一种具有高强韧性和耐磨性的H13钢及其熔炼方法

一种具有高强韧性和耐磨性的h13钢及其熔炼方法
【技术领域】
1.本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种具有高强韧性和耐磨性的h13钢及其熔炼方法。


背景技术：

2.钒是工具钢中重要的元素之一，钒多是以碳化物、氮化物及二者形成的固溶或复合的碳氮化物的形式在基体和晶界上析出。v(c、n)析出相可以钉扎位错，对晶界迁移起到一定的作用，从而细化马氏体板条且板条束更短；并且碳氮化物析出相有效阻碍了变形过程中的位错滑移，从而提高强度，降低塑性和韧性，即v(c、n)在其中起到了沉淀强化和细化晶粒的作用。v很少作为单一元素加入钢中，一般都采用钒铁合金和钒氮合金加入钢中。文献1：昆明理工大学博士论文(vn合金在高速钢中的应用研究[d].2005.)中徐权博士研究表明，钒氮合金钢比钒铁合金钢强韧性要低，但红硬性更高，磨损更小。钒氮合金钢在淬火和回火后主要剩下vc、v(c、n)型碳氮化物，在退火、淬火、回火状态下均有其存在，这表明含氮的碳化物具有较高的稳定性，这对改善钢的耐磨性能有很好的作用。n可以促进v在钢中的作用，n含量的变化对钒氮合金在钢中的作用有所影响。文献2：材料科学与工程a(effect of increased n content on microstructure and tensile properties of low
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c v
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microalloyed steels[j].2016,651.)中zhang等人研究了n元素对低碳钒型钢性能的影响，发现在低碳钒型微合金钢中，随着n含量的增加有效晶粒尺寸增加，使位错密度减少，并且还促进细颗粒的沉淀。n含量增加使m/a成分增加，从而改善微结构的整体应变应力能力，并最终导致拉伸强度提高及屈服强度比降低。在常用的耐磨钢中添加少量的v，对材料的硬度、抗拉强度、冲击功、磨损性能等都有一定的影响。文献3：特钢技术(钒在钢中的合金化作用及应用[j].2015,21(1):1
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5.)谢元林研究表明，钒在高速工具钢中能阻止晶粒长大，提高钢的红硬性和切削能力，增大耐磨性，最终起到延长高速工具使用寿命的作用。
[0003]
因此，有必要研究一种具有高强韧性和耐磨性的h13钢及其熔炼方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。


技术实现要素：

[0004]
有鉴于此，本发明提供了一种具有高强韧性和耐磨性的h13钢及其熔炼方法，所述熔炼方法通过在熔炼后期加入vn颗粒及氮铬铁合金，使h13钢有更高的硬度、强度、冲击韧性及耐磨性。
[0005]
一方面，本发明提供一种具有高强韧性和耐磨性的h13钢的熔炼方法，所述熔炼方法包括以下步骤：
[0006]
s1：在熔炼后期对h13热作模具钢先进行抽真空；
[0007]
s2：调整功率进行熔炼；
[0008]
s3：全熔后停止加热并通入保护气；
[0009]
s4：加入vn颗粒并调整功率，直至vn溶解完停止加热；
[0010]
s5：加入氮铬铁合金并调整功率，直至氮铬铁合金溶解完停止加热；
[0011]
s6：炉内浇铸成钢锭。
[0012]
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s1具体为：以15
‑
25kw的功率抽真空5min。
[0013]
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s2具体为：将功率调到35
‑
60kw进行熔炼。
[0014]
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s3具体为：加入用铝箔包裹的vn颗粒并将功率调至15
‑
25kw，直至vn溶解完停止加热。
[0015]
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s4中vn颗粒加入量占h13热作模具钢的质量比为0.1％
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0.5％，加入尺寸为1
‑
10mm。
[0016]
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述vn颗粒中v含量为50
‑
80％，收得率为40
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90％；n含量为10
‑
18％，收得率为20
‑
70％。
[0017]
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s5中氮铬铁合金加入量占h13热作模具钢的质量比为0.2％
‑
3％。
[0018]
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s3中保护气为ar，ar气气压为0.03
‑
2mpa，真空度为0.6
‑
1.5pa。
[0019]
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述熔炼后期为：出炉前5
‑
15min。
[0020]
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种具有高强韧性和耐磨性的h13钢，所述h13钢为(0.30％～0.40％)c；(0.80％～1.20％)si、(1.10％～1.80％)mo、(5.00％～5.50％)cr、(0.80％～1.20％)v、(0％～0.05％)n。
[0021]
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
[0022]
1、h13钢基体具有更好的强韧性和耐磨性，加入vn颗粒及氮铬铁合金在于凝固过程中碳氮化钒析出温度更高，析出量更大，可以有效细化马氏体板条，从而获取强度更高的基体。
[0023]
2、在获取大量细小的碳氮化钒以外，还可以成为m23c6相的有效形核位点，以此来细化该相且有效阻止晶界迁移，有效的细化了马氏体钢中两类主要强化相，通常情况下，这是其他元素难以达到的目的。
[0024]
3、工艺简单，成分容易调整，只需在冶炼时，注意通保护气，防止n元素大量烧损。
[0025]
4、本发明在h13钢获取更高冲击韧性和强度的同时，提高其耐磨性。
[0026]
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
[0027]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0028]
图1为本发明一个实施例提供的添加0.1
‑
0.5％vn颗粒及0.2％
‑
3％氮铬铁合金的h13钢的金相图；
[0029]
图2为本发明一个实施例提供的添加0.1
‑
0.5％vn颗粒及0.2％
‑
3％氮铬铁合金的
ebsd图；
[0030]
图3为本发明一个实施例提供的添加0.1
‑
0.5％vn颗粒及0.2％
‑
3％氮铬铁合金的拉伸断口的形貌图；
[0031]
图4为本发明一个实施例提供的添加0.1
‑
0.5％vn颗粒及0.2％
‑
3％氮铬铁合金的碳氮化钒的sem图。
【具体实施方式】
[0032]
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
[0033]
应当明确，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
[0035]
本发明提供一种具有高强韧性和耐磨性的h13钢及其熔炼方法，所述熔炼方法通过在熔炼后期加入vn颗粒及氮铬铁合金提高h13钢强韧性的基础上增加其耐磨性能。其中，vn颗粒的加入量为0.1％
‑
0.5％，加入尺寸为1
‑
10mm；氮铬铁合金加入量为0.2％
‑
3％。加入方法为：熔炼后期。本发明中所述vn颗粒为vn合金，包括v元素和n元素，其中，vn颗粒中v含量为70
‑
80％，收得率为80
‑
90％；n含量为12
‑
16％，收得率为30
‑
45％。氮铬铁合金中n含量为3
‑
20％，收得率为10
‑
60％。h13废钢熔清并停止加热后，通入ar气，先将铝箔包裹的vn颗粒加入，并将功率调至15
‑
35kw进行冶炼，熔清后再将氮铬铁合金加入。ar气气压为0.03
‑
2mpa，真空度为0.6
‑
1.5pa。
[0036]
实施例1
[0037]
将进行过热处理的钢切割出10mm
×
10mm
×
15mm的小块，经过60#、400#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#，再使用0.5μm的抛光膏在抛光机上进行抛光，并使用5％硝酸溶液进行腐蚀。在型号为olympusgx51的光学显微镜上观察h13钢的显微组织，如图1所示。
[0038]
实施例2
[0039]
和实施例1不同的是在砂纸打磨后，采用电解抛光。电解抛光液为20％高氯酸酒精溶液，电压为20v，电流为0.7a，室温抛光，电解时间为25s。在型号为phi710的原位扫描俄歇探针上观察h13钢中马氏板条宽度及相之间的取向关系，如图2所示。
[0040]
实施例3
[0041]
在h13钢进行拉伸实验结束后，使用geminisem 500场发射扫描电子显微镜对其断口形貌进行观察。电压为20kv，工作距离13.4mm，放大倍数2000，二次电子发射信号。如图3所示，为等轴韧窝，且韧窝尺寸细小，为韧性断裂。
[0042]
实施例4
[0043]
和实施例3不同的是观察h13钢加入vn颗粒及氮铬铁合金后，其mx相的尺寸及形貌。如图4所示，mx型强化相尺寸约200nm，形状为球状。
[0044]
由实施例1、实施例2、实施例3、实施例4可见，h13钢中加入vn颗粒及氮铬铁合金
后，韧性显著提高，马氏体板条细化，组织细小均匀。
[0045]
以上对本申请实施例所提供的一种具有高强韧性和耐磨性的h13钢及其熔炼方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
[0046]
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
[0047]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0048]
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0049]
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。