CN114250422B - 一种韧性好热导率高的模具钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种韧性好热导率高的模具钢，其成分按重量百分比计包括：C 0.04‑0.06％，Ni 0.7‑0.8％，Cu 1.4‑1.6％，Mn 0.65‑0.75％，Si 0.35‑0.45％，Mo 2.8‑3.2％，W 1.8‑2.2％，余量为Fe。本发明还公开了上述韧性好热导率高的模具钢的制备方法，包括如下步骤：S1、取各原料熔炼浇铸得到成分配比与上述韧性好热导率高的模具钢相同的铸件；S2、将铸件进行固溶处理，淬火，再于475‑525℃保温时效处理0.5‑8h得到韧性好热导率高的模具钢。本发明所述模具钢具有较高热导率的同时，具有良好的韧性和强度。

Description

一种韧性好热导率高的模具钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金技术领域，尤其涉及一种韧性好热导率高的模具钢及其制备方法。
背景技术
模具被称作“万业之母”，在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯等领域应用广泛，模具制造技术的水平直接关系到一个国家研发和生产制造工业产品的能力。随着科学技术的快速发展和人们生活水平的日益提高，社会各群体对模具制造的产品提出了更高的要求。高热导率模具钢可以提高模具的生产效率，实现生产效率的提升。
H13钢是热作模具钢，牌号为4Cr5MoSiV1。目前，在传统加工领域，典型的高导热模具钢会采用低合金化的设计思路，在H13钢的基础上，降低Si、Cr显著恶化热导率合金元素的添加，最终获得了高热导率的性能，然而这些钢均为含碳量0.4％(wt％)左右的中碳钢，钢材的强化方式为碳化物强化，使得其韧性较低，材料的成型性不良。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种韧性好热导率高的模具钢及其制备方法；本发明所述模具钢具有较高热导率的同时，具有良好的韧性和强度。
本发明提出的一种韧性好热导率高的模具钢，其成分按重量百分比计包括：C0.04-0.06％，Ni 0.7-0.8％，Cu 1.4-1.6％，Mn 0.65-0.75％，Si 0.35-0.45％，Mo 2.8-3.2％，W 1.8-2.2％，余量为Fe。
优选地，其成分按重量百分比计包括：C 0.05％，Ni 0.75％，Cu 1.5％，Mn 0.7％，Si 0.4％，Mo 3％，W 2％，余量为Fe。
本发明还提出了上述韧性好热导率高的模具钢的制备方法，包括如下步骤：
S1、取各原料熔炼浇铸得到成分配比与上述韧性好热导率高的模具钢相同的铸件；
S2、将铸件进行固溶处理，淬火，再于475-525℃保温时效处理0.5-8h得到韧性好热导率高的模具钢。
优选地，在S2中，固溶温度≥950℃，固溶时间≥30min。
优选地，在S2中，于475-525℃保温时效处理2-8h。
优选地，在S2中，于500℃保温时效处理4h。
优选地，在S2中，用水淬火至铸锭温度为室温。
优选地，在S2中，时效后，空冷至室温得到韧性好热导率高的模具钢。
有益效果：
本发明通过降低碳含量，降低合金含量，并通过各元素以适宜比例相互配合，使得合金材料具有良好的韧性、强度并具有较高的热导率；并且适量的W和Si元素的添加使得合金粉末的铸态组织中铁素体占比较小；且因含碳量较低，大部分的W元素在钢中将以固溶体的形式存在，从而可以提高合金材料铸件的淬透性。
附图说明
图1为实施例4中铸件的金相组织图。
图2为实施例4中不同时效温度时效4h的模具钢金相组织图，其中，a为425℃，b为450℃，c为475℃，d为500℃，e为525℃，f为550℃，g为575℃。
图3为实施例4中500℃时效不同时间的模具钢金相组织图，其中，从左到右依次为固溶+时效0h、固溶+时效0.5h、固溶+时效1h、固溶+时效4h。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
用津岛生产的20Kn规格的AGXplus电子万能试验机，严格按照国家标准《GB/T228-2002金属材料室内拉伸试验方法》进行拉伸性能测试。
用硬度测量仪器为HVS-1000A型硬度计，按照标准《GB/T230金属材料洛氏硬度试验》进行硬度测量实验。
实施例1
一种韧性好热导率高的模具钢，其成分按重量百分比计包括：C 0.04％，Ni0.8％，Cu 1.4％，Mn 0.75％，Si 0.35％，Mo 3.2％，W 1.8％，余量为Fe。
实施例2
一种韧性好热导率高的模具钢，其成分按重量百分比计包括：C 0.06％，Ni0.7％，Cu 1.6％，Mn 0.65％，Si 0.45％，Mo 2.8％，W 2.2％，余量为Fe。
实施例3
一种韧性好热导率高的模具钢，其成分按重量百分比计包括：C 0.05％，Ni0.75％，Cu 1.5％，Mn 0.7％，Si 0.4％，Mo 3％，W 2％，余量为Fe。
实施例4
一种韧性好热导率高的模具钢的制备方法，包括如下步骤：
S1、取各原料熔炼浇铸得到成分配比与实施例3韧性好热导率高的模具钢的铸件；
S2、将铸件置于950℃固溶30min，然后用水淬火至室温，再进行时效处理，然后空冷至室温得到韧性好热导率高的模具钢。
考察不同时效条件下模具钢的性能，结果如表1-3、图1-3所示。
图1为实施例4中铸件的金相组织图。
由图1可以看出：铸件内部均未发现明显的气孔、裂纹等缺陷，熔炼出的组织极为致密，铸件由白色的铁素体和灰色马氏体组成，铁素体以长条针状形式存在，铸件中铁素体的占比较少，这可能是因为合金材料中存在适量Mo、W、Si元素，在合金含碳量极少的情况下这三种元素将会大大提高材料的淬透性，使得铸态组织中的马氏体含量较多；铸态组织中存在少量黑色的网状物，黑色的网络基本沿着晶界分布，考虑到金相组织为未经热处理的组织，由此判断黑色网状部分的出现是元素偏析所导致的，但是元素偏析较轻，通过后续的热处理可以消除这些偏析。
分别测量实施例4中铸件在各实验温度点下的密度、比热、热扩散系数，并根据公式λ＝αρCp(注：α-热扩散系数cm2s-1；ρ-密度g·cm-3；Cp-比热容J/(g·K)；λ-导热系数W/(m·K))，计算在各实验温度点下的热导率，结果如表1所示。
表1模具钢材料的热导率(W/(m·K))
温度(℃) 铸件
25 32.158
100 33.879
200 35.48
300 36.716
400 37.127
500 36.272
由表1可以看出：在25-100℃温度范围内，模具钢热导率远高于H13的热导率(22W/(m·K))，也高于18Ni300马氏体时效钢的热导率。在400℃时模具钢的热导率高达37.13W/(m·K)。
图2为实施例4中不同时效温度时效4h的模具钢金相组织图，其中，a为425℃，b为450℃，c为475℃，d为500℃，e为525℃，f为550℃，g为575℃。
由图2可以看出：热处理后的组织为网络分布的条状铁素体与块状的马氏体混合组成。
表2不同时效温度下时效4h模具钢的性能
时效温度(℃) 硬度(HRC) 抗拉强度Ts(MPa) 延伸率El(％)
425 29.10 927.32 13.42
450 33.53 991.91 14.15
475 34.27 989.77 13.13
500 33.83 986.74 14.99
525 35.67 948.44 16.35
550 31.23 917.87 16.44
575 28.50 765.34 15.17
由表2可以看出，模具钢的硬度随时效温度的变化趋势均为先增大后减小，时效温度为425℃和575℃时的硬度要明显低于其他时效温度处理后的硬度，这是因为时效温度较低时经时效处理后模具钢内部析出物的数量相对较少，析出物起到的硬化作用并不明显，而时效温度较高时析出相在完全析出后仍然处于高温下，这时候原本细小弥散的析出相会出现聚合长大的现象，使得析出相的硬化作用减弱，因而硬度降低，所以模具钢合适的时效温度区间为450-525℃；
时效温度在425-575℃温度范围内时，随着时效温度增加，模具钢的抗拉强度均呈现先增加后减小的趋势。显然时效温度选择在475-525℃是更合适的，时效温度过低时模具钢内部第二相析出量未达到峰值而强度提升有限，为欠时效状态；而时效温度过高时，第二相聚集长大的同时马氏体板条之间的界面消失，使得强度显著降低，为过时效状态；
延伸率与时效温度之间的关系则不明显，随着时效温度增加，延伸率总体上呈一个增加的趋势，增加的幅度较小，这可能是因为时效温度越高，内应力的消除越彻底，同时晶粒内部的位错经过滑移和攀移后使位错密度降低，多因素共同作用下延伸率呈现出了随时效温度增加而增加的趋势。综合考虑选择时效温度为475-525℃。
图3为实施例4中500℃时效不同时间的模具钢金相组织图，其中，从左到右依次为固溶+时效0h、固溶+时效0.5h、固溶+时效1h、固溶+时效4h。
由图3可以看出：模具钢在500℃经过不同时效时间热处理后，模具钢的组织是网络分布的条状铁素体与条状马氏体的混合组织。经过不同时效时间时效处理后，通过金相照片看不到组织的变化，可以认为在500℃时效处理时微观组织对于时效时间并不敏感。
表3 500℃时效不同时间模具钢的性能
热处理工艺 硬度(HRC) 抗拉强度Ts(MPa) 延伸率El(％)
固溶+时效0h 23.0 771 8.2
固溶+时效0.5h 32.4 930 11.8
固溶+时效1h 30.4 884 10.3
固溶+时效2h 33.1 966 13.2
固溶+时效4h 33.8 987 15.0
固溶+时效8h 34.3 998 13.8
由表3可以看出：模具钢经过固溶处理后硬度仅为23HRC，模具钢的硬度在时效0.5h时硬度要高于时效1h的硬度，硬度随时效时间的变化趋势为波浪形，先减小再增加，这是因为在时效0.5h时大量富铜相快速析出，提高了材料的硬度，而时效时间增加到1h时不仅有析出相持续析出使硬度增加，还会发生位错的重新排布而导致材料内部位错密度降低而使硬度降低，两者综合作用的结果决定了时效1h时的硬度与时效0.5h时硬度大小关系；模具钢时效时间达到4h后，继续增加时效时间到8h，硬度的变化很小，说明相对于时效温度时效时间对硬度的影响较小；
模具钢时效处理后的延伸率要普遍高于仅经过固溶处理的延伸率，这是因为时效处理后应力得到了释放，材料内部的位错密度降低，塑性得到了提高；时效时间低于4h时，经时效处理的模具钢的强度反而低于固溶态的强度，时效时间达到4h后模具钢的强度超过固溶态的强度，短时间时效强度降低的原因可能是位错密度减小导致的，而时效时间达到4h后因为析出相有充分的时间析出而使得材料强度增加。综合考虑选择时效时间为0.5-8h，优选2-8h。
由上述实验可以看出，本发明所述模具钢具有较高热导率的同时，具有良好的韧性和强度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种韧性好热导率高的模具钢，其特征在于，其成分按重量百分比计包括：C 0.04-0.06％，Ni 0.7-0.8％，Cu 1.4-1.6％，Mn 0.65-0.75％，Si 0.35-0.45％，Mo 2.8-3.2％，W1.8-2.2％，余量为Fe；
所述韧性好热导率高的模具钢的制备方法，包括如下步骤：
S1、取各原料熔炼浇铸得到成分配比与所述韧性好热导率高的模具钢相同的铸件；
S2、将铸件进行固溶处理，淬火，再于475-525℃保温时效处理0.5-8h得到韧性好热导率高的模具钢。
2.根据权利要求1所述韧性好热导率高的模具钢，其特征在于，其成分按重量百分比计包括：C 0.05％，Ni 0.75％，Cu 1.5％，Mn 0.7％，Si 0.4％，Mo 3％，W 2％，余量为Fe。
3.根据权利要求1或2所述韧性好热导率高的模具钢，其特征在于，在S2中，固溶温度≥950℃，固溶时间≥30min。
4.根据权利要求1或2所述韧性好热导率高的模具钢，其特征在于，在S2中，于475-525℃保温时效处理2-8h。
5.根据权利要求1或2所述韧性好热导率高的模具钢，其特征在于，在S2中，用水淬火至铸锭温度为室温。
6.根据权利要求1或2所述韧性好热导率高的模具钢，其特征在于，在S2中，时效后，空冷至室温得到韧性好热导率高的模具钢。
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