处理炉，待下一步工序；

H    等温退火：第一阶段等温退火温度为820～840℃，退火时间为6～8h；第二阶段等温退火温度为720～740℃，退火时间为10～12h；

I      热处理：1030℃淬火，采用油冷；随后进行600℃回火处理，回火两次，每次回火保温2小时；

J      表面渗氮处理：550℃渗氮10h，渗氮气氛为氨气，流量600mL/min，炉内气压650Pa。

本发明经济型含铝热挤压模具钢经过上述冶炼及热加工和热处理后，最终成品规格为Ф260mm圆钢，取样进行性能测试并与同等条件下的H13钢进行对比：

A    淬回火态硬度

淬火硬度：55HRC；回火硬度：45HRC。

B    淬回火态冲击韧性

在坯料上取横向冲击试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，开V2型缺口（采用北美压铸协会NADCA#207标准）。室温冲击功值：本发明钢种18J，H13钢19J，冲击韧性水平相当，都达到NADCA#207标准的超级钢冲击功要求，测试结果如附图1所示。

C    热稳定性（回火抗力）

本发明钢在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45HRC，试验结果如附图2所示。由附图2可见，随着保温时间的延长，本发明钢与H13钢硬度差越来越大，H13钢硬度下降比本发明钢越来越快，在620℃下保温20h的热稳定性曲线变化情况来看，本发明钢的抗回火软化能力是H13钢的3倍。

D    渗氮层显微硬度梯度

对渗氮后的试样截面磨抛后从表层到基体进行维氏硬度测试，结果如附图3所示。本发明钢的表面渗氮层硬度大于1200HV，而H13钢为1000~1050HV，本发明钢渗氮层硬度高出H13约150~200HV。

E     渗氮层组织

对渗氮后的试样截面按照金相制备方法，磨抛腐蚀后观察，如附图4所示。本发明钢存在白亮层（即AlN化合物层），而H13钢的白亮层（即CrN化合物层）几乎看不到；且本发明钢的渗氮层厚度比H13要高出80~120μm。 

Claims (2)

1.一种经济型含铝热挤压模具钢，其特征在于，该钢的化学成分在H13钢的基础上提高C含量，降低Si、Cr、Mo含量，合金含量比H13少2.5%~3.5%，Cr、Mo的平衡获得高回火抗力，添加Al后表面渗氮能够形成AlN高耐磨强化相，各主要合金元素的质量百分比为：C 0.45～0.60%，Si ≤0.30%，Mn ≤0.30%，Cr 3.00～4.50%，Mo 0.30～0.80%，V 0.30～0.60%，Al 0.50～0.90%，P＜0.015%，S＜0.015%，Fe余量。

2.一种制备、热处理和表面处理经济型含铝热挤压模具钢的方法，应用于制备、热处理和表面处理权利要求1所述的经济型含铝热挤压模具钢，其特征在于，该方法具有以下步骤：

A.    冶炼：按经济型含铝热挤压模具钢的化学成分及重量百分比：C 0.45～0.60%，Si ≤0.30%，Mn ≤0.30%，Cr 3.00～4.50%，Mo 0.30～0.80%，V 0.30～0.60%，Al 0.50～0.90%，P＜0.015%，S＜0.015%，Fe余量，进行配料、感应熔炼或电弧炉熔炼、然后浇注成钢锭，待下一步使用；

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55~65V，电流3500~5500A，电制度电压55~60V，电流11500~12500A，封顶电压58~62V，电流时间36~48min，电渣重熔成500Kg电渣锭；进一步通过渣洗和在熔池中上浮去除夹杂物，从而消除或减轻了各种宏观和微观缺陷，提高钢锭的成分和组织均匀性；

C.     电渣重熔后于750℃～850℃保温8~10小时后随炉冷却；

D.    高温均质化：均质化温度为1200～1260℃，匀质化时间为8～12h；

E.     锻造：将经过高温均质化热处理钢锭降温至1080～1180℃温度范围内进行多向锻造加工，锻造比≥6，终锻温度≥900℃；

F.      锻后退火：于840℃～890℃保温8~10小时，随炉冷却；

G.    超细化：超细化温度为1090～1130℃，超细化时间为7～12h；然后油冷或水冷至250℃以下；再热送回热处理炉，待下一步工序；

H.    等温退火：第一阶段等温退火温度为820～840℃，退火时间为6～8h；第二阶段等温退火温度为710～740℃，退火时间为8～12h；

I.       热处理：1030～1100℃淬火，采用油冷或水冷却至250℃以下空冷；随后进行560～630℃回火处理，回火2～3次，每次回火保温2～4小时；

J.       表面处理：530~570℃渗氮8~12h，渗氮气氛为氨气，流量580~620mL/min，炉内气压630~670Pa。

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