專利名稱：新型變質熱作模具鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型的熱作模具鋼材料。
背景技術：
當前全世界的模具市場總產值約為600～650億美元，在工、模具鋼市場中熱作模具鋼占20％左右。因此，熱作模具的使用壽命和制造成本決定了設備的生產效率和產品的制造成本。
目前世界絕大多數國家的熱作模具的使用壽命偏低，因此，提高熱作模具使用壽命，降低其制造成本，提高設備工作效率，是模具行業多年來一直亟待解決的重大問題，具有重大的國民經濟意義。
國內外在熱作模具鋼的成分設計，強韌化及微合金化處理等方面一直在開展大量的研究與開發工作，并開發出一些熱作模具鋼，如表1所示，但性能并不十分令人滿意，急需進一步研究與開發新型熱作模具鋼。
發明內容
本發明的目的是提出一種新型高壽命熱作模具鋼，通過提高熱作模具鋼的抗熱機械疲勞、抗磨損、抗塑性變形等能力，以提高熱作模具的使用壽命、降低模具綜合成本、提高設備的工作效率。
本發明新型變質熱作模具鋼由以下主要化學成分按重量百分比組成C0.200～0.350，Cr7.000～13.000，Mo0.800～2.000，Ni0.600～1.500，V0.300～1.200，Mn0.200～0.600，Si0.700～1.500，S≤0.040，P≤0.040，N0.005～0.100，Ti0.050～0.200，Ca0.001～0.050，Fe余量。
在以上成分組成中還可加入Ce0.005～0.100或Y0.005～0.100或同時加入Ce0.005～0.100、Y0.005～0.100作為復合變質元素，以改善新型變質熱作模具鋼的微觀組織來提高其綜合性能。經變質后，新型變質熱作模具鋼的硬度、強度略有提高，而常溫沖擊韌性與抗熱機械疲勞等性能明顯提高。
熱作模具的主要失效形式為熱機械疲勞裂紋、磨損、塑性變形等。由于本發明技術方案通過優化C、Cr、Mo、Ni、V、N等元素組分，提高了新型熱作模具鋼的紅硬性、熱穩定性、抗氧化性、抗熱機械疲勞性與抗磨性等；通過加入Y、Ce、細化了晶粒、減少了鋼液中的O、S等有害元素與改善了夾雜物的形態及凝固組織，進一步提高了新型熱作模具鋼的綜合性能與熱作模具的使用壽命。
本發明新型變質熱作模具鋼的熔煉與通常熱作模具鋼的熔煉方法相同。本發明新型變質熱作模具鋼經預處理、淬火及兩次回火熱處理，最終得到的組織是大量的馬氏體和少量的貝氏體、鐵素體與殘余奧氏體。
圖1(a)是采用本發明新型變質熱作模具鋼制造的銅合金汽車變速箱同步環鍛造模具。
(b)該模具用于16噸雙盤摩擦壓力機上進行現場鍛造汽車變速箱同步環。
圖2(a)是采用本發明新型變質熱作模具鋼制造的壓鑄銅合金汽車放氣閥本體的壓鑄模具。
(b)銅合金放氣閥本體壓鑄件圖3(a)是采用本發明新型變質熱作模具鋼制造的鋁合金外罩壓鑄模具(西門子)(b)鋁合金外罩壓鑄件(西門子)具體實施方式
實施例1按本發明技術方案制取的19種組成成分的新型變質熱作模具鋼之實施例詳見表2，從表2中可看出，本發明新型變質熱作模具鋼由以下主要化學成分按重量百分比組成C0.200～0.350，Cr7.000～13.000，Mo0.800～2.000，Ni0.600～1.500，V0.300～1.200，Mn0.200～0.600，Si0.700～1.500，S≤0.040，P≤0.040，N0.005～0.100，Ti0.050～0.200，Ca0.001～0.050，Fe余量。
在以上成分組成中還可加入Ce0.005～0.100或Y0.005～0.100或同時加入Ce0.005～0.100、Y0.005～0.100作為復合變質元素，以改善新型變質熱作模具鋼的微觀組織來提高其強韌性。經變質后，新型變質熱作模具鋼的硬度、強度略有提高，而常溫沖擊韌性明顯提高。
表2中1-5號試樣，是在其組分中未含有Y、Ce的新型變質熱作模具鋼；6-9號試樣，是在其組分中含有Y0.005～0.100的新型變質熱作模具鋼；10-12號試樣，是在其組分中含有Ce0.005～0.100的新型變質熱作模具鋼；13-19號試樣，是在其組分中同時含有Ce0.005～0.100、Y0.005～0.100的新型變質熱作模具鋼。
上述實施例試樣制作條件采用250Kg中頻感應電爐，不氧化法煉鋼工藝。生鐵、廢鋼熔清后，加入各種鐵合金(Cr-Fe、Mo-Fe、Ni等)，出鋼前加入V-Fe，在1600～1650℃插Al出鋼，采用包內沖入法進行復合變質、孕育、凈化處理，包內復合變質劑組成為Y、Ce、Ti-Fe、Si-Ca，其粒度為5～10mm。采用SiO2砂型澆注30(下底)×60(上底)×180(高)×300(長)mm的楔形試樣。試樣經淬火(1030～1080℃)及兩次回火(520～660℃)熱處理。沖擊韌性(αK)值為4個無缺口(10×7×55mm)試樣的平均值；硬度為6點平均值。
實施例2按本發明技術方案制取未加Y、Ce變質劑與加Y、Ce變質劑的新型變質熱作模具鋼。
1)新型變質熱作模具鋼成分實施例新型變質熱作模具鋼重量百分比成分如下C0.28，Cr7.80，Mo1.02，Ni0.76，V0.83，Mn0.26，Si0.76，S≤0.04，P≤0.04，N0.04，Ce0.00～0.03，Y0.00～0.01，Ti0.06，Ca0.03。
2)新型變質熱作模具鋼的熔煉與澆注采用250Kg中頻感應電爐，不氧化法煉鋼工藝。生鐵、廢鋼熔清后，加入各種鐵合金(Cr-Fe、Mo-Fe、Ni等)，出鋼前加入V-Fe，在1600～1650℃插Al出鋼，采用包內沖入法進行復合變質、孕育、凈化處理，包內復合變質劑組成為Y、Ce、Ti-Fe、Si-Ca，其粒度為5～10mm。采用SiO2砂型澆注30(下底)×60(上底)×180(高)×300(長)mm的楔形試樣。沖擊韌性(αK)值為4個無缺口(10×7×55mm)試樣的平均值；硬度為6點平均值。
3)新型變質熱作模具鋼的熱處理淬火(1030～1080℃)及兩次回火(520～660℃)熱處理4.新型變質熱作模具鋼性能本實施例未加Y、Ce變質劑的新型變質熱作模具鋼在室溫下，硬度在HRC42以上，沖擊韌性在169J/cm2；加Y、Ce變質劑的新型變質熱作模具鋼在室溫下，硬度在HRC42以上，沖擊韌性在282～361J/cm2，室溫的抗拉強度在1200MPa以上。用Y、Ce變質劑對本發明的新型熱作模具鋼進行變質處理，與未加Y、Ce變質劑的本發明新型熱作模具鋼相比，熱疲勞性能提高了50～150％；沖擊韌性提高了100～200％；(詳見表3～5)。
實施例3采用本發明新型變質熱作模具鋼制造了用于16噸雙盤摩擦壓力機鍛造銅合金汽車變速箱同步環的熱作模具(鍛造模具，詳見附圖1)，其使用壽命分別比原用3Cr2W8V熱作模具鋼或H13熱作模具鋼制造的相同熱作模具的使用壽命提高了2倍以上或8倍以上。其現場使用壽命對比情況詳見表6。
實施例4采用本發明新型變質熱作模具鋼制造了用于250噸壓鑄機壓鑄汽車用的銅合金放氣閥本體的熱作模具(壓鑄模具，詳見附圖2)，其使用壽命比原用3Cr2W8V鋼制造的熱作模具的使用壽命提高了1倍以上。其現場使用壽命對比情況詳見表7。
實施例5采用本發明新型變質熱作模具鋼制造了汽車用鋁合金機油泵殼體，鋁合金接收機蓋板，鋁合金盒蓋與鋁合金外罩(詳見附圖3)等鋁合金壓鑄件的壓鑄模具，目前正應用于實際生產中。
表1目前國內外已開發出的高鉻熱作模具鋼的重量百分比成分C CrWMo V Ti NiMn專利號SiNbCe Co Y S B N0.50～2.506.50～11.00 ≤1.00 ≤4.00 3.00～15.00- - 0.10～2.00WO88/07093(塞內加爾)0.10～2.00- --- - - 0.500～1.5000.40～0.7512.00～19.00≤1.50 0.50～1.50 0.05～0.30 - ≤0.200.40～1.601395625(德國)≤0.70- --- 0.020～0.1500.008 ≤0.1000.10～0.503.00～13.001.00～8.00～3.00 0.01～1.00 - ≤1.50 ≤1.50JP11152549(日本)≤0.500.01～1.00 1.00～10.00 - - 0.003～0.0400.005～0.0500.05～0.255.00～13.001.00～8.00≤2.00 0.01～1.00 - ≤1.00 ≤0.30US2002182099(日本)≤0.300.01～1.00 - 1.00～10.00 - - 0.003～0.02 0.005～0.05
表2新型變質熱作模具鋼化學成分與力學性能試化學成分重量百分比力學性能樣 硬度沖擊韌性C Si Mn P S Cr Mo Ni V N Ti Y Ce Ca號 (HRC) (αkJ/cm2)10.205 0.704 0.304 0.026 0.014 7.019 0.882 1.461 0.304 0.005 0.051 \ \ 0.022 41.3 15820.255 1.462 0.232 0.028 0.018 9.813 1.072 1.063 0.965 0.052 0.052 \ \ 0.001 42.2 14630.309 0.745 0.237 0.023 0.016 10.498 1.577 0.633 0.588 0.098 0.064 \ \ 0.015 42.7 15240.348 0.911 0.254 0.032 0.018 12.935 1.986 0.934 1.167 0.045 0.061 \ \ 0.005 44.5 8350.298 0.738 0.238 0.024 0.014 8.374 0.881 0.759 0.789 0.063 0.058 \ \ 0.034 42.4 16860.283 0.761 0.366 0.024 0.015 9.213 1.078 1.306 0.510 0.008 0.061 \ \ 0.048 42.5 16670.251 1.023 0.385 0.016 0.013 7.795 1.060 0.972 0.852 0.006 0.058 0.005 0 0.015 42.3 19780.261 1.244 0.282 0.013 0.017 7.844 1.i38 1.326 0.645 0.342 0.054 0.039 0 0.032 43.4 28090.256 1.389 0.486 0.019 0.018 7.791 1.040 0.758 0.854 0.072 0.182 0.098 0 0.037 42.5 18610 0.263 0.835 0.284 0.011 0.017 7.801 1.339 0.959 0.450 0.081 0.067 0 0.005 0.034 44.1 20811 0.271 1.303 0.379 0.015 0.017 8.751 1.048 0.767 0.851 0.053 0.065 0 0.036 0.016 42.5 29712 0.241 1.362 0.282 0.014 0.019 7.704 1.246 1.353 0.955 0.045 0.165 0 0.096 0.033 44.2 19613 0.266 1.452 0.377 0.017 0.019 8.111 1.147 0.759 0.559 0.046 0.072 0.005 0.005 0.001 43.5 31315 0.268 0.917 0.270 0.012 0.017 8.723 0.883 0.762 0.842 0.039 0.064 0.038 0.016 0.033 44.6 35615 0.265 1.275 0.470 0.011 0.017 7.771 1.234 1.476 0.945 0.012 0.149 0.093 0.095 0.046 42.5 25616 0.274 0.985 0.266 0.010 0.017 9.733 0.918 1.113 0.533 0.045 0.065 0.012 0.028 0.018 43.5 36317 0.292 1.468 0.370 0.012 0.017 10.255 1.233 0.762 0.642 0.051 0.094 0.03 0.01 0.035 44.6 31618 0.315 1.299 0.268 0.013 0.017 12.224 1.545 0.956 1.045 0.068 0.053 0.035 0.013 0.007 44.1 23619 0.334 1.138 0.364 0.012 0.017 12.942 1.935 1.384 1.153 0.088 0.118 0.012 0.032 0.019 44.5 228
表3 新型變質熱作模具鋼的沖擊韌性(J/cm2)本發明模具鋼未加Ce、Y變質Y變質Ce變質Y-Ce復合變質沖擊韌性 169 282 296 361表4新型變質熱作模具鋼的抗熱疲勞性能(主裂紋長度mm)熱疲勞循環次 未加Ce、Y變質 Ce變質 Y-Ce變質數Y變質500次循環 0.8 0.60.5 0.31000次循環 1.8 l.31.4 0.83000次循環 2.5 1.51.6 1.2表5加Ce、Y變質新型變質熱作模具鋼的力學性能屈服強度抗拉強度σb伸長率δ5收縮率ψ 硬度彈性模量σ0.2(MPa) (％)(％) (HRC) (GPa)(MPa)172441150～1300 1200～1500 13 44 42～45～18029表6新型變質熱作模具鋼在銅合金汽車變速箱同步環鍛造模具上的應用情況模具鋼種模具硬度(HRC) 使用壽命(件數) 失效形式3Cr2W8V48～50 平均25000～30000根部開裂而報廢(鋼)H13(鋼)50～53 平均8000～10000 磨損尺寸超差，可修復2～3次本發明鋼種 48.2 93000 微裂紋，降面后繼續使用表7新型變質熱作模具鋼在銅合金放氣閥本體壓鑄模具上的現場應用情況模具鋼種 模具硬度(HRC) 使用壽命(件數) 失效形式3Cr2W8V(鋼) 48～503800粘模，修復尺寸超差本發明鋼種 468800粘模，修復尺寸超差
權利要求
1.一種新型變質熱作模具鋼，其特征在于由以下主要化學成分按重量百分比組成C0.200～0.350，Cr7.000～13.000，Mo0.800～2.000，Ni0.600～1.500，V0.300～1.200，Mn0.200～0.600，Si0.700～1.500，S≤0.040，P≤0.040，N0.005～0.100，Ti0.050～0.200，Ca0.001～0.050，Fe余量。
2.根據權利要求1所述的新型變質熱作模具鋼，其特征在于其組分中還包括有Ce0.005～0.100。
3.根據權利要求1所述的新型變質熱作模具鋼，其特征在于其組分中還包括有Y0.005～0.100。
4.根據權利要求1所述的新型變質熱作模具鋼，其特征在于其組分中還包括有Ce0.005～0.100、Y0.005～0.100。
全文摘要
本發明涉及一種新型變質熱作模具鋼材料。由以下主要化學成分按重量百分比組成C0.200～0.350，Cr7.000～13.000，Mo0.800～2.000，Ni0.600～1.500，V0.300～1.200，Mn0.200～0.600，Si0.700～1.500，S≤0.040，P≤0.040，N0.005～0.100，Ti0.050～0.200，Ca0.001～0.050，Ce0.000～0.100，Y0.000～0.100，Fe余量。本發明新型變質熱作模具鋼具有高的使用壽命。
文檔編號C22C38/46GK1557985SQ20041001065
公開日2004年12月29日 申請日期2004年1月20日 優先權日2004年1月20日
發明者姜啟川, 趙宇光, 方建儒, 張瑞卿, 隋鶴龍, 柏建仁, 趙玉謙, 關慶豐, 王金國, 梁宏欽, 夏振佳, 尚爾原, 王慧遠 申請人:吉林大學