專利名稱：熱作模具鋼材料及其制作工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料及加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是模具制造及使用范圍，涉及一種熱作模具鋼及其制作工藝。
背景技術(shù)：
模具，是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備，在電子、汽車、電機、電器、儀表、家電和通訊等產(chǎn)品中，60 80%的零部件都依靠模具成型，因此模具被稱為“百業(yè)之母”。隨著模具市場逐年的發(fā)展擴大，生產(chǎn)模具的材料-模具鋼的用量也在顯著增加，其中熱作模具鋼的消耗量約占模具鋼產(chǎn)品的30%以上。隨著模具工業(yè)的迅速發(fā)展，對熱作模具的使用壽命、加工精度提出了更高要求。熱作模具鋼性能的好壞和使用壽命的長短，將直接影響加工產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。所以世界各國都在不斷的研究和開發(fā)新型熱作模具材料， 鑒于我國的常用熱作模具如而5CrNiM0，5CrMnM0耐熱性差，3Cr2W8V (H21)鋼存在碳化物偏析嚴(yán)重，塑性、韌性、導(dǎo)熱性、抗冷熱疲勞性能和抗溶蝕性能較差等問題，現(xiàn)用的H13鋼 (4Cr5MoSiVl)新型熱作模具鋼，模具前期使用時開裂性傾向大，模具修復(fù)率低，而進口材料存在造價偏高等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種熱作模具鋼材料及其制作工藝，使制備的熱作模具鋼材料，具有熱穩(wěn)定性好，抗熱疲勞性能高、耐磨損、淬透性好、變形??；工藝過程簡單，操作易控制。本發(fā)明熱作模具鋼材料，其特征在于熱作模具鋼材料化學(xué)成分的重量百分組成為C0. 38 0. 42、Mn 0. 35 0. 45、Si 0. 55 0. 65、Cr 5. 0 5. 5、Mo 0. 2 0. 25、V 1. 0 1. 5、S 彡 0. 025、P 彡 0. 025，余量為 Fe。優(yōu)選的熱作模具鋼材料化學(xué)成分的重量百分組成為C 0. 40、Mn 0. 38、Si 0. 60、 Cr 5. 2, Mo 0.22、V 1. 2、S 彡 0. 025 和 P 彡 0. 025，余量為 Fe。上述各微量元素量的誤差為士0. 05%。上述熱作模具鋼材料的制作工藝，包括如下步驟(1)冶煉工藝煉鋼原料選擇碳含量在0. 44wt. %以下的廢鋼，如優(yōu)質(zhì)廢鋼T3、T4 作為爐料，鋼水冶煉過程中，當(dāng)鋼液在電爐中熔化1/3時，放入鉻、鉬合金熔化，在鋼水出爐 10 15分鐘前，投入錳、硅、釩合金，然后投入脫氧劑，凈化鋼水的純凈度，取樣化學(xué)分析；(2)鋼水鑄造成鋼錠鋼錠模在200°C 300°C時預(yù)熱，注入鋼水，保溫45 80分鐘，脫模后保溫緩冷，48小時后出爐，鋼錠進行退火處理加熱850°C 880°C，保溫4 5個小時，隨爐冷卻，冷卻速度< 30°C /小時，至500 550°C，出爐空冷，清理表面缺陷；(3)鍛造或軋制成型材隧道窯爐加熱，加熱至1100°C 1150°C并透燒完全始鍛， 850°C終鍛，鍛造比3 4 1，碳化物4 5級；(4)型材球化退火工藝電爐加熱至850°C，升溫速度60 80V /小時，保溫8個小時，隨爐冷卻至730 750°C，再保溫4 6個小時，隨爐冷卻至500 550°C，出爐空冷，
表面精整。冶煉工藝中步驟(1)所述的脫氧劑為硅鈣合金。本發(fā)明所用的合金原料，其元素的含量為鉻合金的鉻為65wt. %，鉬合金的鉬為 60wt. %，錳鐵合金的錳為65wt. %，釩合金的釩為70wt. %，硅合金的硅為75wt. %，脫氧劑為硅鈣合金，含硅70wt. %和鈣26wt. %。各元素的作用機理(1)硅在鋼中的作用提高鋼中固溶體的強度和冷加工硬化程度，使鋼的韌性和塑性降低。硅能顯著地提高鋼的彈性極限、屈服極限和屈強比。硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15% 20 %的高硅鑄鐵，是很好的耐酸材料。含有硅的鋼在氧化氣氛中加熱時，表面也將形成一層 SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時的抗氧化性。一般合金鋼中的Si含量不會高于3. 5 %，在Si 含量為4. 8 6. 5%時，鋼具有很高的脆性。因此本發(fā)明中Si的含量取為0. 55 0. 65%， 既發(fā)揮了 Si的作用，又避免鋼易變脆。(2)錳在鋼中的作用錳提高鋼的淬透性。錳對提高低碳和中碳珠光體鋼的強度有顯著的作用，錳對鋼的高溫瞬時強度有所提高。含錳較高時，有較明顯的回火脆性現(xiàn)象。 錳有促進晶粒長大的作用，因此錳鋼對過熱較敏感，在熱處理工藝上必須注意。這種缺點可用加入細(xì)化晶粒元素如鉬、釩、鈦等來克服當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過時，會使鋼的焊接性能變壞，錳會使鋼的耐銹蝕性能降低，本發(fā)明Mn的含量選擇0. 35 0. 45 %減小了鋼的過熱敏感性(粗晶回火脆性)，避免形成帶狀纖維組織。(3)鉻在鋼中的作用鉻可提高鋼的強度和硬度，鉻可提高鋼的高溫機械性能。使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性，阻止石墨化，提高淬透性。鉻是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，鉻能促進鋼的回火脆性。當(dāng)Cr量繼續(xù)增加，約在25 60%特別是45 48%區(qū)域， 當(dāng)溫度低于950°C時(多在820°C)慢冷，將會析出一種無磁性脆性組分-ο相。這些在進行二次加熱后將會游離析出，致使得在固溶體中產(chǎn)生巨大體積改變造成頗大應(yīng)力，故極脆。 但在950°C以下急冷時，σ相可由于固溶體內(nèi)不析出，影響則較小。σ相問題有人指出， 當(dāng)Cr和C含量搭配時，特別在總量25%左右時，將極易生成游離態(tài)的鐵素體即δ相，它將使鋼的工藝性能和耐熱性降低，所以本發(fā)明注意將Cr控制在5.0 5. 5%可使δ相量減少。(4)鉬在鋼中的作用鉬對鐵素體有固溶強化作用，提高鋼熱強性，抗氫侵蝕的作用，提高鋼的淬透性。缺點鉬的主要不良作用是它能使低合金鉬鋼發(fā)生石墨化的傾向。故此取鉬在0. 2 0. 25%是最為合理的。(5)釩在鋼中的作用釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加0. 5%的釩可細(xì)化組織晶粒， 提高強度和韌性。釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。能顯著地改善普通低碳低合金鋼的焊接性能。本發(fā)明采用的釩的含量是1. 0 1. 5%。本發(fā)明新型耐熱耐磨熱作模具鋼，牌號為“ZTR61”，主要特點如下(1)ZTR61具有良好的科學(xué)元素配比C 0·38 0·42、Μη 0.35 0.45、Si 0· 55 0. 65、Cr5. 0 5· 5、Mo 0· 2 0· 25、V 1. 0 1. 5、S 彡 0. 025 和 P 彡 0. 025 ；(2)有效改善了常用熱作模具鋼如5CrNiMo、5CrNnMo、3Cr2W8V、H13等易破碎、耐磨性差、抗熱疲勞性差、壽命短等不夠理想的問題，用ZTR61制造的模具通過真空熱處理及表面強化處理和模具時效等辦法，使模具壽命有了大幅度提高，比3Cr2W8V、H13可提高 1. 5 3倍，比5CrNnMo、5CrNiMo可提高5 10倍；(3)耐熱溫度可達680 750°C，比常用模具鋼H13、3Cr2W8V的耐熱溫度要高50°C
左右ο本發(fā)明有益效果如下本發(fā)明工藝過程簡單，操作易控制，本發(fā)明具有良好的科學(xué)元素配比，采用合金化和變質(zhì)處理，熱穩(wěn)定性好，抗熱疲勞性能高、耐磨損、淬透性好、變形小，再加上真空熱處理和表面強化處理后的模具，能提高工效，降低生產(chǎn)使用成本，減少或避免模具崩脆開裂，使用壽命長，性價比高，適用廣泛。


圖1為本發(fā)明熱作模具鋼材料的淬火工藝曲線圖；圖2為本發(fā)明熱作模具鋼材料與5CrNiMo、H13和8407模具鋼材料分別淬火后同條件下使用壽命比較示意圖；圖3為本發(fā)明模具鋼材料與5CrNiMo、H13和8407模具鋼材料分別淬火后的金相圖；3-a為5CrNiMo淬火后金相圖；3-b為H13淬火后金相圖；
3-c為8407淬火后金相圖；3-d為本發(fā)明熱作模具鋼材料淬火后金相圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步描述。本發(fā)明實施例中所用的合金原料，其元素的含量為鉻合金的鉻為65wt. %，鉬合金的鉬為60wt. %，錳鐵合金的錳為65wt. %，釩合金的釩為70wt. %，硅合金的硅為 75wt. %，脫氧劑為硅鈣合金，含硅70wt. %和鈣26wt. %。以重量百分?jǐn)?shù)計，實施例1 6模具鋼材料所含微量元素如下表，余量均為狗
權(quán)利要求
1.一種熱作模具鋼材料，其特征在于熱作模具鋼材料化學(xué)成分重量百分組成為 CO. 38 0. 42,Mn 0. 35 0. 45,Si 0. 55 0. 65,Cr 5. 0 5. 5,Mo 0. 2 0. 25,V 1. 0 1. 5、S 彡 0. 025、P 彡 0. 025，余量為 Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱作模具鋼材料，其特征在于所述的熱作模具鋼材料化學(xué)成分重量百分組成為:C 0. 40、Mn 0. 38、Si 0. 60、Cr 5. 2、Mo 0. 22、V 1. 2、S 彡 0. 025 和 P^O. 025，余量為 Fe。
3.—種權(quán)利要求1所述的熱作模具鋼材料的制作工藝，其特征在于包括如下步驟(1)冶煉工藝煉鋼原料選擇碳含量在0.44wt. %以下的廢鋼，鋼水冶煉過程中，當(dāng)鋼液在電爐中熔化1/3時，放入鉻、鉬合金熔化，在鋼水出爐10 15分鐘前，投入錳、硅、釩合金，然后投入脫氧劑，凈化鋼水的純凈度，取樣化學(xué)分析；(2)鋼水鑄造成鋼錠鋼錠模在200°C 300°C時預(yù)熱，注入鋼水，保溫45 80分鐘， 脫模后保溫緩冷，48小時后出爐，鋼錠進行退火處理加熱850°C 880°C，保溫4 5個小時，隨爐冷卻，冷卻速度< 30°C /小時，至500 550°C，出爐空冷，清理表面缺陷；(3)鍛造或軋制成型材隧道窯爐加熱，加熱至110(TC 1150°C并透燒完全始鍛， 850°C終鍛，鍛造比3 4 1，碳化物4 5級；(4)型材球化退火工藝電爐加熱至850°C，升溫速度60 80°C/小時，保溫8個小時， 隨爐冷卻至730 750°C，再保溫4 6個小時，隨爐冷卻至500 550°C，出爐空冷，表面精整。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱作模具鋼材料的制作工藝，其特征在于步驟(1)所述的脫氧劑為硅鈣合金。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬材料及加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種熱作模具鋼及其制作工藝，本發(fā)明提供的熱作模具鋼材料元素成分的重量百分組成為C 0.38～0.42、Mn 0.35～0.45、Si 0.55～0.65、Cr 5.0～5.5、Mo 0.2～0.25、V 1.0～1.5、S≤0.025、P≤0.025，余量為Fe，本發(fā)明的制作工藝步驟包括冶煉工藝、鋼水鑄造成鋼錠、鍛造或軋制成型材和型材球化退火工藝，工藝過程簡單，操作易控制。本發(fā)明具有良好的科學(xué)元素配比，采用合金化和變質(zhì)處理，熱穩(wěn)定性好，抗熱疲勞性能高、耐磨損、淬透性好、變形小，再加上真空熱處理和表面強化處理后的模具，能提高工效，降低生產(chǎn)使用成本，減少或避免模具崩脆開裂，使用壽命長，性價比高，適用廣泛。
文檔編號C22C38/24GK102220544SQ20111013379
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月23日
發(fā)明者劉延亮, 尚宗文, 崔澤岳, 鞏蕾蕾, 程渡明 申請人:尚宗文