CN111074160A - 一种高红硬模具钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高红硬模具钢及其制备方法，按化学成分重量百分比含量为：C：0.28～0.30wt％；Si：2.20～2.50wt％；Mn：1.40～2.00wt％；Cr：4.50～4.70wt％；Mo：0.80～1.00wt％；V：0.30～0.50wt％；P≤0.03wt％，S≤0.03wt％，其余为Fe以及不可避免杂质；且上述合金元素的配比还需满足以下的数学关系式：C＝1/30Cr+1/25(Si+Mn)。本发明采用一种全新的化学成份配比，以达到提高材料的冲击韧性和抗回火稳定性等关键性能指标的经济型热作模具钢。

Description

一种高红硬模具钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及热作模具钢及其制备，更具体地说，涉及一种高红硬模具钢及其制备方法。

背景技术

模具钢通常可以分为热作模具钢、冷作模具钢和塑料模具钢三大类产品。热作模具钢主要用于制造铝合金压铸模和铜锌压铸模等，是目前使用最广和消耗最大的模具钢之一，它的工况条件复杂，在工作时需长时间与加热的坯料甚至液态金属相接触，当炽热的金属放入热作模具型腔时，型腔表面急剧升温，表层产生压应力和压应变；当金属件取出时，型腔表面由于急剧降温而受到拉应力和拉应变作用，极易产生热疲劳等，并且热作模具钢在服役过程中，还要受到较大冲击载荷。因此要求模具材料具有高的热强度、高温硬度、冲击韧性、淬透性和好的热稳定性和抗冷热疲劳性能等。我国模具材料市场目前大量使用的热挤压模具钢材料的钢号为4Cr5MoSiV1。这种热挤压模具钢的化学成分采用C：0.32-0.45wt％、Cr：4.75-5.50wt％、Mo：1.20-1.75wt％、V：0.80-1.20wt％、Si：0.80-1.20wt％、Mn：0.20-0.50wt％、P：≤0.03wt％、S：≤0.03wt％。由于这种热挤压模具钢的化学成份含有较高的钼元素、铬元素和一定量的碳元素，因此其材料电渣锭的偏析严重，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：经淬火+回火后冲击韧性值Ak为150J，抗回火稳定指标为：620℃高温持续8小时后硬度为38HRC、620℃高温持续12小时后硬度为35HRC、620℃高温持续20小时后硬度为31HRC，这些冲击韧性值和抗回火稳定性指标是衡量热挤压模用钢质量好坏的主要关键技术参数指标。

上述热作模具钢的冶金制造工艺是采用电炉熔炼加电渣重熔，然后锻造成材的工艺。在其制造工序中，电炉熔炼加电渣重熔工序完成之后获得500Kg-3000Kg的电渣锭，径锻机锻造成材。

因此，在目前国内外可持续、经济的发展模式下，再从降低成本的角度出发，需要一种具有高抗回火稳定性以及良好冲击韧性的低成本经济型高红硬模具钢。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种高红硬模具钢及其制备方法，采用一种全新的化学成份配比，以达到提高材料的冲击韧性和抗回火稳定性等关键性能指标的经济型热作模具钢。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，一种高红硬模具钢，按化学成分重量百分比含量为：

C：0.28～0.30wt％；

Si：2.20～2.50wt％；

Mn：1.40～2.00wt％；

Cr：4.50～4.70wt％；

Mo：0.80～1.00wt％；

V：0.30～0.50wt％；

P≤0.03wt％，S≤0.03wt％，其余为Fe以及不可避免杂质；

且上述合金元素的配比还需满足以下的数学关系式：

C＝1/30Cr+1/25(Si+Mn)。

另一方面，一种高红硬模具钢的制备方法，包括以下步骤：

1)按化学成分的配比，采用电炉冶炼浇铸成的电极棒，电制度电压57～59/电流11000～12000A，将电渣重熔成2000Kg～3000Kg的电渣锭；

2)将步骤1)所得的电渣锭置入温度为700℃～800℃的径锻机加热炉内形成钢锭，钢锭在径锻机加热炉内以80℃/h～120℃/h的升温速度，加热至1230℃～1250℃后保温8～10小时；

3)将钢锭在径锻机加热炉内锻造开坯的开锻温度设置为1100℃～1150℃；

4)将钢锭在径锻机加热炉内的停锻温度设置为850℃～900℃；

5)将锻后的钢锭置入温度为1080℃～1120℃的退火炉中保温8～10小时，然后对钢锭进行风冷降至室温，最后将钢锭再置入温度为740℃～860℃的退火炉中保温8～10小时后，钢锭出炉空冷至室温。

所述的步骤1)中的电极棒为φ400mm～450mm。

在上述的技术方案中，本发明所提供的一种高红硬模具钢及其制备方法，还具有以下几点有益效果：

1)本发明化学成分的配比更加经济、合理，降低了碳元素的含量、铬元素以及钼元素含量，而是提高硅元素和锰元素的含量，使得这种热作模具钢的合金成本下降9％，较高含量的硅元素和锰元素，使钢回火马氏体和合金碳化物更稳定，固溶后促使材料机体形成更多的VC和Mo2C碳化物，并且在回火过程中有效的阻止了VC和Mo2C碳化物向M23C6型碳化物转变和长大倾向，同时提高钢淬火后残余奥氏体含量和增加回火过程中残余奥氏体的稳定，从而提高钢的冲击韧性和高温回火稳定性及其红硬性；

2)本发明合理的锻造锻造加热工艺参数和锻后热处理工艺参数的控制可以有效消除材料中的大块状液析碳化物，并使得材料的显微组织均匀细小，从而提高了钢的综合性能；

3)通过本发明的化学成分配比及合理的锻造工艺和热处理工艺使得材料的冲击韧性较现有的材料提升100％，高温红硬性能：620℃持续8小时，材料硬度值提升10.5％，620℃持续12小时，材料硬度值提升41.3％，620℃持续20小时，材料硬度值提升12.9％。

附图说明

图1是本发明实施例1中采用本发明制造的高红硬热作模具钢退火态的金相组织；

图2是本发明实施例1中采用本发明制造的高硅高锰热作模具钢在1030℃淬火后的显微组织；

图3是本发明实施例1中采用本发明制造的高硅高锰热作模具钢在淬火和回火后的显微组织。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明所提供的一种高红硬模具钢，按化学成分重量百分比含量为：

C：0.28～0.30wt％

碳元素是高热强性热作模具钢的主要化学元素之一，是形成铬碳化物、钼碳化物、钒碳化物和各种类型碳化物的不可缺少的基本元素，也是影响钢的成分偏析和钢的组织均匀性的重要元素，本设计碳含量相对原有的材料4Cr5MoSiV1有所降低，其目的是改善钢的显微组织中的碳化物的分布和性质，改善钢的液析碳化物的级别和分布，提高钢材基体的冲击韧性。较低的碳元素含量可以防止钢在凝固的过程中产生偏析组织从而造成钢的硬度的不均匀和冲击韧性下降。因此，碳含量如果高于此成分设计上限，将导致过多的碳化物的形成和组织的偏析产生，影响钢的冲击韧性性能指标，特别是造成钢的液析碳化物的不均匀性严重使得钢的冲击韧性降低；但是碳元素低于此成分的设计范围也将要造成碳元素和其他合金元素结合形成碳化物的当量发生偏差，不能有效地形成稳定的铬碳化物、钼碳化物、钒碳化物和各种类型碳化物复合作用，影响钢的硬度和钢的冲击韧性。

Si：2.20～2.50wt％

硅是一个对铁素体进行置换固溶强化非常有效的元素，硅元素不是碳化物形成元素，但硅元素是提高回火抗力的有效元素，提高钢中硅元素的含量主要是可以使得钢在回火的过程中马氏体的分解减缓，硅元素可以在奥氏体到马氏体的转变之后的回火过程中有效阻碍马氏体的分解，这主要是通过抑制ε碳化物质点的长大和扩大ε碳化物稳定区，延迟了ε-碳化物向θ-碳化物的转变。硅推迟ε→θ转变，并能充分减小钢中渗碳体在回火过程中的长大速率，硅原子从θ相析出而在θ相周围形成硅原子的富集区，抑制θ相的长大粗化；另外硅能有效提高钢的抗回火软化能力。

研究表明，含1％Si相应可提高回火温度30℃～50℃；当硅含量提高到2.0％时能有效提高马氏体的回火脆化温度，并且有效抑制渗碳体的析出，从而增加残余奥氏体的碳含量，因此提高了残余奥氏体的含量和稳定性，从而提高钢的韧性和热疲劳抗力。但是，硅量过高时还会加重钢的脱碳敏感性，并且使碳化物聚集的过时效速度增大而难以控制。另外，硅和锰共同作用使钢的高温性能，如高温抗回火软化性能和热疲劳性能得到更显著的提高，这些都是对热作模具钢使用性能和寿命有利的。

Mn：1.40～2.00wt％

钢中含有Mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与S有较大的亲合力，可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS，而以具有一定塑性的MnS存在，从而消除硫的有害影响，改善钢的热加工性能。Mn具有固溶强化作用，从而提高铁素体和奥氏体的强度和硬度，虽然其固溶强化效果不及碳、磷和硅，但其对钢的延展性几乎没有影响。锰溶入奥氏体中能强烈增加钢的淬透性，同时强烈减低钢的Ms点。锰是弱碳化物形成元素，它可溶入渗碳体中形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C，其形成可降低***的自由能，即趋于更稳定状态。

最近研究发现，一定量的锰元素的加入可以增加钢的基体强化作用并能推迟马氏体组织的转变，提高钢的抗回火软化性。锰元素虽然是弱碳化物形成元素，不能够形成碳化物强化作用，但是一定量的锰元素的加入可以促进渗碳体的分解和推迟碳化物的析出与长大，有利于钢的热稳定性。另外，锰元素可以造成钢中的残余奥氏体的含量增加与稳定，这样可以提高钢的韧性和抗热疲劳性能。

因此，提高钢中锰元素的含量，有利与热作模具钢的高温稳定性和热疲劳性能。而且，锰和硅共同作用，对本钢种的热稳定性和热疲劳性能作用效果更显著。

Cr：4.50～4.70wt％

铬元素在本技术合金成分设计中是对钢的性能影响较大的合金元素，铬元素是本技术中多种形态碳化物形成关键元素，铬元素既可以是碳化物的形成元素也可以在钢中提高钢的淬透性合金元素，但是铬含量过高可以使得钢的强度过高而韧性不足，降低钢的综合性能，也提高了钢的合金成本。因此，本设计中的铬含量较原有的4Cr5MoSiV1钢的铬元素含量减少了约百分之二十，其目的是在保证钢的淬透性的同时提高钢的韧性和降低钢的合金成本。铬元素控制在本设计的范围内，可以在钢中形成稳定的多种碳化物类型，主要的铬碳化物类型是Cr7C3和Cr23C6类型碳化物起到强化基体的作用，并且这种铬元素的控制使得钢在回火的过程中析出稳定的弥散相，这种弥散相M7C3和Cr23C6不但能够提高钢的抗回火性能，而且能够使得钢产生一定的红硬性，提高钢的热强性。

Mo：0.80～1.00wt％

钼元素是强碳化物形成元素，也是本设计成分设计中的重要化学元素之一，在本设计中的钼元素的加入量从原来的4Cr5MoSiV1钢中的Mo 1.20～1.75wt％降低到0.80～1.00wt％。钼元素的加入提高了钢奥氏体的稳定性以及钢的淬透性，并且在钢的回火过程中和碳元素结合形成数量较多的较稳定的M2C合金碳化物的析出，这种析出过程是一种弥散的质点强化相析出，较为均匀的分布在钢的基体中，具有较好的二次硬化效果。钼的加入量的控制在此范围使得钢在回火的过程中获得更多的M2C合金碳化物，并产生较大的两次强化的作用，这对钢的硬度和冲击韧性的提高起着重要的作用。另外，钼含量过高会因碳含量不足而失去应用的作用，并且大大提高钢的合金化成本。

V：0.30～0.50wt％

钒元素是强碳化物形成元素，其在钢中的强化作用和钼元素相似，钒元素在钢中形成的是M2C和MC类型的碳化物，产生弥散强化相，不但能弥补铬量的减少，而且能阻碍奥氏体晶粒的长大，改善碳化物的形态，提高钢的强度。但钒的碳化物容易在钢凝固过程中形成一次碳化物，成网状或链状分布在原奥氏体晶界，并且不易重溶，从而降低钢的韧性，因此，钒元素含量在本技术钢中调整为0.3～0.5％，减小一次碳化物的析出，改善钢的韧性。

P≤0.03wt％

磷是钢中的有害元素，增加钢的脆性，降低钢的冲击韧性，因此磷元素控制是本技术钢的严格的冶炼要求，对钢性能指标值有一定的影响。

S≤0.03wt％

硫元素在一定的程度上容易造成钢的加工性能的恶化，容易使得钢在热加工的过程中产生过热和过烧现象。因此控制硫含量可以保证钢的加工性能和机械性能，特别是对径锻机锻造开坯时的连续锻造加工所产生的的过热现象起到拟制的作用。并对热作模具钢的显微组织的改善起到一定的作用。

其余为Fe以及不可避免杂质。

且上述合金元素的配比还需满足以下的数学关系式：

C＝1/30Cr+1/25(Si+Mn)，由于在本技术中的合金元素主要是铬、硅和锰元素的作用起着较为主导的因素，从降低成本的角度出发采用硅、锰作为主要的合金化元素，充分利用硅、锰合金元素的固溶强化和对碳化物回火稳定性等作用，而尽量降低铬、钼等贵合金元素的含量。一定量的锰元素的加入可以增加钢的基体强化作用并能推迟马氏体组织的转变，提高钢的抗回火软化性。锰元素虽然是弱碳化物形成元素，不能够形成碳化物强化作用，但是一定量的锰元素的加入可以促进渗碳体的分解和推迟碳化物的析出与长大，有利于钢的热稳定性。另外，锰元素可以造成钢中的残余奥氏体的含量增加与稳定，这样可以提高钢的韧性和抗热疲劳性能。

本发明还提供了一种高红硬模具钢的制备方法，包括以下步骤：

1)按化学成分的配比，采用电炉冶炼浇铸成φ400mm～450mm的电极棒，电制度电压57～59/电流11000～12000A，将电渣重熔成2000Kg～3000Kg的电渣锭；

2)将步骤1)所得的电渣锭置入温度为700℃～800℃的径锻机加热炉内形成钢锭，钢锭在径锻机加热炉内以80℃/h～120℃/h的升温速度，加热至1230℃～1250℃后保温8～10小时；

3)将钢锭在径锻机加热炉内锻造开坯的开锻温度设置为1100℃～1150℃；

4)将钢锭在径锻机加热炉内的停锻温度设置为850℃～900℃；

5)将锻后的钢锭置入温度为1080℃～1120℃的退火炉中保温8～10小时，然后对钢锭进行风冷降至室温，最后将钢锭再置入温度为860℃～740℃的退火炉中保温8～10小时后，钢锭出炉空冷至室温。

采用电渣重熔工艺电渣工序参数控制为：电制度电压57～59V/电流11000～12000A，电渣重熔成2000Kg～3000Kg电渣锭。电渣重熔钢锭重量在2000Kg～3000Kg较为合适径锻机的直接锻造成材，电制度控制电压57～59V/电流11000～12000A范围可以使得电渣钢锭的内部结晶组织细小，均匀性好，对提高热作模具钢的内在质量起到一定的作用。

钢锭在径锻机加热炉内以80℃/h～120℃/h的升温速度，加热至1230℃～1250℃后保温8～10小时：

由于这种电渣锭是圆形锭型设计，因此在加热过程中存在较大的表面应力使得钢锭的热应力敏感性提高，圆形钢锭是容易在钢锭加热的过程中产生应力裂纹，因此，控制电渣锭的入炉温度在700℃～800℃，升温速度控制在80℃/h～120℃/h可以防止钢锭在加热的过程中产生热应力裂纹，防止电渣锭的热应力导致开裂的风险，在加热至1230℃～1250℃后保温8～10小时，使得钢锭的整个表面至心部的温度都可以保持均匀，更重要的是消除大块状液析碳化物或使其细小球化，使钢中合金元素的分布更加均匀，这样可以改善钢锭的可锻形，防止电渣锭在锻造过程中的开裂倾向，并可以改善钢的显微组织指标，提高钢的基体强度和韧性。

将钢锭在径锻机加热炉内锻造开坯的开锻温度设置为1100℃～1150℃：

由于这种钢在1100℃～1150℃温度范围是钢的奥氏体单相组织区域，有着最佳的高温热塑性，有利于高温变形加工处理，不容易产生高温热加工开裂。如果高于此加热温度的上限，可能会导致成份偏析所造成的锻造过热，从而会形成组织的晶粒粗大，影响产品的内在质量。

将钢锭在径锻机加热炉内的停锻温度设置为850℃～900℃：

由于电渣锭终锻温度对钢锭终锻质量有着重要的影响，径锻机停锻温度低于所规定的控制范围，非常容易引起电渣锭在径锻机锻造成材过程中产生成品材开裂，但是，停锻温度高于控制范围容易引起钢在径锻机锻造开坯后产生钢的组织粗晶现象，降低钢的性能。因此，选择这种合适的锻造终锻温度，可以进一步保证产品的内在质量。

将锻后的钢锭置入温度为1080℃～1120℃的退火炉中保温8～10小时，然后对钢锭进行风冷降至室温，最后将钢锭再置入温度为740℃～860℃的退火炉中保温8～10小时后，钢锭出炉空冷至室温：

这种处理方式是因为钢锭锻后在再结晶时容易出现晶粒粗大，且在晶界析出二次碳化物，降低材料性能，因此采用工艺可以对钢锭进行一次高温固溶，使大部分碳化物溶入奥氏体，避免二次碳化物沿晶析出，并可获得碳化物分布均匀细小的组织，降低钢的硬度，便于机械加工。

实施例1

钢的化学成分重量百分比为：C：0.29wt％、Mn：1.6wt％、Cr：4.65wt％、Si：2.40wt％、Mo：0.95wt％、V：0.38wt％、P：0.018wt％、S：0.015wt％；

其余为Fe和不可避免的杂质。

电制度电压59V，电制度电流11700A，电渣重熔成2300Kg电渣锭；

电渣锭的置入炉温在750℃的加入径锻机加热炉内，钢锭在径锻机加热炉内以100℃/h的升温速度加热至1250℃后保温10小时；

径锻机锻造成材开锻温度为1150℃、径锻机锻造毕停锻温度为880℃；

将锻后钢材热送1090℃退火炉保温8.5小时，然后进行快速风冷，随后置入温度为790℃退火保温9.0小时后炉冷至室温。

经过本实施例1的高硅高锰热作模具钢的性能指标明显提升，其中钢在淬火+回火冲击韧性值达到303J，钢在620℃持续8小时硬度值达到42.9HRC、钢在620℃持续12小时硬度值达到41.3HRC、钢在620℃持续20小时硬度值达到39.5HRC。

如图1所示，采用本发明制造的高红硬热作模具钢退火态的金相组织。从金相组织可以显示出均匀细小的合金碳化物弥散地分布在机体上，而没有大块状的液析碳化物，这种组织达到NADCA#207-2007的A级标准。

如图2所示，采用本发明制造的高硅高锰热作模具钢在1030℃淬火后的显微组织。显微组织清晰显示了合金碳化物基本溶解入奥氏体组织中，奥氏体组织均匀细小，这种显微组织可以获得较高的回火硬度和一定的冲击韧性。

如图3所示，采用本发明制造的高硅高锰热作模具钢在淬火和回火后的显微组织。显示出细小弥散的碳化物在组织中的均匀分布，这种组织保证了材料的冲击韧性高达300J值。

实施例2～5的具体化学成分(重量百分比wt％)见表1所示，工艺参数控制见表2、表3所示，性能指标见表4所示。

表1

实施例	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	P	S
									2	0.28	2.5	1.8	4.5	1.0	0.50	0.020	0.028
3	0.30	2.2	1.4	4.7	0.9	0.30	0.019	0.011
									4	0.30	2.3	1.5	4.6	0.8	0.40	0.017	0.013
5	0.29	2.4	1.6	4.5	0.9	0.30	0.015	0.008

表2

表3

表4

综上所述，本发明所提供一种高红硬模具钢及其制备方法，其目的是采用一种全新的化学成份的配比达到提高材料的冲击韧性和抗回火稳定性等关键性能指标的目的。在目前国内外可持续、经济的发展模式下，从降低成本的角度出发采用硅、锰作为主要的合金化元素，充分利用硅、锰合金元素的固溶强化和对碳化物回火稳定性等作用，而尽量降低铬、钼等贵合金元素的含量，开发了一种具有高抗回火稳定性以及良好冲击韧性的低成本经济型高红硬模具钢。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (3)

1.一种高红硬模具钢，其特征在于：按化学成分重量百分比含量为：

C：0.28～0.30wt％；

Si：2.20～2.50wt％；

Mn：1.40～2.00wt％；

Cr：4.50～4.70wt％；

Mo：0.80～1.00wt％；

V：0.30～0.50wt％；

P≤0.03wt％，S≤0.03wt％，其余为Fe以及不可避免杂质；

且上述合金元素的配比还需满足以下的数学关系式：

C＝1/30Cr+1/25(Si+Mn)。

2.一种如权利要求1所述的高红硬模具钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)按化学成分的配比，采用电炉冶炼浇铸成的电极棒，电制度电压57～59/电流11000～12000A，将电渣重熔成2000Kg～3000Kg的电渣锭；

2)将步骤1)所得的电渣锭置入温度为700℃～800℃的径锻机加热炉内形成钢锭，钢锭在径锻机加热炉内以80℃/h～120℃/h的升温速度，加热至1230℃～1250℃后保温8～10小时；

3)将钢锭在径锻机加热炉内锻造开坯的开锻温度设置为1100℃～1150℃；

4)将钢锭在径锻机加热炉内的停锻温度设置为850℃～900℃；

5)将锻后的钢锭置入温度为1080℃～1120℃的退火炉中保温8～10小时，然后对钢锭进行风冷降至室温，最后将钢锭再置入温度为740℃～860℃的退火炉中保温8～10小时后，钢锭出炉空冷至室温。

3.如权利要求2所述的一种高红硬模具钢的制备方法，其特征在于：所述的步骤1)中的电极棒为φ400mm～450mm。

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