CN109022697A - 一种非调质模具钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种非调质易切削模具钢，以质量百分比计，具有如下组分：C：0.35‑0.55％，Si：1.5‑2.2％，Mn：1.8‑2.4％，Cr：0.5‑0.9％，S：0.05‑0.15％，Mg：0.001‑0.015％，Al：0.01‑0.05％，Ca：0.0006‑0.0012％，V：0.1‑0.3％，Mo：0.1‑0.6％，RE：0.05‑0.1％；N：0.01‑0.08％，Nb:0.1‑0.25％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

Description

一种非调质模具钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢铁行业的合金钢冶炼工艺，尤其是指非调质易切削模具钢生产工艺。
背景技术
易切削钢是在钢中加入一种或几种元素，利用其本身或其他元素形成对切削加工有利的夹杂物来改善钢材的切削性。易切削钢有较好的切削加工性能和较好的表面光洁度，能降低产品的制造成本。
非调质钢是不经过调质处理可达到性能要求的机械结构钢，采用此类钢制造零件，可省去调质热处理工序和装备，同时，避免了热处理过程中的所产生的废品，减少了污染，低了能耗，这种钢属节能型钢材。
模具钢对于现代工业而言至关重要，对模具钢材料要求主要包括适当的力学性能、良好的切削加工性能、较好的抛光、花纹蚀刻、耐蚀及焊接性能等。汽车业和大型家电制造业是塑料模具消费的重要用户，在此类模具的生产环节中，相对于模具钢模块生产成本，产品机加工所需的费用往往更高，在某些特殊产品制造中甚至可达到整个模具成本的80％，与此同时，产品生命周期的缩短和更新换代速度的加快倒逼着模具生产时间压缩，良好的机加工性能已成为判定模具钢材料质量的一个重要指标。
发明内容
本发明提供了一种具有良好切削性能的非调质模具钢，通过Mg、Ca、RE、 Al等的复合添加，在满足原有模具钢性能要求的基础上进一步降低了其加工成本和生产成本，降低了模具材料的生产能耗，缩短产品生产周期，适合大范围推广使用。
具体技术方案是：
一种模具钢，以质量百分比计，具有如下组分：
C：0.35-0.55％，Si：1.5-2.2％，Mn：1.8-2.4％，Cr：0.5-0.9％，S：0.05-0.15％，Mg：0.001-0.015％，Al：0.01-0.05％，Ca：0.0006-0.0012％，V：0.1-0.3％，Mo： 0.1-0.6％，RE：0.05-0.1％；N：0.01-0.08％，Nb:0.1-0.25％,余量为Fe和不可避免的杂质元素。
优选的，所述合金组分满足以下公式：
1.5≦(V％+Nb％+Cr％)/(N％+C％)≦3 公式1
Al％/Mg％≧3 公式2
0.02≦(Ca％+Mg％)/S％≦0.15 公式3
本发明的易切削非调质钢通过如下工艺步骤进行制造：
(1)冶炼及合金化，电炉冶炼、出钢，LF炉外精炼，为保证钢中易切削夹杂物形态，在炉外精炼时采用先向钢中加入Ca-Si线进行处理，再向钢中加入 Mg-Al-RE中间合金进行处理；
(2)在保护气氛下进行浇铸，获得铸锭；
(3)经过1050-1150℃的均匀化处理后进行锻造，锻后空冷；
(4)进行回火处理。优选的，进行两次回火，第一次回火温度为450～550 ℃，时间0.5-5h，第二次回火温度为180-220℃，时间0.5-3h。
本发明所述易切削非调质钢的抗拉强度可达1200MPa以上，屈服强度达 800Mpa以上，且冲击韧性≧48J/cm2，硬度可达45HRC以上，且与本领域常用的模具钢40Cr相比，切削性能显著提升。
本发明各元素的作用：
C：0.35-0.55％
主要的奥氏体化元素、主要的强化元素，随着含碳量提高，钢的析出硬化效果愈加显著，为了保证足够碳化物的析出，本发明中的C含量应不低于 0.35％。
Si：1.5-2.2％
Si可作为脱氧元素，在钢中不形成碳化物，能固溶于铁素体中影响钢的强度性能。钢经450～550℃回火后，会促进钢产生二次硬化效应，提高钢的高温强度，且能够有效提高钢在高温下的抗氧化能力，提高在氧化介质之中的耐蚀性。为了获得上述性能，本发明中控制Si含量为1.5-2.2％。
Mn：1.8-2.4％
Mn在钢中起到固溶强化的作用，同时能增加钢的淬透性。
S：0.05-0.15％
添加S元素，使钢中形成MnS夹杂物，特别是使钢中不易变形的氧化物夹杂被硫化物包裹而使钢的切削加工性能增加。
Mg：0.001-0.03％
通过Mg-Al-RE的复合添加脱氧，可以将钢中氧的含量降低到更低的含量，且在钢液凝固过程中，其MgO-Al2O3形成细小的镁铝尖晶石类夹杂物，作为硫化物的形核核心，可以促进硫化物的析出和均匀分布，同时能起到改变硫化物形态，形成氧化镁为核心硫化锰为覆盖层的纺锤体夹杂，从而提高易切削性。同时，Mg与Al、Si、Ca一起形成MgO-SiO2-CaO-Al2O3复合球化物，大大改善合金的切削性能。此外，镁铝尖晶石类夹杂物还可作为碳化物的析出核心，起到细化碳化物的作用，从而整体提高钢材的强韧性。
Al：
作为脱氧元素加入，能与Mg一起起到复合脱氧的作用，同时形成复合球化物改善切削性能。同时Al在钢中易于形成细小的AlN颗粒阻碍奥氏体晶粒粗大化，但过量Al的加入会影响的钢的韧性。
本发明中优选加入的Mg、Al含量满足Al％/Mg％≧3，由此可以保证合合金的韧性满足要求。
Ca：0.0006-0.0012％
在钢液凝固过程中，钙的氧化产物作为硫化物形核核心，可以促进硫化物的析出和硫化物的均匀分布。同时与Al、Si、Mg一起形成MgO-SiO2-CaO-Al2O3复合球化物，由此改善切削性能。
本发明的发明人惊奇的发现，在控制钢中的Mg、Ca、S含量满足0.02≦ (Ca％+Mg％)/S％≦0.15时，钢材的切削性能有明显的改善，这可能与复合氧化物的形成量对硫化物形态的控制有关。
Cr：0.5-0.9％，V：0.1-0.3％，Nb:0.1-0.25％
V、Cr、Nb均是强碳化物和氮化物形成元素，当这三种元素复合加入，相互间有较好配比时，可进一步提高钢的析出硬化效果。当满足如下关系式时，
1.5≦(V％+Nb％+Cr％)/(N％+C％)≦3
能够保证钢中足够量碳化物的析出，以满足硬度需求。
Mo：0.1-0.6％
Mo是重要的碳化物形成元素，特别是在可以通过回火硬化大幅提高回火的钢材硬度，提高钢材耐磨性。
在本发明的制造工艺中，炉外精炼时采用先向钢中加入Ca-Si线进行处理，再向钢中加入Mg-Al-RE中间合金进行处理。通过控制微量合金元素的添加顺序，能够获得所希望的夹杂物形态，从而达到细化组织，并提高切削性能的效果。
在回火工艺中，首先通过450～550℃的高温回火，促进碳化物的析出，有效提高钢材的硬度，再通过180-220℃的低温回火降低钢材的应力，提高韧性，从而获得强韧性满足要求的模具钢。
具体实施方式
实施例1-6、对比例1-6的具体组分见下表1，并均按照以下步骤进行制备：
冶炼及合金化，电炉冶炼、出钢，LF炉外精炼。为保证钢中易切削夹杂物形态，在炉外精炼时采用先向钢中加入Ca-Si线进行处理，再向钢中加入 Mg-Al-RE中间合金进行处理；
在保护气氛下进行浇铸，获得铸锭；
经过1050-1150℃的均匀化处理后进行锻造，锻后空冷；
进行回火处理。优选的，进行两次回火，第一次回火温度为450～550℃，时间0.5-5h，第二次回火温度为180-220℃，时间0.5-3h。
对二次回火处理后的试样1-6、B1-B8，进行了力学性能，并记录采用相同刀具连续切削30min后的刀具磨损量，以此评价其切削性能。具体结果参见表 2。
由表2可以看出，B1由于缺少元素Mo而造成硬度明显降低，B2由缺少元素RE而导致硬度和易切削都显著降低，B3、B4由于不满足公式1的要求，而导致硬度显著降低。B5不满足公式3而导致切削性能显著降低。B6不满足公式2而导致强度不足。
在相同条件下对本领域常用的40Cr模具钢进行测试，30min的刀具磨损量为0.44mm，可见本发明的模具钢的切削性能有显著的提升。
此外，在生产试样6组分的钢材时，改变炉外精炼时Ca、Mg的加入顺序，先向钢中加入Mg-Al-RE中间合金，最后加入Ca-Si线，之后实施相同的热加工和热处理工艺，由此获得对比例B7。对B7进行切削性能测试，发现其30min 的刀具磨损量达0.35mm，远高于试样6。由此可见，本申请中的Mg、Ca加入顺序也是至关重要的。
上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种非调质易切削模具钢，以质量百分比计，具有如下组分：
C：0.35-0.55％，Si：1.5-2.2％，Mn：1.8-2.4％，Cr：0.5-0.9％，S：0.05-0.15％，Mg：0.001-0.015％，Al：0.01-0.05％，Ca：0.0006-0.0012％，V：0.1-0.3％，Mo：0.1-0.6％，RE：0.05-0.1％；N：0.01-0.08％，Nb:0.1-0.25％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的非调质易切削模具钢，其特征在于：满足如下公式
1.5≦(V％+Nb％+Cr％)/(N％+C％)≦3 公式1
Al％/Mg％≧3 公式2
0.02≦(Ca％+Mg％)/S％≦0.15 公式3。
3.根据权利要求1所述的非调质易切削模具钢，其特征在于：所述钢的抗拉强度达1200MPa以上，屈服强度达800Mpa以上，且冲击韧性≧48J/cm2，硬度达45HRC以上。
4.如权利要求1所述的非调质易切削模具钢的制备方法，其特征在于：按照以下步骤进行制备，
(1)冶炼及合金化，电炉冶炼、出钢，LF炉外精炼，为保证钢中易切削夹杂物形态，在炉外精炼时采用先向钢中加入Ca-Si线，再向钢中加入Mg-Al-RE中间合金进行处理；
(2)在保护气氛下进行浇铸，获得铸锭；
(3)经过1050-1150℃的均匀化处理后进行锻造，锻后空冷；
(4)进行回火处理。
5.如权利要求4所述的非调质易切削模具钢的制备方法，其特征在于：步骤(4)的回火步骤分两次进行，第一次回火温度为450～550℃，时间0.5-5h，第二次回火温度为180-220℃，时间0.5-3h。
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