CN110343963B - 一种热作模具钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热作模具钢及其制备方法,该热作模具钢由以下各组成元素组成:碳0.396‑0.397wt%,硅0.975‑1.03wt%,锰0.427‑0.514wt%,钼1.55‑1.59wt%,铬4.94‑5.10wt%,钒0.984‑1.04wt%,钛0.044‑0.127wt%,余量为铁及不可避免的杂质。本发明的热作模具钢,在H13钢成分的基础上添加Ti元素,一方面起到控制晶粒尺寸,防止晶粒过大增长,增加析出强化和细晶强化的作用,从而提升钢的强度和硬度;另一方面,钛与碳反应生成碳化钛具有硬度高和热稳定性好的优点,起到沉淀强化的作用,形成微Ti合金化。本发明的热作模具钢的室温洛氏硬度、室温抗拉强度,室温拉伸断面收缩率,高温下拉伸断面收缩率和高温下抗拉强度均得到显著的提高,综合力学性能明显增强。
Description
技术领域
本申请涉及新材料技术领域,具体涉及一种热作模具钢及其制备方法。
背景技术
热作模具是用来将加热的金属或液体金属制成所需产品的工装,如热锻模具、热镦模具、热挤压模具、压铸模具和高速成型模具等,各种热作模具都是在较高温度下进行工作的,尤其是在钢的热挤压中和钢的压铸中,钢的温度在1200~1500℃范围,因此对热作模具钢最主要的性能要求是钢的耐热性,其次是韧性和抗冷热疲劳性能。热作模具所采用的各种模具用钢统称为热作模具钢。
H13钢为热作模具钢常用钢种,主要用于压铸模、热锻模、热挤压模,占热作模具钢总产量的50%以上,其具有良好的淬透性、红硬性、耐磨性及优良的抗热裂性,牌号4Cr5MoSiV1。由于H13钢性价比高及拥有较好的工艺性能,被广泛用于铝挤压模具用钢。但是H13钢存在以下缺点:热处理变形率较低,断面收缩率较低,抗拉强度低,使用温度高于540℃时,硬度迅速下降。因此,采用H13钢制备得到的热作模具在使用过程中会出现塑性变形、开裂、磨钝、搓板状花纹和热磨损等。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种高温性能好的热作模具钢,具体是一种断面收缩率高、高温抗拉强度高的热作模具钢。
本发明的第二个目的在于提供一种热作模具钢的制备方法。
为实现上述目的,本发明的技术方案是:
一种热作模具钢,由以下各组成元素组成:碳0.396-0.397wt%,硅0.975-1.03wt%,锰0.427-0.514wt%,钼1.55-1.59wt%,铬4.94-5.10wt%,钒0.984-1.04wt%,钛0.044-0.127wt%,余量为铁及不可避免的杂质。
本发明的热作模具钢,在H13钢成分的基础上添加钛元素,一方面起到控制晶粒尺寸,防止晶粒过大增长,增加析出强化和细晶强化的作用,从而提升钢的强度和硬度;另一方面,添加的钛元素形成微钛合金化,钛与碳反应生成碳化钛,起到沉淀强化的作用,从而增加热作模具钢的硬度和热稳定性,钛、钒与碳反应生成MC型碳化物,稳定性好的MC型碳化物,有利于阻止材料热循环中的硬度下降,延缓M23C6型碳化物的生长,可提高模具钢的高温稳定性,改善其热疲劳抗力。
本发明的热作模具钢的室温洛氏硬度、室温抗拉强度,室温拉伸断面收缩率,高温下拉伸断面收缩率和高温下抗拉强度均得到显著的提高,综合力学性能明显增强,室温下硬度达到51.0HRC~51.9HRC,抗拉强度达到1755MPa~1803MPa,断面收缩率达到40.0%~46.4%;高温(450℃)下抗拉强度达到1512MPa~1531MPa,高温(450℃)下断面收缩率达到49.0%~50.0%。
为进一步提高热作模具钢的断面收缩率和抗拉强度,优选的,不可避免的杂质包括硫元素、磷元素、氮元素和氧元素。
为进一步提高热作模具钢的断面收缩率和抗拉强度,优选的,所述硫元素的含量≤0.0037wt%,所述磷元素的含量≤0.0064wt%,所述氮元素的含量≤0.0044wt%,所述氧元素的含量≤20ppm。
为进一步提高细晶强化作用和沉淀强化作用,优选的,所述氮元素含量的3.4倍与所述硫元素含量的3倍之和小于所述钛元素的含量。
一种热作模具钢的制备方法,包括以下步骤:
(1)按照热作模具钢中各组成元素的重量百分比选用原料铁、含硅原料、含锰原料、钼、铬、钒铁、钛,于1570~1650℃、在保护气氛下熔炼,得熔体;含硅原料为硅或硅铁;含锰原料为锰或锰铁;
(2)将熔体在1570~1650℃条件下保温2.5~3h,真空压铸成型,得铸件;
(3)将铸件锻造、退火,得锻后退火件;
(4)将锻后退火件淬火、回火,即得。
本发明的热作模具钢的制备方法,通过选用特定组成的原料,选用特定的熔炼温度1570~1650℃,在保护性气氛下进行熔炼,减少含硅原料、含锰原料、钼、铬、钒铁和钛的氧化;不仅简化了热作模具钢的制备方法,且得到的热作模具钢晶相合适,提高了热作模具钢的室温洛氏硬度、室温抗拉强度,室温拉伸断面收缩率,高温下拉伸断面收缩率和高温下抗拉强度。
为进一步去除热作模具钢中的杂质,优选的,步骤(1)中于1570~1650℃、在保护气氛下熔炼之前,将所述原料铁真空冶炼。
为进一步优化热作模具中晶相的组成结构,优选的,步骤(3)中锻造的锻造比为7~8。
为进一步减小热作模具中的应力,优选的,步骤(3)中退火为在900~950℃下保温6~7h,从900~950℃降温至500~550℃后出炉空冷。
为进一步提高热作模具的硬度,优选的,步骤(4)中淬火的保温温度为1040~1050℃,保温时间为25~30min。
为进一步减小热作模具中的应力,优选的,步骤(4)中回火为二次回火,第一次回火的保温温度为580~600℃,第一次回火的保温时间为2h,第二次回火的保温温度为580~600℃,第二次回火的保温时间为2h。
优选的,所述保护气氛为氩气、氮气、氦气中的一种或两种以上。
优选的,所述保护气氛的压强为20000Pa。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。以下实施例中,工业纯铁棒、电解锰、锰铁、工业硅条、硅铁、工业钼条、金属铬、钒铁合金、海绵钛,熔炼、搅拌、真空压铸、模具、锻造、退火、淬火、回火等设备和原料均可通过市售常规渠道获得。
本发明的热作模具钢的实施例1
本实施例的热作模具钢,由以下各组成元素组成:碳0.397wt%,硅1.03wt%,锰0.514wt%,钼1.59wt%,铬4.94wt%,钒1.04wt%,钛0.044wt%,余量为铁及不可避免的杂质。
本发明的热作模具钢的实施例2
本实施例的热作模具钢,由以下各组成元素组成:碳0.396wt%,硅0.975wt%,锰0.427wt%,钼1.55wt%,铬5.10wt%,钒0.984wt%,钛0.127wt%,余量为铁及不可避免的杂质。
本发明的热作模具钢的制备方法实施例1
本实施例的热作模具钢的制备方法,包括以下步骤:
(1)该热作模具钢,由以下各组成元素组成:碳0.397wt%,硅1.03wt%,锰0.514wt%,钼1.59wt%,铬4.94wt%,钒1.04wt%,钛0.044wt%,余量为铁及不可避免的杂质;按照热作模具钢中各组成元素的重量百分比选用原料工业纯铁棒、工业硅条、电解锰、工业钼条、金属铬、钒铁、海绵钛;将工业纯铁棒加入铝镁坩埚中,送电升温开始熔炼,熔炼温度为1570℃,并保持整个熔炼过程真空度在10pa以下,待工业纯铁棒全部熔化后,通入氩气,氩气的压强为20000Pa,加入工业硅条、电解锰、工业钼条、金属铬、钒铁、海绵钛,搅拌,得粗炼熔体;在混合均匀的粗炼熔体中加入精炼剂,静置20min后除去熔渣,得熔体;
(2)将步骤(1)中的熔体升温至1570℃,保温2.5h后真空压铸入模具,模具中含有铸型,保压2s,去除模具,得铸件;铸型的材质为铸铁;
(3)将铸件锻造,退火,得锻后退火件;锻造的锻造比为7;退火为在900℃下保温6h,从900℃降温至500℃后出炉空冷;
(4)淬火和回火:将锻后退火件淬火、回火,即得热作模具钢;淬火的保温温度为1040℃,保温时间为25min;回火为二次回火,第一次回火的保温温度为580℃,第一次回火的保温时间为2h,第二次回火的保温温度为600℃,第二次回火的保温时间为2h。
本发明的热作模具钢的制备方法实施例2
本实施例的热作模具钢的制备方法,包括以下步骤:
(1)该热作模具钢,由以下各组成元素组成:碳0.396wt%,硅0.975wt%,锰0.427wt%,钼1.55wt%,铬5.10wt%,钒0.984wt%,钛0.127wt%,余量为铁及不可避免的杂质;按照热作模具钢中各组成元素的重量百分比选用原料工业纯铁棒、硅铁、锰铁、工业钼条、金属铬、钒铁、海绵钛;将工业纯铁棒加入铝镁坩埚中,送电升温开始熔炼,熔炼温度为1650℃,并保持整个熔炼过程真空度在10pa以下,待工业纯铁棒全部熔化后,通入氩气,氩气的压强为20000Pa,加入硅铁、锰铁、工业钼条、金属铬、钒铁、海绵钛,搅拌,得粗炼熔体;在混合均匀的粗炼熔体中加入精炼剂,静置20min后除去熔渣,得熔体;
(2)将步骤(1)中的熔体升温至1650℃,保温3h后真空压铸入模具,模具中含有铸型,保压2s,去除模具,得铸件;铸型的材质为铸铁;
(3)将铸件锻造,退火,得锻后退火件;锻造的锻造比为8;退火为在950℃下保温7h,从950℃降温至550℃后出炉空冷;
(4)淬火和回火:将锻后退火件淬火、回火,即得热作模具钢;淬火的保温温度为1050℃,保温时间为30min;回火为二次回火,第一次回火的保温温度为600℃,第一次回火的保温时间为2h,第二次回火的保温温度为580℃,第二次回火的保温时间为2h。
本发明的热作模具钢的制备方法对比例1
本对比例的热作模具钢的制备方法,包括以下步骤:
(1)该热作模具钢,由以下各组成元素组成:碳0.381wt%,硅0.895wt%,锰0.334wt%,钼1.62wt%,铬5.11wt%,钒0.983wt%,余量为铁及不可避免的杂质;按照热作模具钢中各组成元素的重量百分比选用原料工业纯铁棒、工业硅条、电解锰、工业钼条、金属铬、钒铁;将工业纯铁棒加入铝镁坩埚中,送电升温开始熔炼,熔炼温度为1570℃,并保持整个熔炼过程真空度在10pa以下,待铁棒全部熔化后,通入氩气,氩气的压强为20000Pa,加入工业硅条、电解锰、工业钼条、金属铬、钒铁,搅拌,得粗炼熔体;在混合均匀的粗炼熔体中加入精炼剂,静置20min后除去熔渣,得熔体;
(2)将步骤(1)中的熔体升温至1570℃,保温2.5h后真空压铸入模具,模具中含有铸型,保压2s,去除模具,得铸件;铸型的材质为铸铁;
(3)将铸件锻造,退火,得锻后退火件;锻造的锻造比为7;退火为在900℃下保温6h,从900℃降温至500℃后出炉空冷;
(4)淬火和回火:将锻后退火件淬火、回火,即得热作模具钢;淬火的保温温度为1040℃,保温时间为25min;回火为二次回火,第一次回火的保温温度为580℃,第一次回火的保温时间为2h,第二次回火的保温温度为600℃,第二次回火的保温时间为2h。
试验例:
力学性能试验:
按中华人民共和国国家标准GB/T228-2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》将热作模具钢的制备方法实施例1-2及对比例1中制备得到的热作模具钢加工成标准拉伸试样,在SHIMADZU AG-I 250KN万能拉伸试验机上进行室温拉伸试验及高温(450℃)拉伸试验,拉伸速率为1mm/min。采用200HRS-150型数显洛氏硬度计对试样硬度进行测量。对比例1及实施例1-2中制备得到的热作模具钢力学性能如表1所示。
表1:热作模具钢的制备方法实施例1-2及对比例1中制备得到的热作模具钢
力学性能
结果显示:本发明制备的热作模具钢具有较高的室温洛氏硬度、室温抗拉强度、室温拉伸断面收缩率,以及较高的高温(450℃)抗拉强度、断面收缩率,综合力学性能明显增强。其中,实施例2中制备得到的热作模具钢相较对比例1中的热作模具钢,室温下硬度和抗拉强度分别提高了4.7HRC和258MPa,分别达到51.9HRC和1803MPa,断面收缩率从35.0%提升到46.4%;高温(450℃)下抗拉强度达到1531MPa,提高了192MPa,断面收缩率从38.8%提升到50.0%。表明本发明的热作模具钢特别适用于具有室温和高温下高强度、高硬度、高断面收缩率要求的热挤压模领域。
Claims (7)
1.一种热作模具钢,其特征在于,由以下各组成元素组成:碳0.396-0.397wt%,硅0.975-1.03wt%,锰0.427-0.514wt%,钼1.55-1.59wt%,铬4.94-5.10wt%,钒0.984-1.04wt%,钛0.044-0.127wt%,余量为铁及不可避免的杂质;
所述热作模具钢的制备方法,包括以下步骤:
(1)按照热作模具钢中各组成元素的重量百分比选用原料铁、含硅原料、含锰原料、钼、铬、钒铁、钛,于1570~1650℃、在保护气氛下熔炼,得熔体;含硅原料为硅或硅铁;含锰原料为锰或锰铁;
(2)将熔体在1570~1650℃条件下保温2.5~3h,真空压铸成型,得铸件;
(3)将铸件锻造、退火,得锻后退火件;所述锻造的锻造比为7~8;所述退火为在900~950℃下保温6~7h,从900~950℃降温至500~550℃后出炉空冷;
(4)将锻后退火件淬火、回火,即得;所述淬火的保温温度为1040~1050℃,保温时间为25~30min。
2.如权利要求1所述热作模具钢,其特征在于,不可避免的杂质包括硫元素、磷元素、氮元素和氧元素。
3.如权利要求2所述热作模具钢,其特征在于,所述硫元素的含量≤0.0037wt%,所述磷元素的含量≤0.0064wt%,所述氮元素的含量≤0.0044wt%,所述氧元素的含量≤20ppm。
4.如权利要求2所述热作模具钢,其特征在于,所述氮元素含量的3.4倍与所述硫元素含量的3倍之和小于所述钛元素的含量。
5.一种如权利要求1所述热作模具钢的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)按照热作模具钢中各组成元素的重量百分比选用原料铁、含硅原料、含锰原料、钼、铬、钒铁、钛,于1570~1650℃、在保护气氛下熔炼,得熔体;含硅原料为硅或硅铁;含锰原料为锰或锰铁;
(2)将熔体在1570~1650℃条件下保温2.5~3h,真空压铸成型,得铸件;
(3)将铸件锻造、退火,得锻后退火件;所述锻造的锻造比为7~8;所述退火为在900~950℃下保温6~7h,从900~950℃降温至500~550℃后出炉空冷;
(4)将锻后退火件淬火、回火,即得;所述淬火的保温温度为1040~1050℃,保温时间为25~30min。
6.如权利要求5所述热作模具钢的制备方法,其特征在于,步骤(1)中于1570~1650℃、在保护气氛下熔炼之前,将所述原料铁真空冶炼。
7.如权利要求5所述热作模具钢的制备方法,其特征在于,步骤(4)中回火为二次回火,第一次回火的保温温度为580~600℃,第一次回火的保温时间为2h,第二次回火的保温温度为580~600℃,第二次回火的保温时间为2h。
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GR01 | Patent grant | ||
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