CN111961985B

CN111961985B - 一种低成本且高温下具有高热导率的模具钢及其制备方法

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Publication number: CN111961985B
Application number: CN202010836798.9A
Authority: CN
Inventors: 付俊伟; 王江春
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2020-08-19
Filing date: 2020-08-19
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2040-08-19
Also published as: CN111961985A

Abstract

本发明公开了一种低成本且高温下具有高热导率的模具钢及其制备方法，其中模具钢的成分按质量百分比构成如下：C0.28‑0.34％，Cr0.38‑0.45％，Si0.68‑0.74％，Mn0.40‑0.48％，Mo1.05‑1.15％，V≤0.08％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明通过调整钢中常见合金元素Cr、Si、Mn、Mo、V等的含量来提高其热导率；此外，本发明钢中贵金属Mo含量低，且不含贵元素W，具有成本低的优点。本发明钢制备工艺简单，是一种在高温下仍具有高热导率，且具有良好力学性能的模具钢。

Description

一种低成本且高温下具有高热导率的模具钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低成本且高温下具有高热导率的模具钢及其制备方法，通过配置合金成分和采用合适的热处理来改善模具钢的热导率。

背景技术

对各种材料进行加工，需要采用各种模具。随着加工工业的飞速进步，模具负荷不断加大，要求越来越高。模具工业水平已经成为衡量一个国家工业制造水平高低的重要指标之一。模具产业已经成为建设制造业大国的“排头兵”。冷冲压成形工艺存在冲击压力大，模具寿命短，且易产生破裂，精度不良等一系列问题；而热冲压成形工艺，有效利用了高温金属的特性，已经成为汽车，船舶等零部件生产中主流的成形工艺。仅2015年全球统计热冲压零部件年产量已达4.5亿件。并且这一数字每年预计还会以2.8％甚至更高的速度增长。热冲压成形工艺则离不开热作模具钢。

热作模具钢是用于制造使加热金属或热态金属所需形状的模具。这种模具是在反复受热和冷却条件下进行的。变形加工过程完成得越慢，模具受热的时间就越长，受热程度就越严重。许多模具还要承受比较大的冲击力，因此模具的苛刻工作条件要求模具钢具有高的热导率高，高抗热塑性变形能力，高韧性，高抗疲劳强度。其中热冲压模具在工作时需要较长时间与被加工金属和炽热金属接触，其受热温度往往更高。此外热冲压模具还承受很大的应力和摩擦力，因此对热冲压模具还需要有良好的耐磨性及耐蚀性以及一定的高温强度等。

目前我国模具产业中使用最多的热作模具钢仍然是H13(GB/T1299-2000中钢号为4Cr5MoSiV1)。这种模具钢的化学成分组成以质量百分比(wt.％)表示为：C0.32～0.45％，Cr4.75～5.50％，Si0.80～1.20％，Mn0.20～0.50％，Mo1.10～1.75％，V0.80～1.20％。H13钢具有比较优良的综合性能，韧性好，耐磨性高，热疲劳好，但是一旦工作温度比较高，超过600℃时，H13钢的强度和热稳定性就会明显下降，与此同时热导率不足，在600℃时热导率仅为28W/(m·K)，导致模具受热程度高，容易产生热塑性变形和热疲劳从而导致模具的失效，大大降低了模具的寿命周期。目前国外一种热导率表现优异，由西班牙Rovalma公司生产的HTCS-130钢，该钢在低温下的热导率很高，但是在高温时的热导率下降的很快，在600℃时为36W/(m·K)，700℃时为32W/(m·K)，这也就限制了这种钢在高温时的使用效率。因此，提高钢的高温热导率是开发高导热模具钢的核心问题。

H13钢的主要问题是模具的温度随着操作循环次数的增加而增加，这是由于从模腔到表面的传热不足所导致的，即热导率太低。虽然可以通过提供附加的冷却***来克服上述问题，但是这会导致更高的生产成本并且使模具设计复杂化。HTCS-130钢中昂贵金属Mo和W的含量高，这使得该钢的成本也比较高；同时高温条件下该钢的热导率也有待进一步提高。

钢的热导率大小与材料的成分，含量和相结构有关。如理论上钢中铁素体的热导率最高，可达到70～80W/(m·K)，回火马氏体的热导率是33～38W/(m·K)，因此热处理后的组织也会影响钢的热导率。现有的H13钢中合金元素种类较多，合金种类和含量影响其热导率。如果合金钢中合金元素的原子结构与Fe的原子结构相差越大，产生的晶格畸变越大，热导率降低就越多。Si与Fe的原子结构差异较大，因此理论上Si能显著降低合金钢的热导率，但有研究表明Si能提高钢的高温热导率。这也是HTCS-130钢中Si含量较少，在高温条件下热导率不够高的原因之一。C含量过高也对热导导热性能不利。Mo，Cr，W，V，Mn等元素与Fe原子结构相近，可以考虑通过这些元素的合理添加来影响钢的热导率。另外强碳化合物形成元素的加入可以与钢中的C形成各种化合物，经过合理的热处理工艺后，这些化合物的加入可以提高模具钢的硬度和改善耐磨损性能。因此，各合金元素含量的添加和钢的热处理工艺既要提高模具钢的导热性能尤其是高温条件下的导热性能，同时也要保证其强度。

发明内容

本发明针对现有模具钢导热性能不足的缺陷，提供了一种低成本且高温下具有高热导率的模具钢及其制备方法。本发明通过采用简单的合金元素成分配比，协调最常见合金元素Cr、Si、Mn、Mo、V的含量来实现热导率的提高；此外，本发明还采用淬火加回火工艺，使合金元素充分固溶，共同实现了一种能在高温下具有高热导率，拥有良好硬度和力学性能的模具钢。

本发明低成本且高温下具有高热导率的模具钢，其合金成分按质量百分比(wt.％)构成如下：

C0.28-0.34％，Cr0.38-0.45％，Si0.68-0.74％，Mn0.40-0.48％，Mo1.05-1.15％，V≤0.08％，余量为铁和不可避免的杂质。

本发明在合理配置合金元素成分外，经过简单制备工艺后即可获得理想的热导率，其制备方法包括如下步骤：

步骤1：采用碳钢、铁基二元合金(铁基二元合金包括Fe-Mn、Fe-Mo、Fe-Si、Fe-Cr、Fe-Cu、Fe-Al合金)为原料，按配比量称取后置于真空感应熔炼炉中熔炼，冷却至室温后得到铸态组织；

步骤2：将步骤1获得的铸态组织进行热处理，热处理工艺参数：1000℃～1020℃淬火；600℃～620℃回火一次，保温时间1h；580℃～590℃回火一次，保温时间1h。

步骤1中，熔炼温度为1600℃，保温时间30min。

模具钢中各元素的作用如下：

C是强化基体组织，保证硬度和耐磨性等力学性能的必备元素，因此模具钢中碳含量不能太低，但是钢中碳含量过高会对导热性能不利，并且导致韧性下降，降低钢的抗冷热疲劳性能。故C应该要有一个合理的范围。碳在模具钢中一部分进入基体起固溶强化作用，另一部分则是形成各种碳化物，这些合金碳化物对钢的导热性能损害比碳以固溶形式存在于基体中要小，且一些合金碳化物可在回火过程中在淬火马氏体基体上析出，产生二次硬化。模具模具中碳含量要保证组织不发生偏析，不影响钢的冲击韧性，同时要能够有效形成各种类型的碳化物，保证钢的硬度，导热性，耐磨性和高温性能。

Cr缩小γ相区，提高钢的淬透性，是碳化物形成元素，回火时阻止M₃C型长大，提高回火稳定性。Cr的碳化物较稳定，不易长大。能细化晶粒，改善碳化物均匀性，Cr能够形成Cr₂O₃，提高FeO出现的温度，因此能提高抗氧化性和热强性。Cr加入钢中能提高钢的耐蚀性，提高热疲劳性能。在Fe-Cr二元合金中，其热导率随Cr含量增加而逐渐降低。因此，本发明将Cr含量严格控制，利用其它合金元素碳化物来代替铬碳化物的作用，起到了良好的效果，降低了铬对热导率的影响。

Si是铁素体形成元素，有较强的固溶强化效果，可以提高钢的强度，但在一定程度上也会降低钢的韧性和塑性。Si能够阻止碳化物形核长大，使“C”曲线右移，提高了钢的淬透性。硅能形成致密的氧化物，提高抗氧化性，是提高回火抗力的有效元素。硅还可以减缓钢在回火过程中马氏体的分解。研究表明：如果合金钢中合金元素的原子结构与铁的原子结构相差越大，产生的晶格畸变越大，热导率降低就越多。硅与铁的原子结构差异很大，导致硅能显著降低合金钢的热导率。

Mn能强化铁素体，有固溶强化作用，可以提高铁素体及奥氏体的强度，可以降低相变驱动力△G_γ→α，使“C”曲线右移，提高钢的淬透性。Mn强烈地降低钢的Ms点，因此增加了淬火钢中的残余奥氏体，这样可以提高钢的韧性和抗疲劳性能。Mn与S形成硫化锰，能减轻或消除钢的热脆性。Mn与O容易形成氧化锰，因此是较好的脱氧剂，但是锰含量过高会显著降低钢的导热性能，并且会使钢的脆性增加，降低钢的抗腐蚀性能。

Mo能有效地提高钢的淬透性，能抑制钢中有害元素的偏聚，是消除或减轻钢高温回火脆性的有效元素。Mo是较强碳化物形成元素。降低钢中的碳活度，且其碳化物稳定不易长大，所以能细化晶粒，大为提高钢的回火稳定性。Mo还能提高钢的热强性和耐腐蚀性能。在回火过程中，Mo可以与碳形成碳化物，起到良好的二次硬化效果，对钢的硬度和冲击韧性有很大的影响。Mo能够提高钢的热导率，但同时要结合热处理工艺的组织综合分析。

V是强碳化物形成元素，形成的VC质点稳定性好且弥散分布，所以能有效提高钢的热强性。VC质点细小，稳定，有效阻止晶界移动，有效地细化晶粒，提高钢的红硬性和耐磨性，故高速钢中均含有钒元素。但V的固溶温度高，为获得钒的碳化物而采用较高温度淬火会产生晶粒粗大，因此本发明中只包含少量的V元素含量。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明高热导率模具钢主要涉及合金化配置和热处理两方面。在合金化思路上，本发明采取简单的合金化思路，调整C，Cr，Si，Mo，Mn的元素含量，兼顾各合金元素对钢导热性能和力学性能的影响；热处理工艺方面经过简单热处理即可获得理想的热导率和优良的力学性能。在200℃时，H13钢热导率约为30W/(m·K)，而本发明钢的热导率可达47W/(m·K)，热导率较同温度下的H13钢高出56％；在高温条件下，本发明钢的热导率优于HTCS-130钢。本发明钢在600℃时的热导率约为40W/(m·K)，比HTCS-130钢高4W/(m·K)，在700℃时也高出5～6W/(m·K)。因此，本发明热作模具钢的特征在于：(1)成本和常用热作模具钢H13钢接近，而热导率明显高于H13。(2)本发明模具钢热导率在高温条件下(例如450-700℃)热导率比H13高很多；而且HTCS-130钢相比，本发明钢中昂贵金属Mo含量低且不含昂贵金属W，因此成本明显降低。(3)现有热作模具钢的生产工艺包括电渣重熔、高温退火等，非常复杂、成本较高。而本发明钢可以通过简单的铸造和热处理即可获得优异的综合性能。因此，与现有技术相比，本发明钢的成本比较低，在高温时热导率高，这使得本发明钢更适用于实际工业生产，例如用来制造铝合金的压铸模等。

附图说明

图1为实施例1几个温度下本发明钢与HTCS-130钢，普通H13模具钢热导率的对比。通过图1可以看出，本发明钢各温度下的热导率较H13钢有了显著的提高。在450℃时本发明钢的热导率可达42W/(m·K)，比H13钢高出45％。在450℃以上高温时本发明钢的热导率均高于HTCS-130钢。在700℃时本发明钢的热导率比HTCS-130钢高出6W/(m·K)。

图2为实施例1中本发明钢热处理后的显微组织。通过图2可以看出，本发明钢热处理后的组织主要由板条状回火马氏体和残余奥氏体组成。

图3为实施例1中本发明钢的SEM图像(4000X)及同一位置的EDS能谱分析。通过图3可以看出，本发明钢热处理后的组织主要由板条状回火马氏体组成，并存在着Si，Mn，Mo，Cr的碳化物。

图4为实施例2几个温度下本发明钢与HTCS-130钢，普通H13模具钢热导率的对比。通过图4可以看出，本发明钢在高温条件下的热导率较HTCS-130钢和H13钢有了明显提高。在600℃时本发明钢的热导率可达39W/(m·K)，在700℃时可达到37W/(m·K)。

图5为实施例3几个温度下本发明钢与HTCS-130钢，普通H13模具钢热导率的对比。通过图5可以看出，本发明钢在600℃时的热导率可达39W/(m·K)，比H13高出39％。本发明钢在700℃时的热导率可达38W/(m·K)，较HTCS-130钢有了明显提高。

具体实施方式

实施例1：A组

本实施例中高热导率模具钢，按重量百分比(wt.％)计，其基体有如下元素组成：C0.31％，Cr0.43％，Si0.73％，Mn0.47％，Mo1.15％，V0.079％，其余为铁及微量不可避免杂质。

本实施例中高热导率模具钢的制备方法如下：

1、熔炼：合金按上述成分配比设计后，在真空感应熔炼炉中熔炼制备，加热到1600℃，保温30min，冷却至室温得到铸锭。

2、热处理工艺参数：淬火温度为1020℃，淬火方式为油淬；一次回火温度620℃，保温时间1h；二次回火温度590℃，保温时间1h。在设置的热处理工艺条件下，硬度可达到47HRC。

如图1所示为热导率测试结果，本实施例钢在600℃时热导率为40W/(m·K)，在700℃时热导率达到了38W/(m·K)。

实施例2：B组

本实施例中高热导率模具钢，按重量百分比(wt.％)计，其基体有如下元素组成：C0.33％，Cr0.40％，Si0.70％，Mn0.45％，Mo1.05％，V0.08％，其余为铁及微量不可避免杂质。

本实施例高热导率模具钢的制备方法如下：

2、热处理工艺参数：淬火温度为1000℃，淬火方式为油淬；一次回火温度600℃，保温时间1h；二次回火温度580℃，保温时间1h。在设置的热处理工艺条件下，硬度可达到48HRC。

如图4所示为热导率测试结果，本实施例钢在450℃时热导率为42W/(m·K)，在600℃时热导率达到了39W/(m·K)，在700℃时热导率达到了37W/(m·K)。

实施例3：C组

本实施例中高热导率模具钢，按重量百分比(wt.％)计，其基体有如下元素组成：C0.32％，Cr0.45％，Si 0.68％，Mn0.47％，Mo 1.11％，V0.08％，其余为铁及微量不可避免杂质。

本实施例高热导率模具钢的制备方法：

1、熔炼：合金按上述成分配比设计后，在真空感应熔炼炉中熔炼制备，加热到1600℃，保温半个小时，冷却至室温得到铸锭。

2、热处理工艺参数：淬火温度为1020℃，淬火方式为油淬；一次回火温度600℃，保温时间1h；二次回火温度580℃，保温时间1h。在设置的热处理工艺条件下，硬度可达到47HRC。

如图5所示为热导率测试结果，本实施例钢在600℃时热导率为39W/(m·K)，在700℃时热导率达到了38W/(m·K)。

Claims

1.一种低成本且高温下具有高热导率的模具钢，其特征在于其合金成分按质量百分比构成如下：

C 0.28-0.34%，Cr 0.38-0.45%，Si 0.68-0.74%，Mn 0.40-0.48%，Mo 1.05-1.15%，V≤0.08%，余量为铁和不可避免的杂质；

所述模具钢是通过包括如下步骤的方法制备获得：

步骤1：采用碳钢、铁基二元合金为原料，按配比量称取后置于真空感应熔炼炉中熔炼，冷却至室温后得到铸态组织；

步骤2：将步骤1获得的铸态组织进行热处理，热处理工艺参数：1000℃~1020℃油淬，然后回火处理；所述回火处理是于600℃~620℃回火一次，保温时间1h；580℃~590℃回火一次，保温时间1h。

2.根据权利要求1所述的模具钢，其特征在于：

步骤1中，熔炼温度为1600℃，保温时间30min。