专利名称：新型耐热耐磨热冲压模具用合金钢材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型耐热耐磨热冲压模具用合金钢材料及其制备方法，属热冲压模具材料制造工艺技术领域。
背景技术：
节 能、环保、安全是当今汽车技术发展的总趋势，降低油耗、节约能源、减少汽车排放是当今迫切解决的问题之一，其中汽车轻量化是解决这一问题的重要途径。目前，钢铁公司推出了一系列具有超高强度的淬火硼钢系列，如知名的Arcelor公司推出的22MnB5、 30MnB5，以及专门为汽车零件用生产的Usiborl500。这些淬火硼钢的特点是在轧制成形后， 材料组织为均勻的铁素体+珠光体，屈服强度为280 - 400Mpa,抗拉强度为大于450Mpa ；而经过热处理后，其组织为均勻的马氏体，屈服强度可达1200Mpa，抗拉强度可达1600Mpa。采用此种钢板生产的汽车零件可以使同等强度、刚度的零件减重50%以上。但是由于超高强度钢的强度时普通钢板强度的2-3倍，所需的成形力极大，成形时往往会因此而导致模具损坏、设备震动，并且还易产生破裂、起皱、尺寸和形状不良等问题。因此，原有的冷冲压成形工艺不能再满足技术和生产发展的需要，需要一种新的加热成形工艺方式。热冲压成形工艺主要是利用金属在高温状态下，其塑性和延展性迅速增加，屈服强度迅速下降的特点， 通过模具使零部件成形的工艺。采用热加工的方法，一般是将板料加热到再结晶温度以上某个适当的温度(对于钢铁材料，加热至奥氏体状态)时进行冲压成形，使板料成形时的流动应力降低、提高板料的成形性、降低成形件的回弹，并且降低所需设备的吨位。与板料冷冲压相比，板料的热冲压成形具有变形抗力小、塑性好、成形极限高等优点。对于硼钢，通过热成形不仅具有以上所描述的热成形的优点，并且配以合适的后继热处理方式，还可以使板料发挥其最佳的性能，为汽车提供高质量的零部件，从而不但降低了汽车零部件的重量， 还提高了其抗冲击性能及疲劳性能，提高了汽车的安全性。目前国内外尚无专门的适合热冲压成形的模具材料。德国企业采用的是CR7V和1.2379，日本企业采用的是SKD61。从目前的生产情况来看，这些材料都是从现有的模具材料中选取的，各有优缺点，但都不是最好的适合热冲压成形用的材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型耐热耐磨热冲压模具用合金钢材料及其制备方法。本发明一种新型耐热耐磨热冲压模具用合金钢材料，其特征在于具有以下的化学组成及其质量百分比
C0.4-0. 5%,Si0. 3-0. 5%,
Mn0.65-0.85%,Cr2. 5-2. 7%,
Mo2. 1-2.4%,V0.8-1.0%,
P< 0.025%,S< 0.005%,
Fe余量本发明新型耐热耐磨热冲压模具用合金钢材料的制备方法，其特征在于具有以下的过程和步骤
a.感应熔炼将配料置于中频感应炉中，在1500 1700°C温度下进行熔炼，然后浇注钢锭；
b.电渣重熔将钢锭放于电渣重熔装置中，进行二次精炼，以获得成分均勻、组织致密的钢锭；
c.退火在850 860°C下保温7h，而后缓冷至300°C进行空冷；
d.高温均勻化将上述钢锭加热到1220 1250°C，并保温8 10小时，使钢成分均勻化，防止成分偏析，改善材料的凝固组织，随后置于空气中冷却；
e.锻造将上述经处理的钢锭再加热到1200 1230°C，随后进行粗锻，终锻温度为 980°C，得到钢锻件毛坯；
f.退火将上述钢锻件毛坯放入加热炉中，加热到830°C，保温8h，然后炉冷至300°C 后再空冷至室温；最终得到新型耐热耐磨热冲压模具用合金钢材料。本发明设计钢种材料成分的理论依据
(I)C的含量决定淬火钢的基体硬度。对工具钢而言，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化。另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。对热冲压模具用钢，这种合金碳化物除少量残留的以外，还要求它在回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生二次硬化现象，从而由均勻分布的残留合金碳化物和回火马氏体的组织来决定热冲压模具钢的性能。因此，热冲压模具材料中的含C量在0. 45、. 48%为宜。(2) Si是一个对铁素体进行置换固溶强化非常有效的元素，但同时在一定程度上降低钢的韧度和塑性。Si是提高回火抗力的有效元素，但是，Si加入量过多，会使碳化物聚集的过时效速度增大，以至于难以控制。Si含量控制在0. 3^0. 5%。(3) Mn具有固溶强化作用，从而提高铁素体和奥氏体的强度和硬度。锰是弱碳化物形成元素，它可溶入渗碳体中形成合金渗碳体，其形成可降低系统的自由能。锰溶图奥氏体中能强烈增加钢的淬透性，同时强烈降低钢的Ms点。但是锰含量过高，会使脆性增加，综合考虑将其控制在0. 65、. 85%。(4) Cr是合金工具钢中最普遍含有的和廉价的合金元素。铬对钢的耐磨损性、高温强度、热态硬度、韧度和淬透性都有有利的影响，同时它溶入基体会显著改善钢的耐蚀性能。目前的H13改进型热作模具钢一般有Cr5.0%和Cr2.6%型。热冲压模具材料中选定为 Cr2. 5 2. 7%ο(5) Mo溶入Fe中也具有固溶强化的作用，Mo溶解于奥氏体中能提高钢的淬透性。 Mo是作为使钢具有二次硬化的主要合金元素加入的，Mo会提高钢的脱碳氧化敏感性，因此 Mo含量控制在2. Γ2. 4%比较合适。(6)V是置换固溶强化铁素体和形成奥氏体圈的元素。V在工具钢中的主要作用是细化钢的晶粒和 组织，增加钢的回火稳定性和增强二次硬化效应。一般来说，V加入0. 05% 可细化晶粒，随加入量增加，细化效果加强。因为即使温度趋近700°C，V的碳化物稳定性仍高，仍能保持细小，所以V是有效阻止奥氏体晶粒粗化的元素，也是在高温下服役的钢的重要合金化元素。因此，控制在0.8 1.0%。(7) S和P为有害元素，其含量均应控制在最低限度，以免产生恶化热冲压模具材料的性能，产生不良后果， 应使p<0. 025%, S<0. 005%。
图1为本发明钢与其他钢种的热稳定性对比图。
具体实施例方式现将本发明的具体实施例叙述于后。 实施例本实施例一种新的热冲压模具材料，其化学成分按重量百分比计包括 C 0.47%,Si0. 37%,
Mn0.65%,Cr2.6%,
Mo2. 2%,V0.94%,
P<0.013%,S< 0. 005%,
Fe余量。制备工艺过程如下
a.感应熔炼将配料置于中频感应炉中，在1500 1700°C温度下进行熔炼，然后浇注钢锭；
b.电渣重熔将钢锭放于电渣重熔装置中，进行二次精炼，可降低夹杂物的含量，并获得成分均勻、组织致密、质量好的钢锭。重熔时合金通过渣洗和在熔池中的上浮去除夹杂物，得到进一步精炼，合金的持久性能和塑性都得到提高，消除或减轻了各种宏观和显微缺陷；
c.退火在850 860°C下保温7h，而后缓冷到300°C进行空冷。d.高温均勻化将上述钢锭加热到1220 1250°C，并保温8 10小时，使钢成分均勻化，防止成分偏析，改善材料的凝固组织，然后置于空气中冷却；
e.锻造将上述钢锭加热到1200 1230°C，随后进行粗锻，终锻温度为980°C，得到钢锻件毛坯；
f.退火把钢锻件毛坯放入加热炉中，加热到830°C，保温8h，然后炉冷至300°C左右后再空冷至室温。最终得到新型耐热耐磨热冲压模具用合计钢材料。性能测试
将上述热冲压模具钢样品做性能测试，结果如下
(1)退火态硬度205HB，经过1020°C淬火+600°C回火处理后硬度为50HRC ；
(2)经过1020°C淬火+600°C回火处理后，7*10*55mm冲击试样的冲击功为172J ；
(3)经过1020°C淬火+600°C回火处理后，抗拉强度为1900MPa ；
(4)经过1020°C淬火+600°C回火处理后，在200°C时的线膨胀系数为12. 3*10_6/K， 导热系数为31. 6 W/(m*K)。本发明的热冲压模具钢与QR090钢及CR7V钢在600°C条件下，做热稳定性试验； QR090钢及CR7V钢成分如下表1所示。本发明钢、QR090、CR7V钢的热稳定性对比如附图1所示。
表1 QR090 及 CR7V 的成分
权利要求
1.一种新型耐热耐磨热冲压模具用合金钢材料，其特征在于具有以下的化学组成及其质量百分比C0.4-0. 5%,Si0. 3-0. 5%,Mn 0.65-0.85%,Cr 2. 5-2. 7%,Mo 2. 1-2.4%,V 0.8-1.0%,P< 0.025%,S < 0.005%,Fe余量。
2.根据权利要求1所述的一种新型耐热耐磨热冲压模具用合金钢材料的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤a.感应熔炼将配料置于中频感应炉中，在1500 1700°C温度下进行熔炼，然后浇注钢锭；b.电渣重熔将钢锭放于电渣重熔装置中，进行二次精炼，以获得成分均勻、组织致密的钢锭；c.退火在850 860°C下保温7h，而后缓冷至300°C进行空冷；d.高温均勻化将上述钢锭加热到1220 1250°C，并保温8 10小时，使钢成分均勻化，防止成分偏析，改善材料的凝固组织，随后置于空气中冷却；e.锻造将上述经处理的钢锭再加热到1200 1230°C，随后进行粗锻，终锻温度为 980°C，得到钢锻件毛坯；f.退火将上述钢锻件毛坯放入加热炉中，加热到830°C，保温8h，然后炉冷至300°C 后再空冷至室温；最终得到新型耐热耐磨热冲压模具用合金钢材料。
全文摘要
本发明涉及一种新型耐热耐磨热冲压模具用合金钢材料及其制备方法，属热冲压模具材料制造工艺技术领域。本发明提供一种热冲压模具用材料，其化学成分(重量%)是C0.40~0.50，Si0.3~0.5，Mn0.65~0.85，P<0.025，S<0.005，Cr2.5~2.7，Mo2.1~2.4，V0.8~1.0，其余为Fe及微量杂质。经过感应熔炼→电渣重熔→退火→高温均匀化→锻造→退火后，具有良好的机加工性能；经过1020℃淬火+600℃回火后，材料具有良好的热强度、热硬度，高的耐磨性和抗疲劳性能，优良的可焊接性，并具有较大的导热系数和较小的热膨胀系数，适用于热冲压成形模具。
文档编号C22C33/04GK102212753SQ20111000732
公开日2011年10月12日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者吴晓春, 邵严 申请人:上海大学