一种热冲压模具钢及其生产方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及模具钢制造领域，具体涉及一种热冲压模具钢及其生产方法。
【背景技术】
[0002] 通常按模具使用对象将模具钢分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大 类。热冲压模具钢属于热作模具钢，热冲压模具钢是近几十年使用量急剧上升和消耗最大 的模具钢之一，它的工况条件比一般热作模具钢还更复杂。
[0003] 随着汽车行业的高速发展，以及汽车轻量化需求的不断提高，热冲压成形工艺主 要用于获得具有超高强度的冲压件。在获得超高强度钢时，由于冷冲压成形工艺所需的成 形力极大，容易导致模具损坏、设备震动，且还易产生破裂、起皱、反弹、尺寸精度不良等问 题。因此，原有的冷冲压成形工艺不再能满足技术和生产发展的需要，而热冲压成形工艺利 用了金属在高温状态下，其塑性和延展性迅速增加，屈服强度迅速下降。
[0004] 钢板热冲压过程是将特殊的高强度钢板加热到奥氏体温度范围，快速移动到模具 中，快速冲压，在压机保压状态下通过布置有冷却回路的模具（而不是空气），对零件进行 淬火冷却（并要保证一定的冷却速度），最后获得超高强度冲压件（组织为马氏体，强度 在1500MPa左右甚至更高）。在工作时，由于模具与加热的坯料直接接触，当炽热的金属放 入热冲压模具型腔时，型腔表面急剧升温，且冲压和保压时表层产生压应力和压应变，这使 得模具需要较好的热强性和热稳定性；在保压过程中通过带有冷却水道的模具对零部件淬 火，为了使模具能很快地把钢板的热量带走和保证模具在服役过程中的精度，模具材料必 需具有较大的导热系数和较小的热膨胀系数；当金属件取出时，型腔表面由于急剧降温而 受到拉应力和拉应变作用，在这种交替变换温度的工况下模具极易产生热疲劳；并且热冲 压模具钢在服役过程中，还要受到较大冲击载荷，因此模具需具备优良的韧性；为防止模具 表面在服役过程中产生的拉毛，模具还需具有较高的硬度。另外，由于奥氏体化后钢板从炉 内转移到模内过程中与氧气和水接触产生大量氧化皮，模具使用过程中脱落的碳化物颗粒 等在模具与工件相对运动过程中产生磨损，要求模具有较好的耐磨性能。因此，复杂的工况 要求热冲压模具材料具有较高的热导率、热强度、硬度、冲击韧性、耐磨性、淬透性和热稳定 性和抗冷热疲劳性能等。
[0005] 目前，我国最常使用的热冲压模具钢采用的是国家标准GB/T1299-2000中钢号 为4Cr5MoSiVl (相当于北美标准H13钢）。这种热冲压模具钢的化学成分采用C 0. 32~ 0. 45wt%、Cr 4. 75 ~5. 50wt%、Mo 1.20 ~1.75wt%、V 0. 80 ~1.20wt%、Si 0. 80 ~ 1. 2wt%、Mn 0· 20~0· 5wt%、P彡0· 03wt%、S彡0· 03wt%。目前，日本企业采用的是热 作模具钢SKD61 (相当于北美标准H13钢），瑞典热冲压模具供应商采用的是ORVAR，德国企 业采用的是CR7V和1. 2379。
[0006] 中国专利CN102650020公布了一种高硅高锰型高热稳定性热作模具钢及其热处 理工艺，该钢的特征在于化学成分中高含量的硅元素和锰元素的比例保持为1 :1不变，各 主要合金元素的质量百分比为：C 0· 25~0· 45%，Si 0· 8~2. 0%，Mn 0· 8~2. 0%，Cr 3· 5 ~4· 5%，Mo 0· 6 ~I. 2%，V 0· 4 ~0· 8%，P < 0· 02%，S < 0· 02%，Fe 余量，采用了 淬火并回火两次的工艺，得到回火马氏体组织。
[0007] 中国专利CN102676752公开了一种用于汽车锻模的H13钢热处理，淬火加热分为 三段，淬火后采用多次回火达到稳定回火组织的目的，但是，该工艺使用模块长度确定淬火 保温时间，而在模具的实际热处理生产中，采用模具厚度来确定淬火和回火保温时间更加 合理和精确。
[0008] 中国专利CN102586716公开了一种用于热作模具钢表面强化的耐磨金属陶瓷涂 层及其制备方法，金属陶瓷涂层与基体是全部不同的材料，基体材料与涂层之间有明显的 界面并不是良好的冶金结合；中国专利CN102650029也公开了一种热作模具钢表面纳米陶 瓷复合涂层材料的制备方法，将混合均匀后的纳米级Al203、Ti02W浆通过液相喷雾造粒，粉 体烧结后，筛选出40 μ m~60 μ m的喷涂喂料；采用等离子喷涂在经过预处理的基体试样上 直接喷涂镍包铝涂层，最后在制备好的过渡层之上采用等离子喷涂制备A1203/Ti02纳米 陶瓷复合涂层，可以提高模具表面显微硬度高、耐磨性能，但是，涂层技术工艺非常复杂，对 模具表面清洁度要求很高，对于小批量的模具使用尚可，不适用于大量的工业应用。
[0009] 中国专利CN101215680公开了一种铝合金压铸模具钢表面喷丸强化处理的方法， 铝合金压铸模具钢进行淬火并三次回火热处理后，将模具钢放在喷丸装置的载物台上进行 喷丸处理；控制在物探转速、喷丸喷射角、喷射压力、喷丸直径和硬度、喷射时间等参数，使 模具表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余应力，由于表 面压应力的存在，当模具承受载荷时可以抵消一部分抗应力，从而提高疲劳强度。喷丸强化 处理是通过塑形变形改变其应力分布达到强化目的，并不会改变模具表面的化学组成，但 是，经表面喷丸强化处理后，模具会存在尺寸变化，这对于热冲压模具高精度的尺寸要求是 不合适的。
[0010] 中国专利CN1970825公布了一种热作模具钢表面低温渗硼工艺，使用了表面纳米 化、去污、真空渗硼的工艺路线。其主要优点在于使热作模具除得到高硬度渗层和优良的耐 磨性，渗硼温度低，工件变形小，渗硼速度快，渗硼层可控，并且提高热疲劳性能，对环境无 污染，无须后续热处理，但是，其模具表面需要预先表面纳米化处理，也就是喷丸处理，不适 合对热冲压模具的强化处理。
[0011] 中国专利CN101928912公布了一种热作模具钢的低温渗碳方法，通过活性原子扩 散、与基体材料反应形成渐变的化合物或固溶体扩散层，淬回火后的渗碳工件需后处理，而 渗碳处理包括非常复杂的淬火与回火工艺，而且回火温度较高，造成基体硬度较低。
[0012] 中国专利CN1386893公开了一种热作模具钢表面等离子体稀土处理方法，以混合 稀土合金离子注入提高热作模具钢的抗热疲劳性能，其主要特点在于混合稀土铈镧混合稀 土合金离子注入提高热作模具钢的抗热疲劳性能。但是，离子注入用于模具有很大局限性， 它对于复杂形状的凹凸表明不能处理，注入层很薄一般以纳米为单位进行计量，最大深度 也只有0. lym，而且，无论是离子注入设备还是稀土原料成本都非常昂贵，工艺很难控制， 并不适用于大生产。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的在于提供一种热冲压模具钢及其生产方法，该热冲压模具钢热导系 数为34. 3W/m · k，调质硬度为50~53HRC，冲击功为180~210J，组织为回火马氏体、回 火析出的二次碳化物及未溶碳化物组织共存的复合组织，硬度值高，能提高模具的耐磨性 能，能有效的防止模具表面的拉毛，经等离子表面渗氮后白亮层连续，表面硬度为860~ KMOHVa3，渗层厚度230~300 μ m，更能大大延长模具的使用寿命，对于磨损后的模具，经 修模和等离子渗氮可以重新投入使用，从而大大地提高模具的总使用寿命。
[0014] 为了达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：
[0015] -种热冲压模具钢，其化学兀素重量百分含量为：C :0. 45~0. 50%，Si :0. 1~ 0· 3%，Mn :0· 1 ~0· 3%，Cr :2. 0 ~2· 3%，Mo :2· 3 ~2. 5%，V :0· 8 ~I. 0%，P 彡 0· 03%， S彡0. 03%，其余为Fe和其他不可避免的杂质，且满足关系式：Mo/Cr = 1~I. 25，V/Cr = 0. 35 ~0. 43。
[0016] 获得的热冲压模具钢的热导系数为34. 3W/m · k，调质硬度为50~53HRC，冲击功 为180~210J，组织为回火马氏体、回火析出的二次碳化物及未溶碳化物组织共存的复合 组织，该组织强韧性配合好，耐磨性高。
[0017] 在本发明采用低硅、锰含量，较高的钼/铬、钒/铬比值的成分设计，均匀化宏观组 织，细化微观组织，增加塑性和韧性，提高钢的韧性和抗热疲劳性能，具体地：
[0018] C :碳元素是影响钢的成分偏析和钢的组织均匀性的重要元素，在热导率方面：碳 元素以第二相形式存在时对钢导热能力的损害比以固溶形式存在于基体时小，它可使强碳 化物以及Mn弱碳化物从基体进入碳化物中，从而提高热导率，因此本发明平衡碳与铬和钼 的成分配比，尽量使得铬和钼都形成碳化物，而又不使碳含量过高；同时，碳是高热强性热 作模具钢的主要化学元素之一，一部分碳元素进入基体起到固溶强化的作用，另一部分则 形成铬碳化物、钼碳化物、钒碳化物和各种类型碳化物，其中的一些合金碳化物能在回火过 程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生二次硬化现象，因此，本发明采用较高的碳含量。
[0019] Mn :在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，钢中含有Mn可以改变钢在凝固 时所形成的氧化物的性质和形状。同时，它与S有较大的亲合力，可以避免在晶界上形成低 熔点的硫化物F