CN116891978A - 一种铝合金冲压模具钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于模具钢技术领域，尤其涉及一种铝合金冲压模具钢及其制备方法。其中模具钢中包括如下成分：C 0.2‑0.35%，Si 0.35‑0.48%，Mn 0.32‑0.56%，Nb 0.25‑0.42%，V 0.62‑0.83%，P≤0.01%，Mo 1.8‑3.4%，W 0.24‑0.39%，B 0.22‑0.36%，Ti 0.18‑0.24%，Cr0.23‑0.35%，Ni1.2‑2.4%，复合材料0.45‑0.58%，余量为Fe；制备得到的模具钢具有高冲击性能、良好的耐磨性能，适用于铝合金冲压。
Description
技术领域
本发明涉及模具钢技术领域，具体涉及一种铝合金冲压模具钢及其制备方法。
背景技术
模具作为工业发展的基础工艺装备，是制造业实现产品批量生产不可或缺的成型工具。模具加工具有精密、高效、低能耗的特性，统计数据显示，在航空航天、铁路船舶、电子设备等行业中，60%-80%的工件采用模具加工成型的方式，因而模具加工技术直接影响着相关行业的产品质量及生产效率。
模具钢材作为模具产品的核心原材料，随模具行业的发展而壮大，其质量的优劣直接影响着模具的使用寿命。开发高品质的高档模具钢是目前国内模具行业亟待解决的问题。
申请号为202211136903.3的中国专利公开了一种车用压铸模具钢及其制备方法。制备方法包括：S100：对原料进行EBT电炉熔炼、LF精炼、VD精炼，得到金属熔液；S200：对金属熔液进行浇铸，得到金属铸件；S300：对金属铸件进行电渣重熔、均匀化处理、锻造、热处理，得到压铸模具钢。申请号为202111203950.0的中国专利公开了一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材及其制备方法，由如下质量百分数的组分组成：3-4%Ni，3.6-3.9%C，2.0-2.8%Si，0.6-1.0%Mn，≤0.1%P，≤0.04%S，0.03-0.05%Mg，0.03-0.05%Re稀土，其余为Fe和不可避免的杂质；通过将称取的生铁原料、废钢进行熔炼后再加入硅铁、纯镍板；然后将其倒入浇包，采用喂丝孕育和球化的方式将球化剂和孕育剂加入至烧包的铁水中，完成后将其倒入水平连铸装置的结晶炉中按照铁型材水平连铸工艺规范实现铁水的凝固和连铸出相应的模具型材，之后进行等温淬火处理得到冲压工模具型材。
但实际操作过程中对于模具钢的磨损情况比较严重，因此需要提供一种具有优异耐磨性能、良好冲击韧性的模具钢的制备过程，使得在冲压模具时具有优异的性能。
发明内容
本发明提供一种铝合金冲压模具钢及其制备方法，其中模具钢中包括如下成分：C0.2-0.35%，Si 0.35-0.48%，Mn 0.32-0.56%，Nb 0.25-0.42%，V 0.62-0.83%，P≤0.01%，Mo1.8-3.4%，W 0.24-0.39%，B 0.22-0.36%，Ti 0.18-0.24%，Cr0.23-0.35%，Ni1.2-2.4%，复合材料0.45-0.58%，余量为Fe；制备得到的模具钢具有高冲击性能、良好的耐磨性能，适用于铝合金冲压。
本发明提供的技术方案如下：
一种铝合金冲压模具钢，所述模具钢中包括如下成分：C 0.2-0.35%，Si 0.35-0.48%，Mn 0.32-0.56%，Nb 0.25-0.42%，V 0.62-0.83%，P≤0.01%，Mo 1.8-3.4%，W 0.24-0.39%，B 0.22-0.36%，Ti 0.18-0.24%，Cr0.23-0.35%，Ni1.2-2.4%，复合材料0.45-0.58%，余量为Fe；优选为：C 0.25%，Si 0.42%，Mn 0.35%，Nb 0.32%，V 0.75%，P≤0.01%，Mo 2.3%，W0.30%，B 0.25%，Ti 0.20%，Cr0.32%，Ni1.5%，复合材料0.52%，余量为Fe；
所述复合材料的制备方法为：
S1、称取双氰胺置于马弗炉中于450-550℃条件下反应4-6h得到淡黄色固体g-C3N4，马弗炉的升温速率为3-5℃/min，优选为：置于马弗炉中于500℃条件下反应5h，升温速率为5℃/min，将其与硼酸混合均匀后向其中添加去离子水，超声20-40min得到混合物，置于90-110℃下搅拌直至水分蒸干，得到淡黄色g-C3N4/硼酸前驱体，优选为超声30min得到混合物，置于100℃下搅拌直至水分蒸干；
S2、将步骤S1得到的淡黄色g-C3N4/硼酸前驱体置于石英舟中，在氮气气氛下，在管式炉中煅烧，反应结束后自然冷却至室温，得到白色粉末，即为BN-OH粉末；其中管式炉的煅烧条件为：以3-5℃/min的升温速率升高温度至750-900℃煅烧1-2h；优选为以5℃/min的升温速率升高温度至800℃煅烧2h；
S3、以四氢呋喃为溶剂，向其中加入步骤S2得到的白色粉末和2,2’-[丙烷-2,2-二基双(硫)基]二乙酸，混合均匀后向其中加入硫酸铜，在惰性气氛下升高温度至70-85℃，反应4-6h后，优选为在氮气气氛下升高温度至80℃，反应5h，旋蒸得到所述复合材料。
本发明还提供一种铝合金冲压模具钢的制备方法，包括如下步骤：
A1、按照组分配比准备原料，将各原料混合后熔炼，浇注后得到钢锭；
A2、将得到的钢锭进行锻造，冷却至200-300℃得到锻态合金；先进行锻造开坯，锻造开坯的加热温度为1220℃，开锻温度为1200℃，终锻温度为800℃，再进行采用锤锻进行锻造成型，锻造成型的温度为1160℃；
A3、将得到的锻态合金进行热处理，得到所述模具钢。
进一步地，在步骤A3中热处理的方法为细晶热处理和等温球化退火。
进一步地，所述细晶热处理的步骤为：将锻态合金以100-120℃/h的速率加热至1050-1100℃保温40-60min，以3-5℃/s的速率冷却至400-450℃，再空冷至250-280℃，保温6-8h；再以120℃/h的速率继续加热至650-680℃，保温8-10h，再以10℃/s的速度冷却至室温；优选为：将锻态合金以120℃/h的速率加热至1050℃保温50min，以5℃/s的速率冷却至400℃，再空冷至260℃，保温10h；再以120℃/h的速率继续加热至650℃，保温10h，再以10℃/s的速度冷却至室温；
进一步地，所述等温球化退火为第一退火和第二退火，所述第一退火的温度为800-850℃，第一退火的保温时间为10-18h；所述第二退火的保温温度为700-750℃，第二退火的保温时间为10-18h；优选为：所述第一退火的温度为820℃，第一退火的保温时间为15h；所述第二退火的保温温度为720℃，第二退火的保温时间为15h。
本发明具有如下有益效果：
在本发明中在模具钢的制备过程中引入了复合材料，该复合材料由有机高分子材料包裹无机颗粒制备而成，首先将双氰胺置于马弗炉中在一定条件下得到淡黄色固体g-C3N4，再与硼酸进行混合，超声分散后搅拌得到淡黄色g-C3N4/硼酸前驱体，将其置于石英舟中于管式炉中在氮气气氛下进行煅烧，反应结束后得到白色粉末即羟基化氮化硼粉末；进一步地将其与2,2’-[丙烷-2,2-二基双(硫)基]二乙酸混合在硫酸铜的催化作用下发生酯化反应，实现了对氮化硼的包覆改性，将氮化硼接枝在有机骨架上。在无机颗粒外部包覆上有机高分子材料可以增加无机颗粒在合金粉末中的流动性；另外在熔炼过程中，由于有机骨架中含有的S-S键极易断裂，在不断升温的过程中S与组分中的Fe、Ni形成FeS和Ni-S，而这些硫化物的生成则有助于试样的黏着，从而减少对材料的磨损，进而提高了材料的耐磨性能。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明中，双氰胺CAS：461-58-5，硼酸CAS：10043-35-3，2,2’-[丙烷-2,2-二基双(硫)基]二乙酸CAS：4265-58-1，本发明所用药品均为市售。
实施例1
一种铝合金冲压模具钢，模具钢中包括如下成分：C 0.2%，Si 0.35%，Mn 0.32%，Nb0.25%，V 0.62%，P≤0.01%，Mo 1.8%，W 0.24%，B 0.22%，Ti 0.18%，Cr0.23%，Ni1.2%，复合材料0.45%，余量为Fe。
复合材料的制备方法为：
S1、称取15重量份双氰胺置于马弗炉中于450℃条件下反应4h得到淡黄色固体g-C3N4，马弗炉的升温速率为3℃/min，将其与12重量份硼酸混合均匀后向其中添加100重量份去离子水，超声20min得到混合物，置于90℃下搅拌直至水分蒸干，得到淡黄色g-C3N4/硼酸前驱体；
S2、将步骤S1得到的淡黄色g-C3N4/硼酸前驱体置于石英舟中，在氮气气氛下，在管式炉中煅烧，反应结束后自然冷却至室温，得到白色粉末，即为BN-OH粉末；其中管式炉的煅烧条件为：以3℃/min的升温速率升高温度至750℃煅烧1h；
S3、以100重量份四氢呋喃为溶剂，向其中加入步骤S2得到的白色粉末和15重量份2,2’-[丙烷-2,2-二基双(硫)基]二乙酸，混合均匀后向其中加入6重量份硫酸铜，在氮气气氛下升高温度至70℃，反应4h后旋蒸得到复合材料。
一种铝合金冲压模具钢的制备方法，包括如下步骤：
A1、按照组分配比准备原料，将各原料混合后熔炼，浇注后得到钢锭；
A2、将得到的钢锭进行锻造，冷却至200℃得到锻态合金；先进行锻造开坯，锻造开坯的加热温度为1220℃，开锻温度为1200℃，终锻温度为800℃，再进行采用锤锻进行锻造成型，锻造成型的温度为1160℃；
A3、将得到的锻态合金进行热处理，得到模具钢；其中，热处理的方法为细晶热处理和等温球化退火。细晶热处理的步骤为：将锻态合金以100℃/h的速率加热至1050℃保温40min，以3℃/s的速率冷却至400℃，再空冷至250℃，保温6h；再以120℃/h的速率继续加热至650℃，保温8h，再以10℃/s的速度冷却至室温；等温球化退火为第一退火和第二退火，第一退火的温度为800℃，第一退火的保温时间为10h；第二退火的保温温度为700℃，第二退火的保温时间为10h。
实施例2
本实施例与实施例1相比，各组分含量不同，制备过程中条件不同，其余参照实施例1。
具体为：其中模具钢中包括如下成分：C 0.25%，Si 0.42%，Mn0.35%，Nb 0.32%，V0.75%，P≤0.01%，Mo 2.3%，W 0.30%，B 0.25%，Ti 0.20%，Cr0.32%，Ni1.5%，复合材料0.52%，余量为Fe；
复合材料的制备方法参照实施例1，其中在步骤S1中置于马弗炉中于500℃条件下反应5h，升温速率为5℃/min；超声30min得到混合物，置于100℃下搅拌直至水分蒸干；在步骤S2中管式炉的煅烧条件为以5℃/min的升温速率升高温度至800℃煅烧2h；在步骤S3中在氮气气氛下升高温度至80℃，反应5h，旋蒸得到复合材料。
一种铝合金冲压模具钢的制备方法参照实施例1，其中在步骤A2中，冷却至250℃得到锻态合金；在步骤A3中细晶处理过程中，将锻态合金以120℃/h的速率加热至1050℃保温50min，以5℃/s的速率冷却至400℃，再空冷至260℃，保温8h；再以120℃/h的速率继续加热至650℃，保温10h，再以10℃/s的速度冷却至室温；等温球化退火过程中，第一退火的温度为820℃，第一退火的保温时间为15h；所述第二退火的保温温度为720℃，第二退火的保温时间为15h。
实施例3
本实施例与实施例1相比，各组分含量不同，制备过程中条件不同，其余参照实施例1。
具体为：其中模具钢中包括如下成分：C 0.35%，Si 0.48%，Mn0.56%，Nb 0.42%，V0.83%，P≤0.01%，Mo 3.4%，W 0.39%，B 0.36%，Ti 0.24%，Cr0.35%，Ni2.4%，复合材料0.58%，余量为Fe；
复合材料的制备方法参照实施例1，其中在步骤S1中置于马弗炉中于550℃条件下反应6h，升温速率为5℃/min；超声40min得到混合物，置于110℃下搅拌直至水分蒸干；在步骤S2中管式炉的煅烧条件为以5℃/min的升温速率升高温度至900℃煅烧2h；在步骤S3中在氮气气氛下升高温度至85℃，反应6h，旋蒸得到复合材料。
一种铝合金冲压模具钢的制备方法参照实施例1，其中在步骤A2中，冷却至300℃得到锻态合金；在步骤A3中细晶处理过程中，将锻态合金以120℃/h的速率加热至1100℃保温60min，以5℃/s的速率冷却至450℃，再空冷至280℃，保温8h；再以120℃/h的速率继续加热至680℃，保温10h，再以10℃/s的速度冷却至室温；等温球化退火过程中，第一退火的温度为850℃，第一退火的保温时间为18h；所述第二退火的保温温度为750℃，第二退火的保温时间为18h。
对比例1
本对比例与实施例1相比，将模具钢成分中的复合材料更换为步骤S2制备得到的BN-OH粉末，其余条件不变，参照实施例1。
对比例2
本对比例与实施例1相比，将模具钢成分中的复合材料更换为步骤S2制备得到的BN-OH粉末和2,2’-[丙烷-2,2-二基双(硫)基]二乙酸混合物，二者质量比为1:2；其余条件不变，参照实施例1。
对比例3
本对比例与实施例1相比，将模具钢成分中的复合材料更换为普通市售氮化硼粉末，其余条件不变，参照实施例1。
相关测试
采用UMT-3高温摩擦磨损试验机对实施例1-3及对比例1-3制备的样品的耐磨性能进行评价，对磨材料SiC、载荷20N，磨损时间60min；再用GB/T229测定实施例1-3及对比例1-3制备样品的冲击韧性，测试结果如表1所示。
表1
对实施例1-3及对比例1-3制备的模具钢进行高温强度测试，采用GB/T4338-2006《金属材料高温拉伸试验方法》测试结果如表2所示。
表2
由上述测试数据表明，实施例1-3制备的模具钢具有更好的耐磨性能，尤其实施例2性能最佳。说明在本发明中引入的氮化硼材料以及引入的双硫键在制备模具钢的过程中与组分中的Fe、Ni形成的FeS和Ni-S能够有效提高材料的耐磨性能和高温强度。
在铝合金冲压模具钢制备过程中，Cr的引入对钢的强度、硬度、耐磨性、抗氧化性等都有增强作用，与碳元素结合后形成的碳化物可有效提高耐磨性；Mo的引入能够与碳形成细小弥散的Mo2C碳化物，其溶解度较高，能够有效提高钢的强度；V的引入能够与碳形成细小的MC型碳化物，提高钢的强度，能够细化晶粒，提高耐磨性；Si具有固溶强化作用，由于Si的存在，碳在铁素体的扩散速率受到抑制，从而抑制了回火碳化物的长大，钢的回火稳定性能够得到提高。
进一步地，在本发明提供的模具钢的组成成分中还引入了复合材料，首先将双氰胺置于马弗炉中在一定条件下得到淡黄色固体g-C3N4，再与硼酸进行混合，超声分散后搅拌得到淡黄色g-C3N4/硼酸前驱体，将其置于石英舟中于管式炉中在氮气气氛下进行煅烧，反应结束后得到白色粉末即羟基化氮化硼粉末；进一步地将其与2,2’-[丙烷-2,2-二基双(硫)基]二乙酸混合在硫酸铜的催化作用下发生酯化反应，实现了对氮化硼的包覆改性，将氮化硼接枝在有机骨架上。在制备模具钢的过程中，将各原料混合后进行熔炼，在升温过程中，含有有机骨架的复合材料的流动性逐渐增加，能够增加复合材料在各组分中的均匀性。由于氮化硼是由氮原子和硼原子构成的晶体，硼原子和氮原子交替分布在六边形的层中，具有优越的机械性能、高比表面积和优异的化学稳定性，能够有效的提高制备材料的耐磨性能；且在熔炼过程中，由于有机骨架中含有的S-S键极易断裂，在不断升温的过程中S与组分中的Fe、Ni形成FeS和Ni-S，而这些硫化物的生成则有助于减少试样的黏着，从而减少对材料的磨损，进而提高了材料的耐磨性能。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本申请的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种铝合金冲压模具钢，其特征在于，所述模具钢中包括如下成分：C 0.2-0.35%，Si0.35-0.48%，Mn 0.32-0.56%，Nb 0.25-0.42%，V 0.62-0.83%，P≤0.01%，Mo 1.8-3.4%，W0.24-0.39%，B 0.22-0.36%，Ti 0.18-0.24%，Cr 0.23-0.35%，Ni 1.2-2.4%，复合材料0.45-0.58%，余量为Fe；
所述复合材料的制备方法为：
S1、称取双氰胺置于马弗炉中于450-550℃条件下反应4-6h得到淡黄色固体，将其与硼酸混合均匀后向其中添加去离子水，超声20-40min得到混合物，置于90-110℃下搅拌直至水分蒸干，得到淡黄色前驱体；
S2、将步骤S1得到的淡黄色前驱体置于石英舟中，在氮气气氛下，在管式炉中煅烧，反应结束后自然冷却至室温，得到白色粉末；
S3、以四氢呋喃为溶剂，向其中加入步骤S2得到的白色粉末和2,2’-[丙烷-2,2-二基双(硫)基]二乙酸，混合均匀后向其中加入硫酸铜，在惰性气氛下升高温度至70-85℃，反应4-6h后，旋蒸得到所述复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金冲压模具钢，其特征在于，步骤S1中升温速率为3-5℃/min。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金冲压模具钢，其特征在于，步骤S2中管式炉的煅烧条件为：以3-5℃/min的升温速率升高温度至750-900℃煅烧1-2h。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种铝合金冲压模具钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A1、按照组分配比准备原料，将各原料混合后熔炼，浇注后得到钢锭；
A2、将得到的钢锭进行锻造，冷却至200-300℃得到锻态合金；
A3、将得到的锻态合金进行热处理，得到所述模具钢。
5.根据权利要求4所述的一种铝合金冲压模具钢的制备方法，其特征在于，在步骤A3中热处理的方法为细晶热处理和等温球化退火。
6.根据权利要求5所述的一种铝合金冲压模具钢的制备方法，其特征在于，所述细晶热处理的步骤为：将锻态合金以100-120℃/h的速率加热至1050-1100℃保温40-60min，以3-5℃/s的速率冷却至400-450℃，再空冷至250-280℃，保温6-8h；再以120℃/h的速率继续加热至650-680℃，保温8-10h，再以10℃/s的速度冷却至室温。
7.根据权利要求5所述的一种铝合金冲压模具钢的制备方法，其特征在于，所述等温球化退火为第一退火和第二退火，所述第一退火的温度为800-850℃，第一退火的保温时间为10-18h；所述第二退火的保温温度为700-750℃，第二退火的保温时间为10-18h。
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