一种抗氧化热作模具钢及其制备方法与流程

本发明涉及一种合金钢，特别涉及一种抗氧化热作模具钢及其制备方法，属金属材料领域。

背景技术：

模具是工业生产的基础工艺设备，在机械、国防、冶金、轻工、电子等工业部门中，相当部分的零部件都是依靠模具成形。模具在制造业中保证了高产品、高效率的生产和降低了生产成本。模具工业在国民经济中占有重要地位。模具技术己成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志，模具应用领域的不断扩展对模具提出更多和更高的要求。按模具的服役条件，可以将模具钢分为四大类，包括冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢以及塑胶模具钢。这其中热作模具是指，用来将加热的金属或液体金属制成所需产品的工装，如热锻模具、热墩模具、热挤压模具、压铸模具和高速成型模具等，而所采用的各种模具用钢统称为热作模具钢。

热作模具钢在高温复杂环境下工作，承受很大的冲击力，模腔和高温金属接触后，局部温度达到500-800℃，还经受着反复的加热和冷却，要求具有高的高温强度和抗氧化、抗热疲劳性能。目前，常用的热作模具钢材料有3cr2w8v和4cr5mosiv1(h13钢)等。用这些模具钢材料制造热锻模、压铸模和热挤压模时，由于高温强度低，抗氧化和抗热疲劳性能差，在使用过程中产生氧化和变形，在型腔的内表面出现热疲劳裂纹(龟裂)，不仅降低模具的使用寿命，而且还降低成型件的表面质量。

本发明提供一种抗氧化热作模具钢，其600℃以上高温强度优于h13钢和3cr2w8v钢，具有良好的抗热疲劳性能，耐腐蚀和抗氧化性能显著优于h13等现用热作模具钢。

技术实现要素：

本发明提供一种抗氧化热作模具钢，其600℃以上高温强度优于h13钢和3cr2w8v钢，具有良好的抗热疲劳性能，耐腐蚀和抗氧化性能显著优于h13等现用热作模具钢。

一种抗氧化热作模具钢，其特征在于：

以质量比计，0.15～0.30％的c，10～13％的cr，1.0～2.5％的ni，1.5～3.0％的mo，0.5～1.5％的co，0.8％以下的si，0.8％以下的mn，其余为fe，以及钢中难以避免的微量杂质。

进一步地，以质量比计，还含有1％以下的w。

进一步地，以质量比计，还含有0.9％以下的v。

进一步地，以质量比计，还含有0.3％以下的nb。

一种如上所述的抗氧化热作模具钢的制备方法，其特征在于：采用真空感应熔炼+电渣进行冶炼，或采用电炉+aod/vd+电渣重熔方法；冶炼坯在1150～1250℃进行均质化处理，然后再进行热加工，始锻/轧温度1050～1150℃，终止温度800℃；热加工获得的坯料，再进行退火或正火+回火处理，然后进行调质处理。

进一步地，所述退火处理温度为850～900℃。

进一步地，所述正火+回火温度为：正火温度1050～1150℃，回火温度680～750℃。

进一步地，所述调质处理，是指淬火和回火热处理的综合热处理工艺；淬火热处理温度为1000～1150℃，淬火采用油冷或水冷的方式；淬火后将坯料加热至580～640℃进行回火热处理。

下面对本发明钢各构成元素作用及含量范围的选择作进一步说明，在以下的说明中，元素的添加量以质量比(％)表示。

碳(c)能够提高钢的淬火硬度及回火后的硬度，为保证经调质处理后材料具备较高的强度，c含量应高于0.15％。但c含量过高对冲击韧性不利，因此，c含量需要控制，本发明中c含有量控制在0.30％以下。

铬(cr)是获得良好耐蚀性、抗氧化性必不可少的元素，钢中的cr可与氧结合，在表面形成一层致密的氧化膜而有助于提高抗氧化性。为了保证发明钢抗氧化性能，cr含量应高于10.0％。但过量添加cr时，易出现高温δ铁素体而导致机械性质恶化，因而限定为13.0％以下。因此，本发明控制cr含量在10.0～13.0％。

镍(ni)可扩大奥氏体相区，可抑制δ铁素体的形成，提高材料塑韧性。为了充分得到上述的效果，需要使添加的ni下限为1.0％。但加入过多ni不仅会增加合金成本，而且对热强性不利。从以上方面出发，本发明钢控制ni的添加量在1.0～2.5％。

钼(mo)在钢中可形成细小稳定的m2c型碳化物，稳定回火组织，提高材料的热强性，同时高硬度的弥散碳化物颗粒可以起较好的耐磨性。但mo含量不能太高，否则对冲击韧性不利。从以上方面出发，mo的添加量需要为1.5～3.0％。

钴(co)具有抗氧化性，co对m2c型碳化物的析出强化具有较好的促进作用，可提升材料的热强性，且可抑制δ铁素体的形成而不降低钢的临界温度。但co价格昂贵，应尽量降低其使用量。从以上方面出发，co的添加量需要为0.5～1.5％。

硅(si)为脱氧材料，添加过高含量si将对韧性不利，一般控制在0.8％以下，在此范围内对组织和机械性能没有明显影响。因而本发明钢中si含量控制在0.8％以下。

锰(mn)作为脱氧剂和脱硫剂添加，当超过0.8％时，也将对韧性产生不利影响。因此，mn含量控制在0.8％以下。

作为其他元素，钨(w)与mo作用相似，能够增加二次硬化的效果提高回火后的硬度，有助于材料耐热性能的提高，w通过与mo的复合添加能够使上述效果进一步提高。但为防止二次硬化程度太大造成冲击韧性下降，需要对w加入量进行控制，本发明钢控制w含量在1.0％以下。

钒(v)与mo类似，在回火过程中可形成vc碳化物，有助于材料耐热、耐磨性能的提高。但v会降低材料的冲击韧性，不宜过多。从以上方面出发，v的添加量控制在0.9％以下。

铌(nb)是强碳化物形成元素，可与碳结合形成稳定的mc型碳化物，可起到在高温奥氏体化时控制晶粒长大，达到细化晶粒之作用。nb含量过高会形成较多的液析一次碳化物，对冲击韧性不利。为充分保证上述效果，nb含量控制在0.3以下。

本发明中的不可避免的杂质，是指原料中本来含有的、或者由于在冶炼过程中混入等而包含在本发明中的成分，不是有意添加的成分。

本发明抗氧化热作模具钢采用与现有技术相似制备方法：推荐采用真空感应熔炼+电渣进行冶炼，也可采用电炉+aod/vd+电渣重熔等能保证本发明要求的其他冶炼方法。冶炼坯在1150～1250℃进行均质化处理，然后再进行热加工，始锻/轧温度1050～1150℃，终止温度800℃。热加工获得的坯料，先进行850～900℃完全退火或进行1050～1150℃正火+680～750℃回火；然后进行调质处理。本发明中的调质处理，是指淬火和回火热处理的综合热处理工艺。淬火热处理后坯料及时进行温度范围为580～640℃，加热保持后缓慢冷却的回火热处理。淬火处理，是指将发明钢加热到奥氏体相区使合金元素cr、ni、mo、co、w、v、nb等溶入组织中，在随后的冷却中得到马氏体组织的热处理，本发明钢奥氏体化温度范围为1000～1150℃，加热保持后采用油冷或水冷淬火。淬火骤冷所得到的低碳高密度位错板条型马氏体，具有很好的塑性和韧性，为强度与韧性配合优异的组织，淬火热处理之后进行的580～640℃回火，可在板条状马氏体基体析出均匀分布的高密度、多种类、多尺寸碳化物弥散相析出的多种类、多尺寸碳化物(cr7c3、(mo,w)2c、vc、nbc)，从而获得高的高温强度和抗热疲劳性能。

附图说明

图1为本发明钢实施例与h13、3cr2w8v钢高温强度对比曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

采用真空感应熔炼加电渣重熔冶炼了本发明马氏体不锈钢，化学成分示于表1中。冶炼坯在1200℃进行均质化处理，然后再进行锻造，始锻温度1150℃，终止温度800℃。最终获得的直径50mm棒料。棒料进行淬火处理，温度范围为1100℃，加热保温1小时后入水急冷。经淬火处理之后，再进行600℃加热并保温2h后缓慢冷却的回火处理，发明钢的典型机械性能示于表2中，发明钢具有良好的室温机械性能。

表1

表2

实施例1发明钢经1100℃淬火600℃回火处理，测试室温至700℃高温瞬时高温拉伸性能如图1所示。实施例2、3、4各温度拉伸性能相近，不再重复给出。为了对比，图中加入了h13钢和3cr2w8v钢的高温瞬时拉伸性能数据。h13钢的数据取自文献[朱宗元，我国热作模具钢性能数据集(续xi)，机械工程材料，2001年，第25卷第12期，36-40页]，3cr2w8v钢的数据取自文献[朱宗元，我国热作模具钢性能数据集(续vii)，机械工程材料，2001年，第25卷第8期，38-42页]。从图1可以看出本发明钢具有较好的热强性，高温下不易发生组织与性能退化，因此具有高的抗热疲劳性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。