CN114427091A - 一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品及其增材制造工艺 - Google Patents

一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品及其增材制造工艺 Download PDF

Info

Publication number
CN114427091A
CN114427091A CN202011093740.6A CN202011093740A CN114427091A CN 114427091 A CN114427091 A CN 114427091A CN 202011093740 A CN202011093740 A CN 202011093740A CN 114427091 A CN114427091 A CN 114427091A
Authority
CN
China
Prior art keywords
product
cladding
die steel
percent
cladding layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011093740.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114427091B (zh
Inventor
孙正启
陈扬
刘明旺
范成景
孙乾钊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuxi Langxian Lightweight Technology Co ltd
Original Assignee
Wuxi Langxian Lightweight Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuxi Langxian Lightweight Technology Co ltd filed Critical Wuxi Langxian Lightweight Technology Co ltd
Priority to CN202011093740.6A priority Critical patent/CN114427091B/zh
Publication of CN114427091A publication Critical patent/CN114427091A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114427091B publication Critical patent/CN114427091B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
    • C23C24/106—Coating with metal alloys or metal elements only
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0068—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/46—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with vanadium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/48—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with niobium or tantalum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/50—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with titanium or zirconium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/52—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with cobalt
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)
  • Mounting, Exchange, And Manufacturing Of Dies (AREA)

Abstract

本发明提供一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品及其增材制造工艺，包括上下设置的熔覆层和基体，所述熔覆层采用高速钢，所述基体采用高强钢；所述熔覆层厚度为1‑10mm，硬度52‑62HRC；所述熔覆层内包括0.6‑0.9％C、5.0‑11.0％Cr+Mo+V；所述基体厚度为40‑400mm，硬度30‑45HRC，基体内设置有水路，所述水路直径5‑15mm，距离制品型面5‑20m。本发明利用激光熔覆的高能量密度和快速冷却特征，配合以耐磨性粉末成分设计，实现熔覆层的高合金化、无偏析来提高模具钢的耐磨性和抗开裂性能，降低模具钢制品的制造成本。

Description

一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品及其增材制造工艺
技术领域
本发明主要涉及模具钢制造技术领域，尤其涉及一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品及其增材制造工艺，适用于热冲压模具镶块、热切刀块和热冲冲头等模具钢制品的制造。
背景技术
随着汽车轻量化的发展，以热冲压为代表的材料加工技术蓬勃发展。它利用金属高温塑性成形的原理，将22MnB5等热压硬化钢在650-850℃完成塑性成形，并对板料在5-15MPa压力下进行冷模淬火处理。相比高强钢冷冲压工艺，具有零件几乎无回弹、能够实现复杂型面成形等优势，迅速成为实现汽车轻量化的主流技术，相关模具钢市场高达100-200亿元/年。通常一款热冲压模具要求服役寿命高达20-40万次，由于承受冷热循环应力、板料流动产生的摩擦和局部应力集中(水路加工)，加上国产热冲压装备不稳定，导致服役工况复杂而又恶劣，对模具钢的合金设计、纯净度和组织调控要求极为苛刻。
目前，热冲压模具钢通常采用成分设计、真空精炼、电渣重熔和等向锻造等方式进行加工，来保证模具钢的寿命。已公开发明专利，专利号CN101302599A，专利名称：铌微合金化高强度热作模具钢及其制备方法，提出了一种热作模具钢的制备工艺，通过精炼、电渣重熔、均匀化退火和多向锻造来制备模具钢。设备投资高、生产工艺复杂，造成制造成本极高，且工业上几乎全部来源于进口，相关制品占据模具成本的30％以上。
除此之外，国内采用非镀层板进行热冲压，奥氏体化过程中产生大量的氧化皮造成模具镶块和冲头磨粒磨损、粘附磨损极为严重，现有模具保养极为频繁，且因模具R角磨损导致的型面超差，每10万冲次就要进行型面降刻或模具重制。同时，由于生产线的不稳定性，板料叠料、杂物滞留模具等非正常冲压导致模具开裂报废的频率极高。因此，现有模具钢制品无论是成分设计还是制备工艺，均无法满足热冲压工况和服役寿命的需要。
总而言之，现有热冲压模具钢利用电渣重熔等工艺，存在宏观偏析、制造成本昂贵、合金元素利用率低的问题，且耐磨性无法满足热冲压复杂工况的要求。
近年来，激光熔覆作为一种先进的材料局部改性技术，它通过同轴送粉等方法，利用高量密度的激光束使粉末与基材表面熔凝在一起，从而在基体表面形成冶金结合的合金层。已公开发明专利，申请号CN101392382B，专利名称：一种激光熔覆结合激光喷丸强化表面改性的方法和装置，提出将激光熔覆与喷丸强化相结合来提高合金性能。已公开发明专利，申请号CN107164756B，专利名称：一种激光熔覆用修复H13模具钢的金属粉末，提出一种C-Cr-Mo系铁基粉末，采用激光熔覆对H13钢进行表面修复。然而，相关研究集中在激光修复、局部强化领域，尚无人应用于模具钢制品的一体化制造。更关键的是，受限于成分设计、熔覆工艺，现有粉末通常是低碳合金钢、马氏体时效钢，碳化物含量少、基体强度低，造成模具钢早期磨损失效，或者添加WC、SiC等微米级颗粒，模具钢在5万冲次内便发生热应力疲劳。因此，相关产品无法满足热冲压的工况需求。
综上因素，设计适用于激光熔覆的高耐磨性模具钢粉末，并将激光熔覆工艺进行改进，获得优于现有热冲压模具钢的组织和性能，也就成了热冲压模具钢增材制造领域的一大难题。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明提供一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品，包括上下设置的熔覆层和基体，所述熔覆层采用高速钢，所述基体采用高强钢；
所述熔覆层厚度为1-10mm，硬度52-62HRC；所述熔覆层内包括0.6-0.9％C、3.0-6.0％Cr+Mo+V；熔覆层具有较高的耐磨性和抗回火稳定性；
所述基体厚度为40-400mm，硬度30-45HRC，基体内设置有水路，所述水路直径5-15mm，距离制品型面5-20m。
优选的，高速钢还包括Si、Mn、Nb、Ti和Co中的一种或多种。
优选的，所述熔覆层上设置有中间层，所述中间层位于熔覆层和基体之间的过渡，根据工艺需要，中间层充当熔覆表层和基体之间的过渡层，目的是提高表层合金的熔覆成形性，避免发生热应力和相变应力开裂。
优选的，基体包括以下成分：C 0.3-0.5％，Si 0.2-1.0％，Mn 0.4-1.5％，Cr+Mo0.2-2.0％，其余为Fe和杂质；
熔覆层包括以下成分：C 0.6-0.9％，Si 0.4-1.0％，Mn+Ni 0.5-1.0％，Cr+Mo+V4.0-8.0％，Nb+Ti 0-0.5％，Co 0-3.0％。
用于熔覆层制造的合金粉末，成分限定理由如下：
1)碳C:0.6-0.9％。钢中最基本的强化元素，也是提高材料硬度和耐磨性的关键元素。以固溶和碳化物的形式存在，与Cr、Mo和V形成碳化物来提高合金强度。研究发现，在板件热冲压成形和保压过程中，模具型面的瞬间最高温度为200-350℃。因此，回火软化并不是热冲压模具的主要失效模式，现有模具锻钢普遍采用热作模具钢并不符合实际工况的需求。但是，C含量过高会降低合金的塑韧性，熔覆开裂敏感性也会增大，且在热冲压过程中易于发生崩角和应力疲劳。因此，本发明将C含量控制在0.6-0.9％。
2)硅Si:0.4-1.0％。以固溶形式存在，有利于提高钢的室温强度、热强度和切削加工性能。此外，模具钢中加入一定的Si，与Mo、Cr配合使用，可以提高模具钢的耐腐蚀性能和抗氧化性能，有效抑制模具钢制品在使用过程中的氧化行为和冷却水对模具钢水道内壁的腐蚀，避免发生模具钢应力腐蚀开裂。本发明将Si含量控制在0.2-1.0％。
3)锰+镍Mn+Ni:0.2-1.0％。以固溶形式存在，奥氏体稳定化元素，扩大奥氏体相区，主要起到固溶强化的作用。同时，Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，能有效的降低脆性转变温度，一定量的Mn能消除或减弱P、S引起的热脆性。加入一定量的Mn和Ni，可以降低材料的熔覆开裂敏感性。
4)铬+钼+钒Cr+Mo+V:5.0-11.0％。碳化物形成元素，可以显著提高模具钢的淬透性和热稳定性。在模具钢中，主要以碳化物第二相的形式存在，是决定模具钢硬度和耐磨性的重要元素。但是，含量较高或者配比不当时，材料的强韧性会急剧恶化。研究发现，现有热冲压模具钢普遍采用较高的Mo和V,可以能够提高材料的屈服点、室温强度和高温强度，一定量的Cr和Mo还可以提高材料的耐腐蚀性，避免模具钢水道发生早期开裂。其中，V可以形成更为弥散的碳化物，起到细化晶粒的作用。但是，含量过多时，会造熔覆层存在较多的残余奥氏体，需要多次回火来消除，否则服役性能不稳定，且会发生粘附磨损。
5)铌+钛Nb+Ti:0-0.5％。钢中的强碳化物形成元素，非必须元素，主要以弥散碳化物形式存在，用于强化强化基体晶粒。由于激光熔覆凝固速度较快，研究发现，加入一定量的Nb和Ti，可以有效细化熔覆层的组织，提高热冲压模具的强韧性能、热稳定性和疲劳寿命。此外，Ti与N、O有着极强的亲和力，可以起到脱氧作用，减少熔覆层中的粗大的氧化夹杂物。，因此Nb+Ti含量控制在0-0.5％。
6)钴Co:0-3.0％。以固溶强化的形式存在，可以提高模具钢制品表面熔覆层的抗压强度。用于热切刀块、热冲冲头等承受挤压力较大的模具制品，有效抑制因服役不稳定引起的制品早期应变的疲劳，提高激光熔覆制造模具钢制品的服役寿命。
用于模具钢制品优选的基材成分，限定理由如下：
由于热冲压保压压力通常控制在5-25MPa，对于模具钢制品基材而言，无需采用高强度的模具钢。本发明在现有模具钢的基础上，适当降低C和Cr+Mo+V含量，将塑韧性提高2-3倍；相比同类锻钢、增材制造产品，有效抑制模具钢制品因机床不稳定或局部应力集中引起的开裂风险。在此发明中，加入一定量的Ti、Nb和V可以有效提高基材的晶粒细化，对模具钢制品的热稳定性也有一定提高，防止在热切刀块等制品因无法设计水路而产生温度过高造成的基材回火软化。
一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品的增材制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：基材减材加工：以模具钢制品型面为基准，对基材型面进行减材加工，基材型面过切量为0.1-5mm；
S2：激光增材熔覆：对基材表面进行清洗，根据制品型面设定激光熔覆的进给路径、并根据熔覆粉末特性设定激光熔覆的工艺参数，道次搭接率控制在25-50％、激光功率控制在1-6kw、光斑直径控制在0.2-3mm，在基材的表面熔覆1-4层合金层，单层合金层的厚度控制在0.1-3mm，多层合金层所共同形成的熔覆层的总厚度高于基材过切量0.2-2mm；
S3：制品回火处理：对模具钢制品进行回火处理，回火温度为450-600℃，回火次数1-3次，这是因为激光熔覆过程中，冷却速率高达100-1000℃/s，熔覆层组织以马氏体和残余奥氏体为主。通过回火，消除熔覆层中的残余奥氏体和马氏体，提高模具钢熔覆合金层的热稳定性和抗粘附磨损特性；
S4：制品精加工：以制品型面为基准，对制品熔覆层高出型面区域进行减材加工，获得成品。
优选的，步骤S2中，根据粉末与基材的成分体系特征和熔覆工艺需求，对制品基材进行预加热或在线加热，使得制品基材温度达到250-400℃；
当对制品基材进行预加热时，加热温度为300-450℃；
当对制品基材进行在线加热时，加热温度为250-400℃。
本发明的有益效果：利用激光熔覆的高能量密度和快速冷却特征，配合以耐磨性粉末成分设计，实现熔覆层的高合金化、无偏析来提高模具钢的耐磨性和抗开裂性能，降低模具钢制品的制造成本，具体的是：
1、更高的耐磨性：采用0.6-0.9％C含量，提高了碳化物的含量，并通过激光熔覆的快速冷却特性，获得细小的基体晶粒，Co的加入，提高了材料的抗压强度，减少了粘附磨损和挤压变形；
2、抗热裂性能好：通过预加热或在线加热，来降低模具钢制品加工过程中的表面应力，能够满足高碳当量粉末的熔覆需求；
3、模具钢制品成本低：制品基体材料选用常规的合金钢或碳钢，仅需要在表层熔覆高性能合金层，较低的昂贵元素消耗，更为简约的制造工艺需求，将模具钢的制造成本降低约50％以上；
4、合金利用率高：传统模具钢制品来料状态为方形或圆形，通过减材机械切削工来完成型面加工，材料利用率只能达到50-75％.本方案采用激光熔覆制备模具钢制品，材料利用率高达90％以上，且仅仅需要控制模具钢表层的成本；
5、产品偏析小：激光具备高能量密度，能够实现高合金含量材料的熔融，并实现材料的极速冷却，因此晶粒更为细小，合金层几乎无宏观偏析。
附图说明
图1为本发明中关于模具钢制品的立体结构图；
图2为本发明中关于模具钢制品的主视图；
图3为本发明中关于增减材加工的平面示意图，a为基材，b为基材减材加工，c为激光增材熔覆，d为制品精加工；
图4为本发明中关于增减材加工的立体示意图；
图5为本发明的制品合金层组织图；
图6为本发明的产品应用于热冲压模具示意图；
图7为本发明的产品应用于热冲压模具下模示意图；
其中：
1、镶块型面；2、水路***；3、水路距离型面的距离；4、水路间距；5、上模座；6、上模镶块(激光增材制造)；7、下模镶块(激光增材制造)；8、下模座；9、导向机构。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的以及优点更加清晰易懂，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图3-4所示可知，本发明一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品包括有：包括上下设置的熔覆层和基体，所述熔覆层采用高速钢，所述基体采用高强钢；
所述熔覆层厚度为1-10mm，硬度52-62HRC；所述熔覆层内包括0.6-0.9％C、3.0-6.0％Cr+Mo+V；
所述基体厚度为40-400mm，硬度30-45HRC，基体内设置有水路，所述水路直径5-15mm，距离制品型面5-20m。
此外，根据工艺需要，熔覆层和基体之间设置有中间层，中间层充当熔覆表层和基体之间的过渡层，目的是提高表层合金的熔覆成形性，避免发生热应力和相变应力开裂。
在本实施中优选的，基体包括以下成分：C 0.3-0.5％，Si 0.2-1.0％，Mn 0.4-1.5％，Cr+Mo 0.2-2.0％，其余为Fe和杂质；
熔覆层包括以下成分：C 0.6-0.9％，Si 0.4-1.0％，Mn+Ni 0.5-1.0％，Cr+Mo+V4.0-8.0％，Nb+Ti 0-0.5％，Co 0-3.0％。
一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品的增材制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：基材减材加工：以模具钢制品型面为基准，对基材型面进行减材加工，基材型面过切量为0.1-5mm；
S2：激光增材熔覆：对基材表面进行清洗，根据制品型面设定激光熔覆的进给路径、并根据熔覆粉末特性设定激光熔覆的工艺参数，道次搭接率控制在25-50％、激光功率控制在1-6kw、光斑直径控制在0.2-3mm，在基材的表面熔覆1-4层合金层，单层合金层的厚度控制在0.1-3mm，多层合金层所共同形成的熔覆层的总厚度高于基材过切量0.2-2mm；
S3：制品回火处理：对模具钢制品进行回火处理，回火温度为450-600℃，回火次数1-3次；这是因为激光熔覆过程中，冷却速率高达100-1000℃/s，熔覆层组织以马氏体和残余奥氏体为主。通过回火，消除熔覆层中的残余奥氏体和马氏体，提高模具钢熔覆合金层的热稳定性和抗粘附磨损特性。
S4：制品精加工：以制品型面为基准，对制品熔覆层高出型面区域进行减材加工，获得成品。
在本实施中优选的，步骤S2中，根据粉末与基材的成分体系特征和熔覆工艺需求，对制品基材进行预加热或在线加热，使得制品基材温度达到250-400℃；
当对制品基材进行预加热时，加热温度为300-450℃；
当对制品基材进行在线加热时，加热温度为250-400℃。
具体的，通过下述实施例进行阐述：
对于用于热冲压模具的镶块而言，现有工业多采用Dievar、W360和Q级H13等模具锻钢，在非镀层板热冲压环境中存在着磨损速度快的问题。根据表1，本粉末体系HS-P在H13模具钢的基础上，提高C含量至0.70-0.80％，提高Cr含量至7.00-8.00％，来提高材料的耐磨性，解决了热冲压模具镶块R角易于磨损的问题。同时，通过激光熔覆在廉价基材HS-S上熔覆一层高性能粉末HS-P，获得了熔覆合金层HS-P的组织无偏析和高疲劳性能。此外，相比市面上的进口模具钢，制备成本降低50-75％。
表1：本发明模具钢成分表
Figure BDA0002722981450000111
一、其制备工艺如下：
1)粉末的制备：用气体雾化制备HS-P粉末，将粉末进行筛分，以得到粒度在10-150微米的粉末。
2)基材制备：用铸造-锻造法制备HS-S基材，热处理硬度控制为38-40HRC。见图3-4(a)。
3)基材减材加工：将基材进行切削减材加工，依据制品型面，将基材过切2.5mm。见图3-4(b)。
4)去应力退火：将基材在300-400℃进行去应力退火，随后，用丙酮溶剂清洗基材表面。
5)激光增材熔覆：在基材表面熔覆2层，单层厚度控制为1.6mm，道次搭接率控制在30-40％，激光功率选用2KW。见图3-4(c)。
6)回火处理：将制品进行回火处理，回火温度为500-550℃，回火3次，熔覆层硬度控制为56-60HRC。
7)制品精加工：以制品型面为基准，将熔覆层高出型面区域(1.6*2-2.5＝0.7mm)进行切削减材加工，模具镶块制备结束。见图3-4(d)。
二、组织与性能对比
下面与热冲压常用材料Q级H13做对比。H13模具钢成分为0.35-0.42％C、0.20-0.50％Mn、0.80-1.20％Si、4.75-5.50％Cr、0.80-1.20％V、1.20-1.50％Mo，经过真空熔炼、电渣重熔和多向锻造等工艺处理。一般来说，H13模具钢的组织特征存在着宏观偏析带，这种宏观偏析带在回火过程中并没得到消除，且基体晶粒尺寸分布不均，存在着粗大晶粒。图5给出了本发明模具钢HS制品的熔覆层组织，尽管存在着少量的孔隙缺陷，但组织更为细小，组织中无宏观偏析带。
经热冲压实际服役的对比发现，本发明HS模具钢失效模式主要为磨损，没有发生整体开裂现象。这是因为本发明模具钢制品的基体材料HS-S具有远高于H13模具钢的塑韧性，在受到不稳定的加载力时，能够有效阻止熔覆层裂纹向基体进行扩展；而H13模具钢产生的裂纹会延伸至水路，导致模具镶块漏水而早期报废。此外，在连续生产时，本发明HS模具钢制品的型面温度维持在100-120℃，而H13模具钢的型面温度维持在110-135℃，这也说明了本发明HS模具钢具有更好的热传导性能。具体结果，如下表：
表：本发明与同类模具钢制品的性能对比
Figure BDA0002722981450000121
上述实施例仅例示性说明本专利申请的原理及其功效，而非用于限制本专利申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利请的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品，其特征在于，包括上下设置的熔覆层和基体，所述熔覆层采用高速钢，所述基体采用高强钢；
所述熔覆层厚度为1-10mm，硬度52-62HRC；所述熔覆层内包括0.6-0.9％C、5.0-11.0％Cr+Mo+V；
所述基体厚度为40-400mm，硬度30-45HRC，基体内设置有水路，所述水路直径5-15mm，距离制品型面5-20m。
2.根据权利要求1所述的用于热冲压的高耐磨性模具钢制品，其特征在于：所述高速钢还包括Si、Mn、Nb、Ti和Co中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的用于热冲压的高耐磨性模具钢制品，其特征在于：所述熔覆层上设置有中间层，所述中间层位于熔覆层和基体之间的过渡。
4.根据权利要求3所述的用于热冲压的高耐磨性模具钢制品，其特征在于：所述基体包括以下成分：C 0.3-0.5％，Si 0.2-1.0％，Mn 0.4-1.5％，Cr+Mo 0.2-2.0％，其余为Fe和杂质；
熔覆层包括以下成分：C 0.6-0.9％，Si 0.4-1.0％，Mn+Ni 0.5-1.0％，Cr+Mo+V 4.0-8.0％，Nb+Ti 0-0.5％，Co 0-3.0％。
5.一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品的增材制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：基材减材加工：以模具钢制品型面为基准，对基材型面进行减材加工，基材型面过切量为0.1-5mm；
S2：激光增材熔覆：对基材表面进行清洗，根据制品型面设定激光熔覆的进给路径、并根据熔覆粉末特性设定激光熔覆的工艺参数，道次搭接率控制在25-50％、激光功率控制在1-6kw、光斑直径控制在0.2-3mm，在基材的表面熔覆1-4层合金层，单层合金层的厚度控制在0.1-3mm，多层合金层所共同形成的熔覆层的总厚度高于基材过切量0.2-2mm；
S3：制品回火处理：对模具钢制品进行回火处理，回火温度为450-600℃，回火次数1-3次；
S4：制品精加工：以制品型面为基准，对制品熔覆层高出型面区域进行减材加工，获得成品。
6.根据权利要求5所述的用于热冲压的高耐磨性模具钢制品的增材制造工艺，其特征在于：所述步骤S2中，根据粉末与基材的成分体系特征和熔覆工艺需求，对制品基材进行预加热或在线加热，使得制品基材温度达到250-400℃；
当对制品基材进行预加热时，加热温度为300-450℃；
当对制品基材进行在线加热时，加热温度为250-400℃。
CN202011093740.6A 2020-10-14 2020-10-14 一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品及其增材制造工艺 Active CN114427091B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011093740.6A CN114427091B (zh) 2020-10-14 2020-10-14 一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品及其增材制造工艺

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011093740.6A CN114427091B (zh) 2020-10-14 2020-10-14 一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品及其增材制造工艺

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114427091A true CN114427091A (zh) 2022-05-03
CN114427091B CN114427091B (zh) 2024-03-26

Family

ID=81310306

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011093740.6A Active CN114427091B (zh) 2020-10-14 2020-10-14 一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品及其增材制造工艺

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114427091B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115572887A (zh) * 2022-10-31 2023-01-06 常州大学 一种超细孪晶梯度结构中锰钢及其制备方法

Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05156407A (ja) * 1991-12-06 1993-06-22 Hitachi Metals Ltd 高性能転造ダイス用鋼およびその製造方法
CN101381869A (zh) * 2008-10-22 2009-03-11 东莞理工学院 激光熔覆高硬无裂铁基合金专用合金粉末
CN101392353A (zh) * 2008-10-30 2009-03-25 上海大学 高锰低铬型高强韧性热作模具钢及其制备方法
CN102212754A (zh) * 2011-01-14 2011-10-12 上海大学 热冲压模具用材料及其制备方法
CN102212753A (zh) * 2011-01-14 2011-10-12 上海大学 新型耐热耐磨热冲压模具用合金钢材料
CN102605261A (zh) * 2012-03-23 2012-07-25 宝山钢铁股份有限公司 一种热冲压模具钢及其制造方法
CN103710625A (zh) * 2013-12-20 2014-04-09 莱芜钢铁集团有限公司 一种高韧性塑料模具钢及其生产方法
CN103993308A (zh) * 2014-04-10 2014-08-20 江苏新亚特钢锻造有限公司 一种激光熔覆再制造辊轴类零部件的方法
JP2014173119A (ja) * 2013-03-07 2014-09-22 Sanyo Special Steel Co Ltd 被削性と鏡面性に優れたプラスチック成形金型用鋼
CN104152916A (zh) * 2014-05-06 2014-11-19 上海大学 热冲压专用超高热导率耐磨模具钢热处理和等离子氮碳共渗表面处理工艺方法
CN105018851A (zh) * 2014-04-30 2015-11-04 大同特殊钢株式会社 模具用钢和模具
CN105063491A (zh) * 2015-08-13 2015-11-18 中国兵器工业第五二研究所 一种径向精锻机用高硬度锤头的制备方法
CN106544670A (zh) * 2016-11-22 2017-03-29 国营芜湖机械厂 超高强低碳合金钢表面激光熔覆层的制备方法与应用
CN107574298A (zh) * 2017-08-30 2018-01-12 深圳万佳互动科技有限公司 一种固体废料破碎机刀具用钢材
CN109570368A (zh) * 2018-12-05 2019-04-05 重庆江东机械有限责任公司 一种制备超高强度钢板热冲压成形模具的方法
CN109881109A (zh) * 2019-04-25 2019-06-14 重庆大学 一种激光熔覆材料及激光熔覆涂层的制备方法
CN110484812A (zh) * 2019-04-29 2019-11-22 如皋市宏茂重型锻压有限公司 一种高性能热冲压模具钢及其制造工艺
CN111549275A (zh) * 2020-04-30 2020-08-18 中车工业研究院有限公司 一种车轴增材修复用铁基合金粉末及其制备方法和应用

Patent Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05156407A (ja) * 1991-12-06 1993-06-22 Hitachi Metals Ltd 高性能転造ダイス用鋼およびその製造方法
CN101381869A (zh) * 2008-10-22 2009-03-11 东莞理工学院 激光熔覆高硬无裂铁基合金专用合金粉末
CN101392353A (zh) * 2008-10-30 2009-03-25 上海大学 高锰低铬型高强韧性热作模具钢及其制备方法
CN102212754A (zh) * 2011-01-14 2011-10-12 上海大学 热冲压模具用材料及其制备方法
CN102212753A (zh) * 2011-01-14 2011-10-12 上海大学 新型耐热耐磨热冲压模具用合金钢材料
CN102605261A (zh) * 2012-03-23 2012-07-25 宝山钢铁股份有限公司 一种热冲压模具钢及其制造方法
JP2014173119A (ja) * 2013-03-07 2014-09-22 Sanyo Special Steel Co Ltd 被削性と鏡面性に優れたプラスチック成形金型用鋼
CN103710625A (zh) * 2013-12-20 2014-04-09 莱芜钢铁集团有限公司 一种高韧性塑料模具钢及其生产方法
CN103993308A (zh) * 2014-04-10 2014-08-20 江苏新亚特钢锻造有限公司 一种激光熔覆再制造辊轴类零部件的方法
CN105018851A (zh) * 2014-04-30 2015-11-04 大同特殊钢株式会社 模具用钢和模具
CN104152916A (zh) * 2014-05-06 2014-11-19 上海大学 热冲压专用超高热导率耐磨模具钢热处理和等离子氮碳共渗表面处理工艺方法
CN105063491A (zh) * 2015-08-13 2015-11-18 中国兵器工业第五二研究所 一种径向精锻机用高硬度锤头的制备方法
CN106544670A (zh) * 2016-11-22 2017-03-29 国营芜湖机械厂 超高强低碳合金钢表面激光熔覆层的制备方法与应用
CN107574298A (zh) * 2017-08-30 2018-01-12 深圳万佳互动科技有限公司 一种固体废料破碎机刀具用钢材
CN109570368A (zh) * 2018-12-05 2019-04-05 重庆江东机械有限责任公司 一种制备超高强度钢板热冲压成形模具的方法
CN109881109A (zh) * 2019-04-25 2019-06-14 重庆大学 一种激光熔覆材料及激光熔覆涂层的制备方法
CN110484812A (zh) * 2019-04-29 2019-11-22 如皋市宏茂重型锻压有限公司 一种高性能热冲压模具钢及其制造工艺
CN111549275A (zh) * 2020-04-30 2020-08-18 中车工业研究院有限公司 一种车轴增材修复用铁基合金粉末及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
EROGLU, M: "Effect of chromium on microstructure and toughness of intercritical heat affected zone of low carbon steel", MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY, vol. 18, no. 1 *
丁阳喜: "模具钢激光表面改性技术的研究进展", 模具工业, no. 9 *
王明瑜: "B2模具钢激光熔覆层微观组织与疲劳性能的研究", 中国优秀硕士论文全文数据库工程科技Ⅰ辑 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115572887A (zh) * 2022-10-31 2023-01-06 常州大学 一种超细孪晶梯度结构中锰钢及其制备方法
CN115572887B (zh) * 2022-10-31 2023-06-09 常州大学 一种超细孪晶梯度结构中锰钢及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114427091B (zh) 2024-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100507060C (zh) 一种圆盘剪刀片的制造方法及圆盘剪刀片
US20150118098A1 (en) Low temperature hardenable steels with excellent machinability
CN102766817B (zh) 一种半高速钢刃钢
CN101144140A (zh) 一种飞剪刀片及其制造方法
CN106591730B (zh) 低碳马氏体易切削不锈钢及其生产方法
CN102776446B (zh) 一种半高速钢铜钎焊镶钢切纸刀片及其制备方法
CN111961977B (zh) 一种hb500级别高耐磨薄钢板及其生产方法
CN113684421B (zh) 矿山超宽圆盘锯片用钢的生产方法
CN111979491B (zh) 一种hb400级别高耐磨薄钢板及其生产方法
CN112048672B (zh) 一种hb450级别高耐磨薄钢板及其生产方法
CN104263889A (zh) 一种提高厚度≥10mm含钛高强钢冲击韧性的方法
CN101250668A (zh) 热作模具钢
CN113652605A (zh) 一种高强韧汽车车轮用钢、薄壁汽车车轮及其制备方法
CN114032464B (zh) 一种宽厚板的高性能剪切刀片及其制造方法
CN114427091B (zh) 一种用于热冲压的高耐磨性模具钢制品及其增材制造工艺
CN103589850B (zh) 破鳞拉矫机工作辊的制造方法
CN111748737A (zh) 一种冷裂纹敏感系数≤0.25的易焊接超高强钢及生产方法
CN111876663B (zh) 一种针织面板用合金结构钢板及其制造方法
CN115074641A (zh) 一种hb400级别高耐磨可冷弯钢板及其生产方法
CN114427090B (zh) 一种用于冲裁的高强韧模具钢制品及其增材制造工艺
JP3508943B2 (ja) アルミ鍛造金型用鋼
CN104233101A (zh) 一种滚切式双边剪及其制造方法
CN111647732A (zh) 一种1300MPa级复相钢、其制备方法及其应用
CN114990425B (zh) 一种废钢破碎用刀具及其制备、修复方法
CN115074628B (zh) 一种hb450级别高耐磨可冷弯钢板及其生产方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant