專利名稱：一種高硅高錳熱作模具鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱作模具鋼及其制備方法，尤其涉及一種含硅量和含錳量高的熱作模具鋼及其制備方法。
背景技術(shù)：
模具鋼通?？梢苑譃闊嶙髂＞咪?、冷作模具鋼和塑料模具鋼三大類產(chǎn)品。熱作模具鋼主要用于制造鋁合金壓鑄模和銅鋅壓鑄模等，是目前使用最廣和消耗最大的模具鋼之一，它的工況條件復(fù)雜，在工作時需長時間與加熱的坯料甚至液態(tài)金屬相接觸，當(dāng)熾熱的金屬放入熱作模具型腔時，型腔表面急劇升溫，表層產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓應(yīng)變，當(dāng)金屬件取出時， 型腔表面由于急劇降溫而受到拉應(yīng)力和拉應(yīng)變作用，極易產(chǎn)生熱疲勞，并且熱作模具鋼在服役過程中，還要受到較大的沖擊載荷。因此模具材料需要具有高的熱強度、高溫硬度、沖擊韌性、淬透性和好的熱穩(wěn)定性和抗冷熱疲勞性能等。我國目前使用的熱擠壓模具鋼采用的是國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1299-2000中鋼號為 4Cr5MoSiVl。這種熱擠壓模具鋼的化學(xué)成分采用C 0. 32-0. 45wt%, Cr4. 75-5. 50wt%, Mo 1. 20-1. 75wt V 0. 80-1. 20wt Si 0. 80-1. 2wt %、MnO. 20-0. 5wt %, P ^ 0. 03wt %、 S ^ 0. 03wt%。這種熱擠壓模具鋼的化學(xué)成份含有較高的鉬元素和鉻元素和一定量的碳元素，因此其材料電渣錠的偏析嚴(yán)重，成材后的組織中存在大量的大塊液析碳化物，使得材料的韌性不足，容易出現(xiàn)早期開裂失效。又由于這種材料含有大量的二次硬化元素，其回火態(tài)二次碳化物容易在服役條件下長大粗化和發(fā)生類型轉(zhuǎn)變，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，從而降低鋼的高溫性能。目前熱作模具鋼的性能指標(biāo)為經(jīng)1030°C淬火+600°C回火后沖擊韌性值A(chǔ)k為 150J ；抗回火穩(wěn)定指標(biāo)為620°C高溫持續(xù)8小時后硬度為38HRC、620°C高溫持續(xù)12小時后硬度為35HRC、620°C高溫持續(xù)20小時后硬度為31HRC。上述沖擊韌性值和抗回火穩(wěn)定性指標(biāo)是衡量熱擠壓模用鋼質(zhì)量好壞的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。
公開日為2008年8月13日，公開號為CN101240401，名稱為“一種無鉬低成本熱作模具鋼”的中國專利公開了一種熱作模具鋼，其化學(xué)成份重量百分比含量為碳0. 38 0. 42%，硅 0. 9 1. 1%，硫彡 0. 03%，磷彡 0. 03 %，猛 0. 3 0. 5 %，鎢 1. 9 2. 2 %，鉻 4. 8 5. 2 %，釩0. 25 0. 45 %，鈮0. 08 0. 15 %，其余量為鐵!^e。該技術(shù)方案在保持了一定的碳當(dāng)量的同時，在鋼中加入了 0. 08 0. 15%的鈮和1.9 2. 2%的鎢元素，不含鉬元素，使得材料的組織中形成大量的鎢的碳化物，從而進行組織強化，并通過鈮元素來細化晶粒。
公開日為2009年3月25日，公開號為CN101392353，名稱為“高錳低鉻型高強韌性熱作模具鋼及其制備方法”的中國專利公開了一種熱作模具鋼，其化學(xué)成份重量百分比含量為碳 0. 3 0. 6%，硅 01 0. 5%，猛 0. 5 1. 5%，鉻 1. 5 4. 0%，鉬 1. 0 3. 0%， 釩0. 4 1. 3 %，鎢0. 5 2. 0 %，磷< 0. 02 %，硫< 0. 03 %，其余量為鐵。該技術(shù)方案同樣是通過添加鎢元素使得材料的組織中形成大量的鎢、鉬的碳化物進行組織強化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高硅高錳熱作模具鋼及其制備方法，通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)元素配比并輔以適當(dāng)?shù)闹圃旃に?，提高材料的沖擊韌性和抗回火穩(wěn)定性，同時降低鋼的制造成本。本發(fā)明的設(shè)計構(gòu)思為本發(fā)明所述的技術(shù)方案不同于現(xiàn)有的各種熱作模具鋼，開創(chuàng)性的采用硅、錳作為主要的合金化元素，充分利用硅、錳合金元素的固溶強化和對碳化物回火穩(wěn)定性等作用，該措施不僅能夠保證熱作模具鋼具有高抗回火穩(wěn)定性以及良好沖擊韌性，而且由于降低了鉻、鉬等貴合金元素的含量，使得該鋼種成為一種低成本經(jīng)濟型的熱作模具鋼。根據(jù)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提出了一種高硅高錳熱作模具鋼，其化學(xué)元素質(zhì)量百分配比為:C 0. 3-0. 4%,Si 1. 2-1. 8%,Mn 0. 6-1. 5%,Cr 3. 5-4. 5%,Mo 0. 8-1. 0%, V 0. 3-0. 5%,P^O. 03%,S^O. 03%，余量為!^e和其他不可避免的雜質(zhì)。上述各化學(xué)元素的添加原理如下(I)C 0. 3-0. 4%碳元素是高熱強性熱作模具鋼的主要化學(xué)元素之一，是形成鉻碳化物、鉬碳化物、 釩碳化物和各種類型碳化物的不可缺少的基本元素，也是影響鋼的成分偏析和鋼的組織均勻性的重要元素，本發(fā)明中的碳含量較之現(xiàn)有的4Cr5MoSiVl有所降低，其目的是改善鋼的顯微組織中的碳化物的分布和性質(zhì)，改善鋼的液析碳化物的級別和分布，提高鋼材基體的沖擊韌性。較低的碳元素含量可以防止鋼在凝固的過程中產(chǎn)生偏析組織從而造成鋼的硬度的不均勻和沖擊韌性下降。因此，碳含量如果高于此成分設(shè)計上限，將導(dǎo)致過多的碳化物的形成和組織的偏析產(chǎn)生，影響鋼的沖擊韌性性能指標(biāo)，特別是造成鋼的液析碳化物的不均勻性嚴(yán)重使得鋼的沖擊韌性降低；但是碳元素低于此成分的設(shè)計范圍也將要造成碳元素和其他合金元素結(jié)合形成碳化物的當(dāng)量發(fā)生偏差，不能有效地形成穩(wěn)定的鉻碳化物、鉬碳化物、釩碳化物和各種類型碳化物復(fù)合作用，影響鋼的硬度和鋼的沖擊韌性。(2) Mn 0. 6-1. 5%鋼中含有Mn元素可以改變鋼在凝固時所形成的氧化物的性質(zhì)和形狀。同時它與S 有較大的親合力，可以避免在晶界上形成低熔點的硫化物i^eS，而以具有一定塑性的MnS存在，從而消除硫的有害影響，改善鋼的熱加工性能。Mn具有固溶強化作用，從而提高鐵素體和奧氏體的強度和硬度，雖然其固溶強化效果不及碳、磷和硅，但其對鋼的延展性幾乎沒有影響。錳溶入奧氏體中能強烈增加鋼的淬透性，同時強烈減低鋼的Ms點。錳是弱碳化物形成元素，它可溶入滲碳體中形成合金滲碳體(Fe，Mn) 3C，其形成可降低系統(tǒng)的自由能，即趨于更穩(wěn)定狀態(tài)。發(fā)明人經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)適量的錳元素的加入可以增加鋼的基體強化作用并能推遲馬氏體組織的轉(zhuǎn)變，提高鋼的抗回火軟化性。錳元素雖然是弱碳化物形成元素， 不能夠形成碳化物強化作用，但是一定量的錳元素的加入可以促進滲碳體的分解和推遲碳化物的析出與長大，有利于鋼的熱穩(wěn)定性。另外，錳元素可以造成鋼中的殘余奧氏體的含量增加與穩(wěn)定，這樣可以提高鋼的韌性和抗熱疲勞性能。因此，在本發(fā)明中提高了鋼中錳元素的含量，其有利與熱作模具鋼的高溫穩(wěn)定性和熱疲勞性能。而且，當(dāng)錳和硅共同作用時，對本鋼種的熱穩(wěn)定性和熱疲勞性能作用效果更顯者。(3) Si 1. 2-1. 8%硅是一個對鐵素體進行置換固溶強化非常有效的元素，僅次于磷，但同時在一定程度上降低鋼的韌度和塑性。硅元素不是碳化物形成元素，但硅元素是提高回火抗力的有效元素，提高鋼中硅元素的含量主要是可以使得鋼在回火的過程中馬氏體的分解減緩，硅元素可以在奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變之后的回火過程中有效阻礙馬氏體的分解，這主要是通過抑制ε碳化物質(zhì)點的長大和擴大ε碳化物穩(wěn)定區(qū)，延遲了 ε-碳化物向θ -碳化物的轉(zhuǎn)變。硅推遲ε — θ轉(zhuǎn)變，并能充分減小鋼中滲碳體在回火過程中的長大速率，硅原子從 θ相析出而在θ相周圍形成硅原子的富集區(qū)，抑制θ相的長大粗化。另外硅元素能有效提高鋼的抗回火軟化能力。發(fā)明人通過試驗證明，當(dāng)鋼中含的Si元素時，相應(yīng)可提高回火溫度 300C -500C ；當(dāng)硅含量提高到1.6wt%時，能有效提高馬氏體的回火脆化溫度，并且有效抑制滲碳體的析出，從而增加殘余奧氏體的碳含量，因此提高了殘余奧氏體的含量和穩(wěn)定性， 從而提高鋼的韌性和熱疲勞抗力。但是，硅量過高時還會加重鋼的脫碳敏感性，并且使碳化物聚集的過時效速度增大而難以控制。另外，硅和錳共同作用使鋼的高溫性能，如高溫抗回火軟化性能和熱疲勞性能得到更顯著的提高，這些都是對熱作模具鋼使用性能和壽命有利的。(4) Cr 3. 5-4. 5%鉻元素在本發(fā)明的合金成分設(shè)計中是對鋼的性能影響較大的合金元素，鉻元素在本技術(shù)方案中是多種形態(tài)碳化物形成的關(guān)鍵元素，鉻元素既可以是碳化物的形成元素，也是可以在鋼中提高鋼的淬透性的合金元素，但是鉻含量過高可以使得鋼的強度過高而韌性不足，降低鋼的綜合性能，也提高了鋼的合金成本。因此，在本技術(shù)方案中將鉻含量較原有的4Cr5MoSiVl鋼的鉻元素含量減少了約百分之二十，其目的是在保證鋼的淬透性的同時提高鋼的韌性和降低鋼的合金成本。鉻元素控制在本發(fā)明所述的范圍內(nèi)，可以在鋼中形成穩(wěn)定的多種碳化物類型，主要的鉻碳化物類型是Cr7C3和Cr23C6類型碳化物起到強化基體的作用，并且這種鉻元素的控制使得鋼在回火的過程中析出穩(wěn)定的彌散相，這種彌散相 M7C3和Cr23C6不但能夠提高鋼的抗回火性能，而且能夠使得鋼產(chǎn)生一定的紅硬性，提高鋼的熱強性。(5)Mo 0. 8-1. 0%鉬元素是強碳化物形成元素，本發(fā)明較之現(xiàn)有的4Cr5MoSiVl鋼大大降低了 Mo元素的含量。鉬元素的加入能夠提高奧氏體的穩(wěn)定性以及鋼的淬透性，并且在鋼的回火過程中和碳元素結(jié)合形成數(shù)量較多的較穩(wěn)定的M2C合金碳化物的析出，這種析出過程是一種彌散的質(zhì)點強化相析出，較為均勻的分布在鋼的基體中，具有較好的二次硬化效果。但是Mo 元素的添加會大大提高鋼的合金化成本。將Mo的加入量的控制在本發(fā)明所述的范圍內(nèi)，可以使得鋼在回火的過程中獲得更多的M2C合金碳化物，并產(chǎn)生較大的兩次強化的作用，這對鋼的硬度和沖擊韌性的提高起著重要的作用，同時還大大降低了成本。(6) V 0.3-0.5%釩元素是強碳化物形成元素，其在鋼中的強化作用和鉬元素相似，釩元素在鋼中形成的是M2C和MC類型的碳化物，產(chǎn)生彌散強化相，不但能彌補鉻量的減少，而且能阻礙奧氏體晶粒的長大，改善碳化物的形態(tài)，提高鋼的強度。但釩的碳化物容易在鋼凝固過程中形成一次碳化物，成網(wǎng)狀或鏈狀分布在原奧氏體晶界，并且不易重溶，從而降低鋼的韌性，因此，本技術(shù)方案中釩元素含量控制在0. 3-0.5%，減小一次碳化物的析出，改善鋼的韌性。磷元素和硫元素是鋼中的有害元素。P元素增加鋼的脆性，降低鋼的沖擊韌性。S 元素在一定的程度上容易造成鋼的加工性能的惡化，容易使得鋼在熱加工的過程中產(chǎn)生過熱和過燒現(xiàn)象。因此控制硫含量可以保證鋼的加工性能和機械性能，特別是對徑鍛機鍛造開坯時的連續(xù)鍛造加工所產(chǎn)生的的過熱現(xiàn)象起到擬制的作用，并對熱作模具鋼的顯微組織的改善起到一定的作用。相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種高硅高錳熱作模具鋼的制備方法，其包括下列步驟(1)冶煉采用電爐冶煉澆鑄成電極棒，然后電渣重熔，電渣重熔的電壓為 56-62V，電流為11000-12000A。發(fā)明人通過大量試驗總結(jié)出控制電壓56-62V/電流 11000-12000A可以使得電渣重熔得到的電渣鋼錠的內(nèi)部結(jié)晶組織細小，均勻性好，從而提高熱作模具鋼的內(nèi)在質(zhì)量。(2)加熱將上述電渣重熔后的電渣錠置入爐溫為700°C -800°C的加熱爐內(nèi)加熱， 以60°C /h-120°C /h的升溫速度加熱至1230°C _1250°C后，保溫8-10小時。由于電爐冶煉澆鑄成電極棒，故電渣重熔后的電渣鋼錠為圓形鋼錠，圓形鋼錠在加熱過程中存在較大的表面應(yīng)力使得鋼錠的熱應(yīng)力敏感性提高，容易在鋼錠加熱的過程中產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，因此，需要控制電渣錠的入爐溫度在700°C -800°C。此外，升溫速度控制在60°C /h_120°C /h可以防止鋼錠在加熱的過程中產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋，防止電渣錠的熱應(yīng)力導(dǎo)致開裂的風(fēng)險。在加熱至1230°C -1250°C后保溫8-10小時，使得鋼錠的整個表面至心部的溫度都可以保持均勻， 更重要的是消除大塊狀液析碳化物或使其細小球化，使鋼中合金元素的分布更加均勻，這樣可以改善鋼錠的可鍛形，防止電渣錠在鍛造過程中的開裂傾向，并可以改善鋼的顯微組織指標(biāo)，提高鋼的基體強度和韌性。(3)鍛造控制開鍛溫度為1100°C -1150°C。該開鍛溫度與本發(fā)明中鋼種的化學(xué)元素配比是匹配的，該鋼種在1100°c -1150°C溫度范圍是鋼的奧氏體單相組織區(qū)域，有著最佳的高溫?zé)崴苄?，有利于高溫變形加工處理，不容易產(chǎn)生高溫?zé)峒庸ら_裂。如果高于此加熱溫度的上限，可能會導(dǎo)致成份偏析所造成的鍛造過熱，從而會形成組織的晶粒粗大，影響產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量。(4)退火熱處理。優(yōu)選地，所述步驟(4)為將經(jīng)過鍛造的鍛材在1080°C -1120°C的退火爐中保溫 8-10小時，然后風(fēng)冷至室溫，最后再置入溫度為740°C _860°C的退火爐中保溫8-10小時后出爐空冷至室溫。采用這種工藝進行熱處理，是因為鋼錠鍛后在再結(jié)晶時容易出現(xiàn)晶粒粗大，且在晶界析出二次碳化物，會降低材料的性能，因此采用上述熱處理工藝對鋼錠進行一次高溫固溶，使大部分碳化物溶入奧氏體，避免二次碳化物沿晶析出，并獲得碳化物分布均勻細小的組織，降低鋼的硬度，便于機械加工。優(yōu)選地，所述步驟(3)中終鍛溫度為850°C -900°C。電渣錠終鍛溫度對鋼錠終鍛質(zhì)量也有著重要影響，終鍛溫度低于上述范圍，非常容易引起電渣錠在徑鍛機鍛造成材過程中產(chǎn)生成品材開裂，但是，停鍛溫度高于上述范圍容易引起鋼在徑鍛機鍛造開坯后產(chǎn)生鋼的組織粗晶現(xiàn)象，降低鋼的性能。優(yōu)選地，所述步驟⑵中的升溫速度為80°C /h-120°C /h。本發(fā)明所述的高硅高錳熱作模具鋼具有以下優(yōu)點(1)本技術(shù)方案降低了碳元素的含量、鉻元素的含量以及鉬元素含量，而提高了硅元素的含量和錳元素的含量，使得這種熱作模具鋼的合金成本較現(xiàn)有的熱作模具鋼下降了 10%。(2)較高含量的硅元素和錳元素，使鋼的回火馬氏體和合金碳化物更穩(wěn)定，同時提高了鋼淬火后殘余奧氏體含量，提高了回火過程中殘余奧氏體的穩(wěn)定性，從而提高了鋼的沖擊韌性和高溫抗回火穩(wěn)定性。(3)與成分匹配的鍛造工藝和鍛后熱處理工藝有效消除了材料中的大塊狀液析碳化物，并使得材料的顯微組織均勻細小，從而提高了鋼的綜合性能。(4)本發(fā)明所述的熱作模具鋼的沖擊韌性較現(xiàn)有材料提升了 100%，高溫抗回火穩(wěn)定性表現(xiàn)為620°C持續(xù)8小時，材料硬度值提升10. 5%;62(TC持續(xù)12小時，材料硬度值提升14. 3% ；620°C持續(xù)20小時，材料硬度值提升12. 9%。說明書附1為本發(fā)明實施例2中高硅高錳熱作模具鋼退火態(tài)的金相組織。圖2為本發(fā)明實施例2中高硅高錳熱作模具鋼在1030°C的淬火后的顯微組織。圖3為本發(fā)明實施例2中高硅高錳熱作模具鋼在1030°C淬火和610°C回火后的顯微組織。
具體實施例方式實施例1-5按照下列步驟制造本發(fā)明所述的熱作模具鋼，具體工藝參數(shù)參見表2，各實施例中鋼的化學(xué)元素質(zhì)量百分配比見表1 (1)冶煉采用電爐冶煉澆鑄成電極棒，然后電渣重熔，電渣重熔的電壓為 56-62V,電流為 11000-12000A ；(2)加熱將上述電渣重熔后的電渣錠置入爐溫為700°C -800°C的加熱爐內(nèi)加熱， 以60°C /h-120°C /h的升溫速度加熱至1230°C _1250°C后，保溫8-10小時；(3)鍛造控制開鍛溫度為1100°C _1150°C，終鍛溫度為850°C _900°C。(4)退火熱處理將經(jīng)過鍛造的鍛材在1080°C -1120°C的退火爐中保溫8_10小時，然后風(fēng)冷至室溫，最后再置入溫度為740°C -860°C的退火爐中保溫8-10小時后出爐空冷至室溫。表1.實施例1-5中的化學(xué)元素質(zhì)量百分配比(％ )
權(quán)利要求
1.一種高硅高錳熱作模具鋼，其特征在于，其化學(xué)元素質(zhì)量百分配比為 C 0. 3-0. 4% ；Si 1. 2-1. 8% ；Mn 0. 6-1. 5% ；Cr 3. 5-4. 5% ；Mo 0. 8-1. 0% ；V 0. 3-0. 5% ；P 彡 0. 03% ；S 彡 0. 03% ；余量為Fe和其他不可避免雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的高硅高錳熱作模具鋼的制備方法，其特征在于，包括下列步驟(1)冶煉采用電爐冶煉澆鑄成電極棒，然后電渣重熔，電渣重熔的電壓為56-62V，電流為 11000-12000A ；(2)加熱將上述電渣重熔后的電渣錠置入爐溫為700°C-800°C的加熱爐內(nèi)加熱，以 600C /h-120°C /h的升溫速度加熱至1230°C _1250°C后，保溫8-10小時；(3)鍛造控制開鍛溫度為IlOO0C-1150°C ；(4)退火熱處理。
3.如權(quán)利要求2所述的高硅高錳熱作模具鋼的制備方法，其特征在于，所述步驟(4) 為將經(jīng)過鍛造的鍛材在1080°C-1120°C的退火爐中保溫8-10小時，然后風(fēng)冷至室溫，最后再置入溫度為740V -860°C的退火爐中保溫8-10小時后出爐空冷至室溫。
4.如權(quán)利要求2所述的高硅高錳熱作模具鋼的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中控制終鍛溫度為850°C -900°C。
5.如權(quán)利要求2所述的高硅高錳熱作模具鋼的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中的升溫速度為80°C /h-120°C /h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高硅高錳熱作模具鋼，其化學(xué)元素質(zhì)量百分配比為C0.3-0.4％，Si 1.2-1.8％，Mn 0.6-1.5％、Cr 3.5-4.5％，Mo 0.8-1.0％，V 0.3-0.5％，P≤0.03％，S≤0.03％，余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)。相應(yīng)地，本發(fā)明還公開了所述高硅高錳熱作模具鋼的制備方法。該高硅高錳熱作模具鋼不僅具有高抗回火穩(wěn)定性以及良好沖擊韌性，而且由于降低了鉻、鉬等貴合金元素的含量，使得該鋼成為一種低成本經(jīng)濟型的熱作模具鋼。
文檔編號C22C38/24GK102373376SQ201010256440
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月18日
發(fā)明者吳曉春, 周青春, 王慶亮, 石楠楠, 續(xù)維, 閔永安 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司