一种高强度的热作模具钢及制造方法与流程

本发明属于合金钢技术领域，具体涉及一种高强度热作模具钢，还涉及其制造方法。

背景技术：

h13钢是国内外模具材料市场上应用最广泛的热作模具钢，它主要用于制造压力机锻模、压铸模和锤锻模，由于生产工况的恶劣，热作模具钢的服役过程中需要承受较大的冲击载荷作用，但是目前的h13热作模具钢不具有足够的强度来应对日益复杂的模具生产环境。

中国专利cn101392353公开了一种仅添加钨元素进行强化的热作模具钢，这是一种调质高热强性热作模具钢，主要依靠马氏体回火阶段里，析出钨的碳化物来产生合金碳化物强化作用，进而达到材料高强度。然而仅仅依靠钨元素会使得材料韧性下降，引发材料服役寿命减短的问题。

中国专利cn108070794公开了一种通过添加陶瓷复合粉体和纳米碳化钨颗粒的方法，提高热作模具钢的耐磨性。他主要是依靠陶瓷复合粉体、无机纳米碳化钨、稀土等复合增强材料，使得模具钢内部晶粒细化、结构密实，提高了耐磨性和硬度。然而由于涉及复合材料冶炼制造，工序较为复杂，不适合规模化冶炼。

相较于其他国家，我国是h13热作模具钢的生产大国，却不是生产强国。国产h13钢往往杂质过多、硬度偏低、强度不足，根据目前的问题，本专利提出了新的h13型热作模具钢的合金成分配比和熔炼方法，从而保证其具有较高的强度等综合性能。

技术实现要素：

鉴于以上所述，本发明公开了一种高强度热作模具钢及制造方法，配方科学合理，相较于常规h13型热作模具钢，硅和铬含量降低，钼含量升高，并添加了钨元素保证强度。合金成分经配料、合金化冶炼后出钢，并辅以1040℃淬火和500-600℃回火处理，使得制备得到的新型h13型热作模具钢具有良好的综合性能，尤其是具有较高的强度，应用广泛。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高强度h13型热作模具钢，由以下质量百分数的组分构成：碳为0.35-0.38％，硅为0.2-0.3％，锰为0.3-0.4％，铬为2.7-2.9％，钼2.5-2.6％，钒为0.9-1.1％，钨为0.6-0.9％，磷和硫含量均小于0.03％，余量为铁。

上述高强度热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：

(a)配料、冶炼：按照原料配比称取各合金成分，将石墨和纯铁加热至1400-1500℃完全熔化，熔炼成基质铁水；

(b)合金复配：向步骤(a)得到的基质铁水中加入硅铁、锰铁、铬、钼和钨，加热至1600-1750℃完全熔化，熔炼成钢水；

(c)细化：向步骤(b)得到的钢水中加入钒并搅拌均匀，得到细化晶粒后的钢水；

(d)铸造：将步骤(c)所得的钢水注入预热完成的钢锭模具中，保温3至4个小时，然后脱模。

(e)热处理：将步骤(d)所得的钢锭进行热处理，包括退火、淬火和回火。

上述高强度热作模具钢的热处理工艺，包括以下步骤：

(a)退火温度为700℃，时间为12小时，随炉冷却到室温后进行机加工。

(b)淬火温度为1040℃，随炉升温，保温时间为24min，出炉油冷。

(c)进行两次回火，回火温度为500-600℃，保温时间为2h，出炉空冷至室温。

微合金元素硅、锰、铬、钼、钒和钨在钢中的作用各不相同，硅可以强化基体并提高回火抗力；锰主要可以进行固溶强化，并消除硫的有害作用；铬可以提高钢的淬透性和抗高温氧化性；钼则主要提高合金热稳定性和高温强度；钒可以细化晶粒、提高材料强韧性；钨可以提高材料强度、硬度和耐磨性。

本发明钢种主要采用合金化手段，提高模具钢的淬透性和强度，获得板条马氏体组织形貌，mo、v、w形成大量高熔点mc型碳化物和高强度m2c型碳化物，大大提高了材料的强度。

4.75-5.5％的cr含量使得淬火后回火时，cr和c形成高cr的碳化物，妨碍具有高抗回火软化能力的vc形成，降低热强性；钢中含cr、mo、v时，大于3％含量的cr会阻止v4c3的生成，也会推迟mo2c的共格析出，而这两个相交互作用会提升高温强度和抗回火性。此外，含cr较高的材料在淬火并进行550-450℃回火时会出现第二类回火脆性，因此将cr含量控制在2.7-2.9％。

1％左右的mo元素和v元素使得材料回火过程中产生二次硬化，提高了材料抗回火软化能力。mo元素明显推迟珠光体转变，与基体共格产生二次硬化，0.25-1％的mo即可使珠光体转变与贝氏体转变区分开。回火时马氏体析出密排六方结构的mo2c。不大于3％的质量分数是mo使钢发生脱碳敏感的临界。因此将mo含量控制在2.5-2.6％。

但是过高的mo会使得mo2c转变为mo6c，该大颗粒相沿奥氏体晶界和马氏体板条界析出，造成合金脆化。而w与mo在钢中固溶类型和形成碳化物类型相同，原子半径近似，考虑到cr含量对热强性的降低以及过高mo的脆化作用，可以加入与mo相似的w元素增加材料强度硬度和耐磨性。考虑到成本因素，将w含量控制在0.6-0.9％。

本发明的有益结果：本发明的新型h13型热作模具钢以多种元素复合合金化，辅以真空熔炼和恰当的热处理工艺，综合考虑了化学成分、制备方法及热处理方式对其性能和使用寿命的影响，组织均匀、钢制纯净，具有较高的洛氏硬度和抗拉强度，是一种高强度新型热作模具钢。

附图说明

图1是本发明实施例1退火组织图。

图2是本发明实施例2在550度回火组织图。

图3是本发明实施例1与常规h13钢的不同回火温度硬度对比图。

图4是本发明实施例1与常规h13钢的不同回火温度抗拉强度对比图。

图5是本发明实施例1与常规h13钢的不同回火温度下进行22h回火稳定实验后显微硬度对比图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的原理特征继续描述，所举实例只用于解释发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：

一种热作模具钢质量分数如下：碳为0.37％，硅为0.2％，锰为0.35％，铬为2.9％，钼2.5％，钒为1.1％，钨为0.9％，磷和硫含量均小于0.03％，余量为铁。

上述热作模具钢的制备包括以下步骤：

(a)配料、冶炼：按照原料配比称取各合金成分，将石墨和纯铁加热至1500℃完全熔化，熔炼成基质铁水；

(b)合金复配：向步骤(a)得到的基质铁水中加入硅铁、锰铁、铬、钼和钨，加热至1750℃完全熔化，熔炼成钢水；

(c)细化：向步骤(b)得到的钢水中加入钒并搅拌均匀，得到细化晶粒后的钢水；

(d)铸造：将步骤(c)所得的钢水注入预热完成的钢锭模具中，保温4个小时，然后脱模。

(e)热处理：将步骤(d)所得的钢锭进行热处理，包括退火、淬火和回火。

将上述制备钢进行退火，退火温度为700℃，时间为12小时，随炉冷却到室温。然后进行淬火和回火工艺，淬火温度为1040℃，随炉升温，保温时间为24min，出炉油冷。再进行两次回火，对工件进行两次回火且两次回火的回火温度相同，分别为500℃、550℃、600℃，保温时间为2小时，出炉空冷至室温。

实施例2：

一种热作模具钢质量分数如下：碳为0.35％，硅为0.3％，锰为0.4％，铬为2.7％，钼2.55％，钒为1.1％，钨为0.6％，磷和硫含量均小于0.03％，余量为铁。

上述热作模具钢的制备包括以下步骤：

(a)配料、冶炼：按照原料配比称取各合金成分，将石墨和纯铁加热至1500℃完全熔化，熔炼成基质铁水；

(b)合金复配：向步骤(a)得到的基质铁水中加入硅铁、锰铁、铬、钼和钨，加热至1750℃完全熔化，熔炼成钢水；

(c)细化：向步骤(b)得到的钢水中加入钒并搅拌均匀，得到细化晶粒后的钢水；

(d)铸造：将步骤(c)所得的钢水注入预热完成的钢锭模具中，保温3个小时，然后脱模。

(e)热处理：将步骤(d)所得的钢锭进行热处理，包括退火、淬火和回火。

将上述制备钢进行退火，退火温度为700℃，时间为12小时，随炉冷却到室温。淬火温度为1040℃，随炉升温，保温时间为24min，出炉油冷。对工件进行两次回火且两次回火的回火温度相同，分别为500℃、550℃、600℃，保温时间为2h，出炉空冷至室温。

为了验证本发明提供的热作模具钢性能，对实施例1所得的热作模具钢(记作cxn215钢)的退火组织和实施例2所得的热作模具钢(记作cxn218钢)的550度回火组织进行观察，所得结果如图1、图2所示。由图1可知，cxn215钢退火组织均匀，未发现有尺寸过大、形状复杂的共晶碳化物的存在，组织为铁素体和颗粒状碳化物。由图2可知，cxn218钢回火马氏体、残余奥氏体和微量颗粒状碳化物。

对cxn215钢与常规h13热作模具钢进行了回火硬度、抗拉强度、回火稳定实验后硬度的对比实验，所得结果如图3、图4、图5所示。由图3可知，回火温度为500℃和550℃时两种材料硬度相差不大，回火温度为600℃时，h13钢硬度发生较大幅度下降且cxn215钢的硬度高于h13钢。由图4可知，回火温度为500℃和550℃回火时两种材料抗拉强度相差不大，回火温度为600℃回火时两材料抗拉强度均出现不同程度的下降，其中h13钢降幅更大。由图5可知，cxn215钢在不同回火温度进行22小时回火稳定测试后，显微硬度均高于常规h13钢。

由上述数据和结果可知，本发明制备得到的热作模具钢具有良好的综合性能，尤其是具有较高的强度，应用广泛，拓宽了现有模具钢的应用领域。

对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明方案的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。