一種高性能耐磨熱作模具鋼及其制備工藝的制作方法

專利名稱：一種高性能耐磨熱作模具鋼及其制備工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型高性能耐磨熱作模具鋼及其制備工藝。新型的高性能耐磨模具鋼鋼充分利用鐵基體中氮碳元素作用的異同，通過加入微量的合金元素氮，適當減少碳元素含量，經過熱處理之后，發揮氮元素固溶強化，細化晶粒，抑制碳化物析出的作用，具有比普通H13鋼更優秀的性能，而且氮屬于綠色元素，擁有很大的發展前景。屬于合金鋼制造工藝技術領域。
背景技術：
H13模具鋼是一種應用非常廣泛的熱作模具鋼。目前使用的H13模具鋼普遍存在耐磨性差，使用壽命偏低的現象，使得金屬熱加工產品生產成本居高不下。高硬度和高韌性是提高模具鋼壽命的必要前提。改善模具鋼性能，可以從兩個方向著手，一是改變合金成分和冶煉工藝，二是優化熱處理工藝。熱作模具鋼中起高溫熱強性和熱穩定性的合金元素通 常是Cr、V等元素，因此目前的許多研究工作主要是對這些合金元素的調整。然而，模具鋼是通過回火過程中碳化物析出時的二次硬化作用來實現其強韌化的，可見在不降低模具鋼性能的前提下，改變碳含量，尋求代碳元素亦可能調整熱作模具鋼性能，在追求低碳經濟未來中更是如此。目前在北美壓鑄標準NADCA#207-2003中優質H13鋼的化學成分采用CO. 37^0. 42wt%, Cr 5. 00^5. 50wt%, V O. 80 L 20wt%, Mo I. 20 L 75wt%, Si 0. 80 L 20wt%,Mn 0. 20 0. 50wt%, P ^ 0. 025wt%, S ^ 0. 005wt%,，由于含有大量的二次硬化元素，其回火態二次碳化物容易在服役條件下長大粗化，而且回火馬氏體中的合金元素也容易析出而降低鋼的強度，從而使模具鋼的高溫性能也隨之降低。在NADCA#207-2003中，優質H13鋼的性能指標為經1030°C淬火+590回火后洛氏硬度值為44HRCT46HRC，夏比V型缺口的沖擊韌性值aK> lOJ/cm2，以上硬度值和沖擊韌性值是關鍵技術指標，是衡量熱擠壓模具用鋼質量好壞的主要技術參數。發明內容最近我們發現，微量的氮合金元素的加入，可以細化H13鋼回火之后的原奧氏體晶粒，而且回火之后，氮元素被碳元素置換固溶于基體，從而起到提高硬度，細化碳化物的作用，以上都有助于在保證模具鋼硬度技術上，改善鋼的韌性。因此，在追求低碳經濟的發展模式下，高性能耐磨熱作模具鋼應運而生。為了解決上述問題，本發明的目的是提供一種通過加入微量的氮合金元素的，可以細化H13鋼回火之后的原奧氏體晶粒,而且回火之后,氮元素被碳元素置換固溶于基體，從而起到提高硬度，細化碳化物的作用，以上都有助于在保證模具鋼硬度技術上，改善鋼的韌性的高性能耐磨熱作模具鋼及其熱處理工藝。本發明的技術方案是一種高性能耐磨熱作模具鋼，熱作模具鋼的特征在于建立新的合金成份范圍和熱處理工藝制度，獲得高強高韌長壽命熱作模具鋼。各主要元素的質量百分比為C 0. 30 0· 37% ；N :0. 02 O. 07% ；Si :0. 8 I. 20% ；Mn :0. 2 O. 5% ；Cr :5· 00 5· 50% ；Mo 1. 20 1· 75% ；V 0. 80 1· 20% ；Ρ < O. 025%, S < O. 005%, Fe，余量。進一步，該鋼的化學成分中各主要合金元素的質量比為C 0. 37%，N 0. 03%, Si
O.93%, Mn 0. 39%, Cr :5. 23%, Mo :1. 58%, V :1. 06%, P < O. 025%, S < O. 005%, Fe，余量。本發明的另一目的是提供針對上述高性能耐磨熱作模具鋼的制備工藝步驟如下A、冶煉按照高性能耐磨熱作模具鋼的化學成分質量百分比C 0. 3(Γ0. 37% ；N 0. 02 O. 07% ；Si 0. 8 I. 20% ；Mn 0. 2 O. 5% ；Cr :5· 00 5· 50% ；Μο 1. 2(Γ · 75% ；V
O.8(Γ . 20% ；Ρ < O. 025%, S < O. 005%, Fe，余量進行配料，感應熔煉，然后進行電渣重熔；B、去應力退火電渣重熔之后，得到鋼錠，將鋼錠隨爐升溫到800°C，然后降至 740°C保溫:T6h后隨爐緩冷；C、鍛造將經上述步驟處理過的鋼錠以<50°C/h的加熱速度緩慢升溫到850°C預熱3h，保證均勻燒透，然后繼續加熱到1100°C以上保溫2h，出爐進行六面鍛造，各工序鐓粗比彡2，總鍛造比彡4，終鍛溫度控制在850°C以上，停鍛后及時轉入熱砂中進行緩慢冷卻；D、等溫球化退火將上述步驟處理過的鋼錠隨爐升溫至890°C、30°C保溫，后快冷至730°C恒溫，保溫3-6小時，再以小于50°C /h的速率降到450°C以下，出爐空冷；E、淬火及回火處理將經上述步驟處理過的鋼錠進行淬火，淬火溫度為1030°C 1070°C，油冷至200°C以下，立即回火2 3次，每次2 4h，回火溫度570°C "600°C，即的高性能耐磨熱作模具鋼。本發明改進熱處理工藝的原理如下本熱作模具鋼與普通的H13鋼相比，適當加入了氮元素，并降低了相應的碳含量，保證碳氮的總量滿足O. 37、. 42%。最近的研究發現氮元素可以細化奧氏體晶粒，回火之后，氮元素固溶于基體，抑制碳化物析出，以上對保證模具鋼硬度，改善模具鋼韌性有很大的益處。高性能耐磨H13鋼要發揮氮的作用，須對熱處理工藝做出相應的調整。普通H13鋼等溫球化退火時的兩個階段的等溫溫度分別是870°C 890°C及740°C 760°C。由于氮合金化H13鋼中多了氮元素，為使成分均勻，適當將第一階段的等溫溫度提高至890°C、30°C，另外普通H13鋼的、溫度約為770°C，加入擴大奧氏體區的氮元素之后，Arl會適當降低，所以第二階段，如果仍然以原來的750°C左右為準，就會由于過冷度較小導致退火之后碳化物的不均勻分布，對H13鋼的最終韌性產生不利的影響。所以第二階段等溫溫度降為730°C左右。淬火溫度，也選擇比普通H13鋼1030°C更高的1040°C 1070°C，這樣可以提高基體中固溶合金元素的含量，增加回火穩定性潛力。據相圖可以得知，570°C飛00°C是氮元素在基體中溶解度最大的溫度，此時可以發揮氮元素的最大作用。高性能耐磨熱作模具鋼在經過上述熱處理之后，其相同的韌性要求下，硬度要高于北美壓鑄標準(NADCA#207-2003)的優級(premium)H13鋼要求。附件說明圖I高性能耐磨熱作模具鋼經熱處理后的組織金相圖。圖2高性能耐磨熱作模具鋼與普通H13鋼的回火硬度曲線。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明的技術方案實施例I :本實例中采用的高性能耐磨熱作模具鋼的化學成分及其含量(wt%)如下C 0. 37 ；N :0. 029 ；Si :0. 93 ；Mn :0. 39 ；Cr :5. 23 ；Mo :1. 58 ；V :1. 06 ；P :0. 022%, S
0.045%, Fe 余量。本實例中，模具鋼的工藝過程和步驟如下a)電爐熔煉按上述的合金元素配比，進行熔煉，澆鑄成Φ90πιπι的電擊棒。b)電渣重熔將澆鑄的鋼錠置于電渣爐中，進行電渣重熔。電極電壓45V，電機電流 3000A。c)去應力退火電渣后，將鋼錠隨爐升溫到800°C，然后降至740°C保溫4h后隨爐緩冷。d)鍛造將上述退火之后的鋼錠，加熱溫度至1150°C，進行六面鍛造；各工序鐓粗比彡2總鍛造比彡4，終鍛溫度控制在850°C以上。停鍛后及時轉入熱砂中進行緩慢冷卻。e、等溫球化退火工藝為890°C X4h/快冷+730°C X3h/爐冷，以彡50°C /h的冷卻速率降至450°C以下出爐空冷。f、淬回火處理淬火溫度1050°C，油冷。回火溫度為590°C，兩次回火，第一次
2.0h，第二次 2h。本發明的高性能耐磨熱作模具鋼經過上述讓熱處理之后，進行性能測試硬度測試回火之后硬度為49HRC。在坯料上取標準夏比V 口沖擊試樣(北美壓鑄標準)，室溫平均沖擊值為15. 8J/cm_2,最小值 > 11.0J/cm_2。北美壓鑄標準中，H13鋼應滿足的條件是硬度44HRCT46HRC，平均沖擊韌性值>13.5J/cm_2，最小值> 10cm_2。所以可以看出氮合金化熱作模具鋼經過本發明中熱處理之后，在韌性接近的情況下，硬度提高了 3飛HRC。附圖
二中可以看出，本實例中的耐磨熱作模具鋼在回火穩定性方面也優于普通的H13 鋼。實施例2 本實例中，將高性能耐磨熱作模具鋼在廣東某鋁業公司加工成擠壓百葉片的模具，進行實際生產的試用。實際的試用結果兩套模具產量均達到了 12t，該公司以往的普通H13鋼模具的平均產量為6. 5t，模具壽命提高了近85%。本實例中采用的高性能耐磨熱作模具鋼的化學成分及其含量(wt. %)如下C 0. 35 ；N 0. 04 ；Si :1. 00 ；Mn :0. 31 ；Cr :5. 00 ；Mo :1. 40 ；V :0. 9 ；P :0. 02%, S
0.004%, Fe 余量。本實例中，模具鋼的工藝過程和步驟如下e)電爐熔煉按上述的合金元素配比,進行熔煉,澆鑄成Φ90πιπι的電擊棒。f)電渣重熔將澆鑄的鋼錠置于電渣爐中，進行電渣重熔。電極電壓45V，電機電流 3000A。g)去應力退火電渣后，將鋼錠隨爐升溫到800°C進行“零”保溫，然后降至740°C·保溫3h后隨爐緩冷。
h)鍛造將上述退火之后的鋼錠，加熱溫度至1150°C，進行六面鍛造；各工序鐓粗比彡2總鍛造比彡4，終鍛溫度控制在850°C以上。停鍛后及時轉入熱砂中進行緩慢冷卻。e、等溫球化退火工藝為930°C X4h/快冷+730°C X4h/爐冷，以彡50°C /h的冷卻速率降至450°C以下出爐空冷。f、淬回火處理淬火溫度1030°C，油冷。回火溫度為570°C，兩次回火，第一次
2.5h，第二次 3h。實施例3 C 0. 30 ；N 0. 07 ；Si :1. 2 ；Mn :0. 50 ；Cr :5. 50 ；Mo :1. 75 ；V :1. 20 ；P :0. 015%, S
0.003%, Fe 余量。本實例中，模具鋼的工藝過程和步驟如下i)電爐熔煉按上述的合金元素配比，進行熔煉，澆鑄成Φ90πιπι的電擊棒。j)電渣重熔將澆鑄的鋼錠置于電渣爐中，進行電渣重熔。電極電壓45V，電機電流 3000A。k)去應力退火電渣后，將鋼錠隨爐升溫到800°C，然后降至740°C保溫6h后隨爐緩冷。I)鍛造將上述退火之后的鋼錠，加熱溫度至1150°C，進行六面鍛造；各工序鐓粗比≥2總鍛造比≥4，終鍛溫度控制在850°C以上。停鍛后及時轉入熱砂中進行緩慢冷卻。e、等溫球化退火工藝為930°C X4h/快冷+730°C X6h/爐冷，以≤50°C /h的冷卻速率降至450°C以下出爐空冷。
f、淬回火處理淬火溫度1070°C，油冷。回火溫度為600°C，兩次回火，第一次3h，
第二次4h。
權利要求
1.一種高性能耐磨熱作模具鋼，其特征在于該鋼的化學成分中各主要合金元素的質量百分比為C 0. 30 0· 37% ；Ν 0. 02 O. 07% ；Si :0. 8 I. 20% ；Mn :0. 2 O. 5% ；Cr :5· 00 5· 50% ；Mo 1. 20 1· 75% ；V 0. 80 1· 20% ；Ρ < O. 025%, S < O. 005%, Fe，余量。
2.根據權利要求I所述的高性能耐磨熱作模具鋼，其特征在于該鋼的化學成分中各主要合金元素的質量比為c 0. 37%, N 0. 03%, Si :0. 93%, Mn :0. 39%, Cr :5. 23%, Mo :1. 58%, V I.06%, P < O. 025%, S < O. 005%, Fe，余量。
3.—種如權利要求I或2任意一項所述的高性能耐磨熱作模具鋼的制備工藝，其特征在于該工藝具有包括以下步驟 A、冶煉按照高性能耐磨熱作模具鋼的化學成分質量百分比C:0.3(Γ0. 37% ；N 0. 02 O. 07% ；Si 0. 8 I. 20% ；Mn :0. 2 O. 5% ；Cr :5· 00 5· 50% ；Μο :1· 2(Γ · 75% ；V O. 8(Tl. 20% ；Ρ < O. 025%, S < O. 005%, Fe，余量進行配料，感應熔煉，然后進行電渣重熔； B、去應力退火電渣重熔之后，得到鋼錠，將鋼錠隨爐升溫到800°C，然后降至740°C保溫3飛h后隨爐緩冷； C、鍛造將經上述步驟處理過的鋼錠以<50°C /h的加熱速度緩慢升溫到850°C預熱3h，保證均勻燒透，然后繼續加熱到1100°C以上保溫2h，出爐進行六面鍛造，各工序鐓粗比^ 2，總鍛造比> 4，終鍛溫度控制在850°C以上，停鍛后及時轉入熱砂中進行緩慢冷卻； D、等溫球化退火將上述步驟處理過的鋼錠隨爐升溫至890°C、30°C保溫，后快冷至730°C恒溫，保溫3-6h，再以小于50°C /h的速率降到450°C以下，出爐空冷； E、淬火及回火處理將經上述步驟處理過的鋼錠進行淬火，淬火溫度為1030°C 1070°C，油冷至200°C以下，立即回火2 3次，每次2 4h，回火溫度570°C "600°C，即得到高性能耐磨熱作模具鋼。
全文摘要
本發明涉及一種新型的高性能耐磨熱作模具鋼及其制備工藝，屬于合金鋼工藝制造領域。該鋼的特征在于鋼中的加入了適量的氮元素，并相應降低碳的含量，各成分的百分含量為C0.30~0.37%；N0.02~0.07%；Si0.8~1.20%；Mn0.2~0.5%；Cr5.00~5.50%；Mo1.20~1.75%；V0.80~1.20%；P＜0.025%，S＜0.005%，Fe，余量。本發明模具鋼制備過程如下配料、常壓電爐冶煉，電渣重熔，去應力退火、六面鍛造、等溫球化退火，最后進行強韌化處理，即加熱到1040℃~1070℃，油冷，在570℃~600℃回火處理。本發明的高性能耐磨模具鋼具有優于普通H13鋼的硬度和沖擊韌性等性能。
文檔編號C21D8/00GK102912236SQ20121045462
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月13日 優先權日2012年11月13日
發明者李靜媛, 霍建華 申請人:北京科技大學