CN110699597A - 一种热作模具钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料成分设计与制备领域,具体为一种热作模具钢材料及其制备方法。按重量百分比计,此热作模具钢由以下组分和含量组成:C为0.40~0.60%;Si为0.20~0.70%;Mn为0.20~0.80%;Cr为4.00~6.00%;Mo为1.70~2.50%;V为0.30~0.60;W为≤0.30;Ni为0.10~2.00;Al≤0.05%;P≤0.020%;S≤0.005%,RE≤0.02%,余量为Fe,合计100%。在制备方法中,经过准备原料,进行熔炼、精炼,浇铸成铸锭后,通过均匀化处理及超细化处理制备成锻材,再经性能热处理形成上述热作模具钢。本发明通过合金成分优化设计、钢水纯净化处理以及锻造、热处理组织控制,最终使热作模具钢获得较好的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及材料成分设计与制备领域,具体为一种热作模具钢材料及其制备方法。
背景技术
热作模具钢在铝合金挤压成型、有色合金压铸、热锻等领域应用广泛,部分综合性能优异的热作模具钢还可用于盾构机刀具。热作模具钢的工作条件日益苛刻,为保障模具的服役寿命,对模具钢的性能要求越来越高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能的热作模具钢及其制备方法,最终使热作模具钢获得较好的耐磨性、高温强度及高温稳定性,并且具有优异的综合性能,以满足热作模具钢在恶劣工作环境中的服役要求。
本发明的技术方案是:
一种热作模具钢,按重量百分比计,热作模具钢的合金成分及含量如下:C为0.40~0.60%;Si为0.20~0.70%;Mn为0.20~0.80%;Cr为4.00~6.00%;Mo为1.70~2.50%;V为0.30~0.60;W为≤0.30;Ni为0.10~2.00;Al≤0.05%;P≤0.020%;S≤0.005%,RE≤0.02%,余量为Fe,合计100%。
所述的热作模具钢,优选的,C为0.45~0.55%。
所述的热作模具钢,优选的,V+W为≤0.60%。
所述的热作模具钢的制备方法,根据钢的化学成分准备原料,进行熔炼、精炼,通过均匀化处理及超细化处理制备成锻材,热作模具钢锻造后,经性能热处理形成热作模具钢;其中,均匀化处理采用的是预变形+三段形式高温均匀加热工艺,三段温度分别为:1200℃~1220℃、1220℃~1240℃和1250℃~1300℃,总保温时间≥1h/25mm,每段保温时间相同;超细化处理的工艺过程和工艺参数是锻件在加热到950~1200℃期间进行快冷,在快冷过程中,锻件在200℃以上温度区间冷速控制在≥0.7℃/S,低于200℃时出炉空冷至室温。
所述的热作模具钢的制备方法,在熔炼、精炼时,考虑高纯净钢及提高材料等向性的需要,在充分脱氧、脱硫处理后进行稀土处理,并且稀土采用氧含量小于100ppm的高纯稀土;经稀土处理后模具钢材料氧含量控制在12ppm以下,球类夹杂物数量比例占夹杂物总量≥85%以上。
所述的热作模具钢的制备方法,热作模具钢经锻造后,进行等温球化退火处理,两相区内保温时间按1h/25mm厚选定,两相区的温度是指AC1~AC3之间;然后炉冷至700℃~760℃继续进行保温处理,保温时间按1h/25mm厚选定,之后炉冷至室温。
所述的热作模具钢的制备方法,热作模具钢经等温球化退火处理后进行调质处理,采用AC3+130~170℃进行淬火温度设置,然后控制冷速形成马氏体+残余奥氏体组织,最后进行回火处理。
所述的热作模具钢的制备方法,采用两次以上回火处理,最高回火温度与模具使用硬度相关,回火的温度范围为530~650℃,保温时间按1h/25mm厚选定,每次回火后空冷至室温。
本发明高性能热作模具钢的各个化学成分设计思想和协同作用是:通过C、Si、Cr、Mn、Mo、V、Ni等元素含量调配,了解元素含量与材料淬透性、强度之间的关系;通过C、Ni、V等元素含量调配,了解元素与材料韧性之间的关系;通过适量元素V的调配达到细化晶粒的作用,通过Si、Al含量的控制实现脱氧的控制。
本发明热作模具钢的制备方法原理是:利用高温扩散使材料均质化,利用钢中固态相变细化晶粒,并进一步利用析出相的溶解、形核、再析出,优化析出相分布,提高材料性能。另外,均匀化处理采用的是预变形+三段形式高温均匀加热工艺,其作用机理如下:锻件变形后,增加空位数量,再加上高温处理,能够增加合金元素扩散速度,使成分更加均匀。
本发明的优点及有益效果是:
1、本发明通过对热作模具钢成分优化并选取特殊热处理方法研究,开发出一种高性能模具钢材料,能够满足热锻模具、压铸模具、挤压模具的使用要求,同时还可用于盾构机刀具。其性能够满足:硬度调至45~50HRC时,V口冲击功≥12J,无缺口冲击功≥300J,抗拉强度超过2200MPa。
2、本发明的钢种经高温扩散均质化处理、调质处理后性能稳定,可用于热锻模具、压铸模具、热挤压模具、盾构机刀具等。
3、本发明热作模具钢材料的熔炼、锻造以及热处理方法可广泛应用于热作模具钢的制备。
具体实施方式
在具体实施过程中,按重量百分比计,本发明热作模具钢的合金成分及含量如下:C为0.40~0.60%(优选为0.45~0.55%);Si为0.20~0.70%;Mn为0.20~0.80%;Cr为4.00~6.00%;Mo为1.70~2.50%;V为0.30~0.60;W为≤0.30(优选为0.1~0.2%);Ni为0.10~2.00(优选为0.5~1.0%);Al≤0.05%(优选为0.01~0.03%);P≤0.020%(优选为0.006~0.01%);S≤0.005%,RE≤0.02%(优选为0.01~0.015%),余量为Fe,合计100%。
与常规热作模具钢(4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1)的区别在于:碳含量范围高于常规热作模具钢4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1,Si为0.20~0.70%;Mn为0.20~0.80%;Cr为4.00~6.00%;Mo为1.70~2.50%;V为0.30~0.60%;W为≤0.30%;Ni为0.10~2.00。
在制备方法中,经过准备原料,进行熔炼、精炼,浇铸成铸锭后,通过均匀化处理及超细化处理制备成锻材,再经性能热处理形成上述热作模具钢。在熔炼、精炼时,考虑高纯净钢及提高材料等向性的需要,在充分脱氧、脱硫处理后进行稀土处理,并且稀土采用氧含量小于100ppm的高纯稀土;经稀土处理后模具钢材料氧含量控制在12ppm以下,球类夹杂物数量比例占夹杂物总量≥85%以上。
本发明中,保温时间按1h/25mm厚选定,其含义是:按热作模具钢的最大壁厚,每25mm保温1小时计算。
下面,通过实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例中,热作模具钢材料的成分如下:
元素 | 含量(wt%) |
C | 0.47 |
Si | 0.65 |
Mn | 0.51 |
P | 0.012 |
S | 0.005 |
Ni | 0.30 |
Cr | 5.7 |
Mo | 2.43 |
V | 0.50 |
W | 0.10 |
Al | 0.05 |
RE(稀土元素) | 0.0155 |
Fe | 余量 |
热处理采用如下步骤:
①模具钢经预变形及三段式高温成分均匀化处理,保温时间按1h/25mm厚选定,在均匀化处理之后进行炉冷到200℃以下,出炉冷却至室温。其中,预变形是指锻件第一火次,不进行镦粗处理,只对钢锭进行形状规整处理;三段式高温成分均匀化处理温度分别为:1210℃、1230℃和1280℃,三段温度逐渐升高,每段保温时间相同,这样的作用和效果是:锻件不会出现过热、过烧,又能促进合金元素在高温快速扩散。
②模具钢经锻造后进行等温球化退火处理,首先在保温在AC1~AC3之间,保温时间按1h/25mm厚选定,之后炉冷至740℃继续保温处理,保温时间按1h/25mm厚选定,之后炉冷至室温。
③模具钢进行调质处理,淬火温度选择AC3+130℃,保温时间按1h/25mm厚选定,油淬至室温,两次回火温度均选择615℃,保温时间按1h/25mm厚选定,每次回火后进行空冷至室温。
经热处理后,材料性能如下:
硬度为45HRC,V口冲击功为16J,无缺口冲击功350J,抗拉强度2215MPa。
实施例2
本实施例中,热作模具钢材料的成分如下:
元素 | 含量(wt%) |
C | 0.55 |
Si | 0.25 |
Mn | 0.73 |
P | 0.016 |
S | 0.003 |
Ni | 1.55 |
Cr | 4.50 |
Mo | 1.78 |
V | 0.40 |
W | 0.20 |
Al | 0.03 |
RE(稀土元素) | 0.0080 |
Fe | 余量 |
热处理采用如下步骤:
①模具钢经预变形及三段式高温成分均匀化处理,保温时间按1h/25mm厚选定,在均匀化处理之后进行炉冷到200℃以下,出炉冷却至室温。其中,预变形是指锻件第一火次,不进行镦粗处理,只对钢锭进行形状规整处理;三段式高温成分均匀化处理温度分别为:1200℃、1220℃和1250℃,三段温度逐渐升高,每段保温时间相同,这样的作用和效果是锻件不会出现过热、过烧,又能促进合金元素在高温快速扩散。
②模具钢经锻造后进行等温球化退火处理,首先在AC1~AC3之间保温,保温时间按1h/25mm厚选定,之后炉冷至730℃继续保温处理,保温时间按1h/25mm厚选定,之后炉冷至室温。
③模具钢进行调质处理,淬火温度选择AC3+170℃,保温时间按1h/25mm厚选定,油淬至室温,两次回火温度均选择610℃,保温时间按1h/25mm厚选定,每次回火后进行空冷至室温。
经热处理后,材料性能如下:
硬度为48HRC,V口冲击功为12J,无缺口冲击功345J,抗拉强度2250MPa。
实施例3
本实施例中,热作模具钢材料的成分如下:
元素 | 含量(wt%) |
C | 0.50 |
Si | 0.40 |
Mn | 0.50 |
P | 0.008 |
S | 0.002 |
Ni | 1.01 |
Cr | 4.98 |
Mo | 2.10 |
V | 0.59 |
Al | 0.05 |
RE(稀土元素) | 0.0020 |
Fe | 余量 |
热处理采用如下步骤:
①模具钢经预变形及三段式高温成分均匀化处理,保温时间按1h/25mm厚选定,在均匀化处理之后进行炉冷到200℃以下,出炉冷却至室温。其中,预变形是指锻件第一火次,不进行镦粗处理,只对钢锭进行形状规整处理;三段式高温成分均匀化处理温度分别为:1220℃、1240℃和1300℃,三段温度逐渐升高,每段保温时间相同,这样的作用和效果是锻件不会出现过热、过烧,又能促进合金元素在高温快速扩散。
②模具钢经锻造后进行等温球化退火处理,首先在AC1~AC3之间保温,保温时间按1h/25mm厚选定,之后炉冷至720℃继续保温处理,保温时间按1h/25mm厚选定,之后炉冷至室温。
③模具钢进行调质处理,淬火温度选择AC3+150℃,保温时间按1h/25mm厚选定,油淬至室温,两次回火温度均选择615℃,保温时间按1h/25mm厚选定,每次回火后进行空冷至室温。
经热处理后,材料性能如下:
硬度为45HRC,V口冲击功为14J,无缺口冲击功360J,抗拉强度为2236MPa。
实施例结果表明,本发明所涉及到的新型热作模具钢经制备制备方法处理后,可以达到技术要求,能够满足热锻模具、压铸模具、热挤压模具以及盾构机刀具的使用要求。
Claims (8)
1.一种热作模具钢,其特征在于,按重量百分比计,热作模具钢的合金成分及含量如下:C为0.40~0.60%;Si为0.20~0.70%;Mn为0.20~0.80%;Cr为4.00~6.00%;Mo为1.70~2.50%;V为0.30~0.60;W为≤0.30;Ni为0.10~2.00;Al≤0.05%;P≤0.020%;S≤0.005%,RE≤0.02%,余量为Fe,合计100%。
2.根据权利要求1所述的热作模具钢,其特征在于,优选的,C为0.45~0.55%。
3.根据权利要求1所述的热作模具钢,其特征在于,优选的,V+W为≤0.60%。
4.一种权利要求1至3之一所述的热作模具钢的制备方法,其特征在于,根据钢的化学成分准备原料,进行熔炼、精炼,通过均匀化处理及超细化处理制备成锻材,热作模具钢锻造后,经性能热处理形成热作模具钢;其中,均匀化处理采用的是预变形+三段形式高温均匀加热工艺,三段温度分别为:1200℃~1220℃、1220℃~1240℃和1250℃~1300℃,总保温时间≥1h/25mm,每段保温时间相同;超细化处理的工艺过程和工艺参数是锻件在加热到950~1200℃期间进行快冷,在快冷过程中,锻件在200℃以上温度区间冷速控制在≥0.7℃/S,低于200℃时出炉空冷至室温。
5.根据权利要求4所述的热作模具钢的制备方法,其特征在于,在熔炼、精炼时,考虑高纯净钢及提高材料等向性的需要,在充分脱氧、脱硫处理后进行稀土处理,并且稀土采用氧含量小于100ppm的高纯稀土;经稀土处理后模具钢材料氧含量控制在12ppm以下,球类夹杂物数量比例占夹杂物总量≥85%以上。
6.根据权利要求4所述的热作模具钢的制备方法,其特征在于,热作模具钢经锻造后,进行等温球化退火处理,两相区内保温时间按1h/25mm厚选定,两相区的温度是指AC1~AC3之间;然后炉冷至700℃~760℃继续进行保温处理,保温时间按1h/25mm厚选定,之后炉冷至室温。
7.根据权利要求6所述的热作模具钢的制备方法,其特征在于,热作模具钢经等温球化退火处理后进行调质处理,采用AC3+130~170℃进行淬火温度设置,然后控制冷速形成马氏体+残余奥氏体组织,最后进行回火处理。
8.根据权利要求7所述的热作模具钢的制备方法,其特征在于,采用两次以上回火处理,最高回火温度与模具使用硬度相关,回火的温度范围为530~650℃,保温时间按1h/25mm厚选定,每次回火后空冷至室温。
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