一种高耐热奥氏体模具钢及其制备方法
【专利摘要】一种高耐热奥氏体模具钢及其制备方法,该钢化学成分重量百分比为:C:0.61~0.79%,Si:1.20~1.40%,Mn:12.5~15.0%,Cr:6.5~7.0%,Mo:1.0~3.0%,V:1.0~2.0%,P≤0.02%,S≤0.005%,其余为Fe及不可避免的杂质,且需同时满足:C=0.025Mn+0.03Cr+0.10V。本发明解决了马氏体热作模具钢在680℃下高温强度和硬度不足的问题,制备的奥氏体热作模具钢在650℃保温条件下的热强性指标为:650℃持续保温2.5h后的洛氏硬度在HRC45以上;650℃持续保温5.0h后的洛氏硬度在HRC45以上。与传统的马氏体3Cr2W8V热作模具钢相比,本发明钢的热强性能提升50%以上,适用于制造高温合金挤压模具,能在680℃工作温度下取代通用的马氏体热作模具钢。
【专利说明】
一种高耐热奥氏体模具钢及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及热作模具钢,具体涉及一种高耐热奥氏体模具钢及其制备方法,尤其 涉及一种在680°c工作温度下仍具有高温强度和高温硬度的热作模具钢及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 高耐热模具钢属于热作模具钢的材料范畴,热作模具钢是用于制造加热到再结晶 温度以上的金属或液态金属成型的模具用钢。该类模具钢主要用于制造锤锻模、压力机锻 模、热挤压模和压铸模,在工作中既受较大冲击载荷的作用又受急冷急热或高温的作用,从 而使模具的工作条件复杂化、恶劣化。而且模具在工作时与热金属接触,模腔表面会受热升 温至300~400 °C(热锻模)、500~800 °C (热挤压模)。因此,热作模具钢应具有足够的高温强 度和硬度。
[0003] 目前,国内外模具材料市场上应用最广泛的热作模具钢材料是马氏体钢,例如 302¥8¥(成分质量百分数为:(::0.30~0.40%,51刍0.40%,]\111刍0.40%,0 :2.20~ 2.70%,W:7.50~9.00,V:0.20~0.50%,P刍0.030%,S刍0.030%),它们的热处理工艺为 淬回火型,其淬回火组织为回火马氏体+基体上分布的弥散的碳化物强化相,当温度达到 650°C时,它们都不可避免地发生回复软化,回火马氏体基体分解,碳化物聚集长大,基体软 化,导致材料失效。
[0004] 传统的热作模具钢3Cr2W8V钢采用电炉炼钢、锻造成材、调质热处理(淬火+回火) 的工艺制造,热处理工艺采用1050~1070°C淬火+550~570°C回火,其关键的热强性指标 为:650°C持续保温2.5h后的洛氏硬度HRC30; 650°C持续保温5. Oh后的洛氏硬度HRC25。在高 温下持续服役会导致回火马氏体组织的分解和细小碳化物的聚集长大,导致材料晶界结合 力的松懈引起材料的最终失效,这样的马氏体模具钢材料制造的热作模具在680Γ应用过 程中,使用寿命将受到很大限制。
[0005] 中国专利CN1924069A公开了马氏体类型的调质高热强性热作模具钢材质,其化学 成分的控制范围是:Cr:3.5~4.0%,Μ〇:2·0~2.5%,V:1.0~1.5%,W:1.0~1.5%,Mn:0.1 ~0.5%,Ni:0.1~0.25%,C :0.3~0.35%,Si:0.1~0.5%,S:0.005~0.01%,P:0.01~ 0.02%,余量为Fe;其强化的机理主要是通过马氏体相变,并获得回火索氏体组织和合金碳 化物的强化作用来达到高强韧性的作用,但是这种马氏体类型热作模具钢最高抗热强度的 温度不易超过610°C,若材料服役温度达到680°C,会发生材料的高温软化行为,材料的强度 和硬度急剧下降,导致材料的失效。
[0006] 美国专利US2010/0193089公开了一种高碳高钨钼型的高强性热作模具钢材料,其 化学成分的控制范围是:C:0.34~0.40%,Cr:4.9~5.5%,Si:0.3~0.5%,Μη:0·45~ 0.75%,V:0.5~0.7%,(Mo+l/2W)2.5-2.9%,Ni〈0.5% ;主要通过提高碳含量和铬、钨钼含 量来增加碳化物种类的析出强化,达到增强材料的高温强度和硬度,但是从本质上来说,这 种材料也属于马氏体类型高热强性热作模具钢,其最高的服役温度也不易超过600°C,若超 过该温度会发生碳化物的聚集和长大,强化作用衰竭后导致材料的高温硬度下降。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种高耐热奥氏体模具钢及其制备方法,解决现有马氏体 热作模具钢在680Γ下高温强度和硬度不足的技术问题,提升热作模具钢在680°C高温工作 条件下的热强性,适用于铜合金的压铸模具,耐热合金、高温合金、铜镍合金等高热强性材 料的热挤压成型模具,以及钛合金蠕变成形用模具的制造。
[0008] 为达到上述目的,本发明的技术方案是:
[0009] 本发明采用价格较低的锰元素作为材料合金成分中的主要合金元素,使材料获得 稳定的奥氏体组织基体,并在合金元素的固溶强化和析出强化的复合作用下达到高热强性 能。并且,可以进一步改善制造成本,使得材料制造更加经济,提高制造企业的产品竞争力。
[0010] 一种高耐热奥氏体模具钢,其化学成分重量百分比为:C: 0.61~0.79%,Si : 1.20 ~1.40%,Μη:12·5~15.0%,Cr:6.5~7.0%,Μ〇:1·0~3.0%,V:1.0~2.0%,P彡0.02%,S 彡0.005%,其余为?〇及不可避免的杂质,且上述元素需同时满足如下关系< =0.025111+ 0.03Cr+0.10V。
[0011] 进一步,所述高耐热奥氏体模具钢的微观组织为单一的奥氏体组织。
[0012] 本发明所述高耐热奥氏体模具钢在650°C持续保温2.5h后的洛氏硬度为HRC45以 上;650 °C持续保温5. Oh后的洛氏硬度为HRC45以上。
[0013]在本发明钢的成分设计中:
[0014] 碳:碳是扩大奥氏体区域的元素,当碳含量增加时,可以适当降低锰的含量,从而 减轻钢的冷作硬化现象。同时,碳含量的提高,可以提高基体的强度,并可以和其他合金元 素形成不同的碳化物,达到强化基体的效果。但,碳含量过高时,将对钢的韧性造成负面影 响,并降低钢的抗冷热疲劳性能。因此,本发明控制碳含量为〇. 61~0.79%。
[0015] 硅:硅是钢中常见的元素之一,硅和氧的亲和力仅次于铝和钛,而强于锰、铬、钒, 所以在炼钢过程中,硅用作还原剂和脱氧剂。硅在钢中不形成碳化物,而是以固溶体的形态 存在于奥氏体中,它提高钢中固溶体的强度和冷加工变形硬化率的作用极强,仅次于磷。为 了脱氧良好,高锰钢中硅含量应不小于1.20%。为防止硅含量过低而引起的材料冲击韧度 和耐磨性的下降,建议其含量控制在1.20~1.40%。此外,硅有利于碳化物在高温时效过程 中析出,还可以增加析出碳化物的弥散度,提高高温抗氧化能力和基体抗力。因此,本发明 控制硅含量为1.20~1.40%。
[0016] 锰:锰是本发明钢中形成奥氏体的基本元素,因此,锰含量大幅提高,使得材料的 奥氏体相足够的扩大,这样可以使材料在高温冷却后的组织仍然是奥氏体组织,获得单一 的奥氏体组织的相,构成本发明的基本显微组织。但也要控制锰含量上限,因为高锰钢存在 冷作硬化现象,当其含量过高时,不利于机加工。因此,锰的含量要选在合理的范围内,本发 明控制锰含量为12.5~15.0 %。
[0017]铬:铬加入钢中能显著改善钢的机加工性能和抗氧化性能,增加钢的抗腐蚀能力。 铬也可溶入奥氏体中,起固溶强化作用,在材料的冷却过程中析出相应的合金碳化物起到 强化作用。另外,铬与锰的配合可形成稳定的奥氏体,因此可以减少锰的加入量。本发明控 制铬含量为6.5~7.0%。
[0018]钼:钼属于缩小奥氏体相区的元素,钼在钢中存在于固溶体相和碳化物中。在碳化 物相中,当钼含量较低时,与铁及碳形成复合的渗碳体;当钼含量较高时,则形成它自己的 特殊碳化物。钼的扩散速度远小于碳的扩散速度。钼在钢中的作用可归纳为提高淬透性、提 高热强性、防止回火脆性、提高剩磁和矫顽力,提高在某些介质中的抗蚀性与防止点蚀倾向 等。在奥氏体钢中,钼溶入奥氏体中,固溶强化基体,也可以形成碳化物,增强了钢的高温强 度、硬度和耐磨性。当钼的含量超过3%时,容易造成钢的脱碳,其含量要得到合理控制,本 发明控制钼含量为1.0~3.0%。
[0019] 钒:钒是强化铁素体和奥氏体相区形成元素之一,它与碳、氮、氧都有极强的亲和 力,与之形成相应的极为稳定的化合物。在钢中钒主要以碳化物的形态存在。它在钢中的主 要作用是:细化钢的组织和晶粒,提高晶粒粗化温度,从而降低钢的过热敏感性,并提高钢 的强度和韧性;增加钢的回火稳定性。
[0020] 在奥氏体热作模具钢中,主要起强化作用的是钒的碳化物,钒是强碳化物形成元 素,在时效过程中,通过钒与碳的结合,弥散析出大量的VC,强化基体。碳化钒的显微硬度 (HV)达2500~2800,当其含量超过一定值后,就会因共格析出合金碳化物而硬化。钒在奥氏 体热作模具钢中,还可以细化奥氏体晶粒,增加钢的强度和韧性,提高钢的耐磨性。综合考 虑,本发明控制钒含量为1.0~2.0 %。
[0021] 磷:磷在高锰钢中是非常有害的元素,其在钢液中溶解度极低,并常以磷化物薄膜 出现在晶界上,使铸件易于产生裂纹,特别是碳含量高时,更加剧了磷的这一危害性。
[0022] 硫:一般认为硫是残存在钢中的有害元素之一,所以在优质钢中规定其含量不得 大于0.04%,即使在普通碳素钢中,也限定不得大于0.055%。
[0023] 对于奥氏体钢,钢中磷和硫在凝固过程中形成磷化物和硫化物在奥氏体晶界沉 淀,因而产生晶间脆性,使钢的塑性降低,还会使钢锭锻乳时在偏析区产生裂纹,降低了钢 的力学性能。因此,本发明控制P<0.020%,S<0.005%。
[0024] 本发明所述化学成分还需满足数学关系式:C = 0.025Mn+0.03Cr+0.10V。因为在本 发明中Μη是奥氏体组织形成元素,和C满足上述关系时才能形成稳定的奥氏体组织,而Cr和 V均是强碳化物形成元素,和C满足上述关系时才能使钢的显微组织得到细小的合金碳化物 分布在奥氏体基体组织中,强化基体并能够大幅提高热稳定性能。
[0025] 本发明所述高耐热奥氏体模具钢的制备方法,其包括如下步骤:
[0026] 1)冶炼
[0027] 按照上述化学成分,采用感应炉进行熔炼,之后浇铸成钢锭,再进行电渣重熔;
[0028] 2)锻造
[0029] 钢锭进加热炉加热,钢锭入炉温度为500~600°C,以80~100°C/h的升温速度加热 至1210~1250Γ,保温2~4小时;再进行锻造加工,始锻温度为1080~1130°C,终锻温度彡 900。。;
[0030] 3)热处理
[0031] 固溶处理+时效处理,其中,固溶温度为1050~1220°C,时效温度为650~780°C。
[0032]进一步,所述高耐热模具钢的微观组织为单一的奥氏体组织。
[0033] 本发明所述高耐热模具钢在650 °C持续保温2.5h后的洛氏硬度HRC45以上;650°C 持续保温5. Oh后的洛氏硬度HRC45以上。
[0034]本发明的主要工艺参数控制如下:
[0035] 本发明步骤2)钢锭在加热炉内以80~100°C/h的升温速度加热至1210~1250 °C后 保温2~4小时:在加热过程中,钢锭的热应力敏感性较高,容易产生应力裂纹,本发明将钢 锭的入炉温度控制在500~600 °C,升温速度控制在80~100°C/h可以防止钢锭在加热过程 中产生热应力裂纹;在加热至1210~1250°C后保温2~4小时,使得钢锭的整个表面至芯部 的温度都可保持均匀,可以改善钢锭的可锻性,防止钢在锻造过程中的开裂倾向,并改善钢 的显微组织和合金成分的均匀性,提高钢的强度和韧性。
[0036] 经过径锻机锻造开坯的始锻温度为1080~1130°C :由于本发明钢在1080~1130°C 范围内是奥氏体单相组织区域,有着最佳的高温热塑性,有利于高温变形加工处理,不容易 产生高温热加工开裂。
[0037] 本发明控制锻造过程中径锻机终锻温度多900°C :由于钢锭终锻温度对钢锭锻造 质量有着重要的影响,终锻温度低于900°C,导致材料塑性下降,非常容易引起钢锭在径锻 机锻造过程中产生钢锭开裂。
[0038] 本发明将热处理固溶温度控制在1050~1220°C,时效温度控制在650~780°C:在 1050~1220Γ温度范围下,本发明钢材料的奥氏组织可以促使合金元素大量溶入基体,提 高合金度,增强固溶强化效果。同时,在进行时效处理650~780°C过程中,弥散析出细小的 第二相粒子,通过沉淀强化提高材料强度和硬度。
[0039] 本发明所述高耐热奥氏体热作模具钢选择锰作为稳定奥氏体化元素,高锰钢中碳 化物的析出量较多,碳化物本身溶解度较高,溶解速度较慢,析出后在高温下长时间加热表 现出良好稳定性和较慢的长大速度,有利于材料的高温强度;此外,锰作为稳定合金化元 素,其价格较低,具有明显的成本优势,在经济高速发展、能源紧缺的当今时代,具有深远意 义。
[0040] 本发明采用单相奥氏体组织中的碳化物固溶强化和时效过程中的细小碳化物析 出强化的复合作用达到材料的高热强性,是属于非马氏体相变材料,制备得到的奥氏体热 作模具钢不论在常温或高温工作条件下,基体始终保持奥氏体状态,可避免产生马氏体钢 的回复软化问题。该奥氏体热作模具钢的服役温度可达到680°C以上,高温下的强化机理与 现有技术有本质上的区别。
[0041 ]本发明的有益效果:
[0042]针对马氏体热作模具钢在680°C下高温强度和硬度不足的问题,本发明钢选取价 格较低的锰元素作为主要稳定奥氏体合金元素,以铬、钼、钒合金元素作为主要的基体固溶 强化元素和析出弥散强化相形成合金元素,制备得到的高热强性奥氏体热作模具钢在680 °(:温度下具有良好的热稳定性能,该钢在650°C保温条件下的关键热强性指标为:650°C持 续保温2.5h后的洛氏硬度在HRC45以上;650°C持续保温5. Oh后的洛氏硬度在HRC45以上,与 传统的马氏体3Cr2W8V热作模具钢相比,本发明钢的热强性能提升50%以上。
[0043]本发明开发的模具用钢热处理变形小,价格低,具有较高的高温热强性能,适用于 制造高温合金挤压模具,能在680°C工作温度下取代通用的马氏体热作模具钢。
【附图说明】
[0044] 图1为本发明实施例7钢在固溶保温后的典型金相照片。
[0045] 图2为本发明实施例7钢在固溶+时效保温后的典型金相照片。
[0046] 图3为本发明实施例7钢与3Cr2W8V钢在650°C保温热稳定性能对比。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
[0048] 表1为本发明实施例钢的成分,表2为本发明实施例钢的制备工艺参数,表3为本发 明实施例钢的尚温耐热性能指标。
[0049] 本发明实施例制造工艺如下:
[0050] 按照表1中的化学成分,采用感应炉进行熔炼,之后浇铸成钢锭,浇铸成的钢锭将 作为自耗电极放置于电渣重熔装置中,进行电渣重熔,液体金属经过渣池的渣层下落至下 面的水冷结晶器中,再重新凝固成1.0~1.5吨钢锭;将重新凝固的钢锭进加热炉加热,钢锭 入炉温度为500~600°C,在加热炉内以80~100°C/h的升温速度加热至1210~1250°C,保温 2~4小时;保温之后进行锻造加工,始锻温度1080~1130°C,终锻温度彡900°C。热处理固溶 温度控制在1050~1220°C,时效温度控制在650~780°C,具体工艺参数参见表2。
[00511检测本发明实施例制备的奥氏体热作模具钢在650 °C持续保温2.5h后的洛氏硬 度;650 °C持续保温5. Oh后的洛氏硬度,具体检测结果参见表3。
[0052]图1为本发明实施例7钢在1170Γ固溶保温后的典型金相照片。由图1可知,钢中大 部分碳化物都溶入奥氏体基体中起到固溶强化作用,但仍有少量未溶碳化物,尺寸在5μπι左 右,这些碳化物多数在基体上,晶界上较少。由于这些碳化物钉扎在奥氏体基体上,可阻止 奥氏体在固溶过程中的长大,提高钢的韧性。
[0053]图2为本发明实施例7钢经过1170°C固溶及700°C时效保温4小时后的典型金相照 片。由图2可知,时效后奥氏体晶粒度基本没有变化,即在时效过程中,奥氏体没有长大,此 外有大量细小析出相经时效后形核析出,弥散分布于基体上,显著强化材料性能。
[0054]由表3可知,本发明制备的钢在650 °C持续保温2.5h后的洛氏硬度在HRC45以上; 650 °C持续保温5. Oh后的洛氏硬度在HRC45以上,具有优良的热稳定性能。可见,本发明提供 了一种在680°C高温使用条件下具有良好高温强度的奥氏体热作模具钢材料。
[0055]针对高温强度,热作模具钢在工作时的主要性能指标体现为高温下材料的抗软化 能力,因此,本发明选择高温条件下的硬度随着时间变化的数据指标来反映其抗高温软化 能力,以此来评定其热强性的优劣。
[0056] 图3为本发明实施例7钢在热处理工艺为1170°C固溶700°C时效后在650°C热稳定 性能与3Cr2W8V经1050°C淬火+560°C回火后在650°C热稳定性能的对比。由图3可知,本发明 钢在650°C保温过程中,硬度稳定在45HRC以上,而3Cr2W8V随保温时间延长,硬度下降趋势 明显,最终硬度只有20HRC左右,完全无法满足模具工作的性能要求。
[0057]表 1 单位:wt%
【主权项】
1. 一种高耐热奥氏体模具钢,其化学成分重量百分比为:C: 0.61~O .79%,Si:l. 20~ 1.40%,Mn:12.5~15.0%,Cr:6.5~7.0%,Mo :1.0~3.0%,V:1.0~2.0%,P<0.02%,S< 0.005%,其余为Fe及不可避免的杂质,且上述元素需同时满足如下关系:C = 0.025Mn+ 0.03Cr+0.10V。2. 根据权利要求1所述的高耐热奥氏体模具钢,其特征在于,所述高耐热奥氏体模具钢 的微观组织为单一的奥氏体组织。3. 根据权利要求1或2所述的高耐热奥氏体模具钢,其特征在于,所述高耐热奥氏体模 具钢在650 °C持续保温2.5h后的洛氏硬度在HRC45以上;650 °C持续保温5. Oh后的洛氏硬度 在HRC45以上。4. 如权利要求1-3任一项所述高耐热奥氏体模具钢的制备方法,其包括如下步骤: 1) 冶炼 按照权利要求1所述化学成分采用感应炉进行熔炼,之后浇铸成钢锭,再进行电渣重 熔; 2) 锻造 钢锭进加热炉加热,钢锭入炉温度为500~600°C,以80~100°C/h的升温速度加热至 1210~1250°C,保温2~4小时;再进行锻造加工,始锻温度为1080~1130°C,终锻温度彡900 °C; 3) 热处理 固溶处理+时效处理,其中,固溶温度为1050~1220 °C,时效温度为650~780 °C。5. 根据权利要求4所述的高耐热奥氏体模具钢的制备方法,其特征在于,所述高耐热奥 氏体模具钢的微观组织为单一的奥氏体组织。6. 根据权利要求4或5所述的高耐热奥氏体模具钢的制备方法,其特征在于,所述高耐 热奥氏体模具钢在650°C持续保温2.5h后的洛氏硬度在HRC45以上;650°C持续保温5. Oh后 的洛氏硬度在HRC45以上。
【文档编号】C22C38/04GK105950969SQ201610289982
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】续维, 赵亮
【申请人】宝钢特钢有限公司