专利名称：新型变质热作模具钢的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的热作模具钢材料。
背景技术：
当前全世界的模具市场总产值约为600～650亿美元，在工、模具钢市场中热作模具钢占20％左右。因此，热作模具的使用寿命和制造成本决定了设备的生产效率和产品的制造成本。
目前世界绝大多数国家的热作模具的使用寿命偏低，因此，提高热作模具使用寿命，降低其制造成本，提高设备工作效率，是模具行业多年来一直亟待解决的重大问题，具有重大的国民经济意义。
国内外在热作模具钢的成分设计，强韧化及微合金化处理等方面一直在开展大量的研究与开发工作，并开发出一些热作模具钢，如表1所示，但性能并不十分令人满意，急需进一步研究与开发新型热作模具钢。
发明内容
本发明的目的是提出一种新型高寿命热作模具钢，通过提高热作模具钢的抗热机械疲劳、抗磨损、抗塑性变形等能力，以提高热作模具的使用寿命、降低模具综合成本、提高设备的工作效率。
本发明新型变质热作模具钢由以下主要化学成分按重量百分比组成C0.200～0.350，Cr7.000～13.000，Mo0.800～2.000，Ni0.600～1.500，V0.300～1.200，Mn0.200～0.600，Si0.700～1.500，S≤0.040，P≤0.040，N0.005～0.100，Ti0.050～0.200，Ca0.001～0.050，Fe余量。
在以上成分组成中还可加入Ce0.005～0.100或Y0.005～0.100或同时加入Ce0.005～0.100、Y0.005～0.100作为复合变质元素，以改善新型变质热作模具钢的微观组织来提高其综合性能。经变质后，新型变质热作模具钢的硬度、强度略有提高，而常温冲击韧性与抗热机械疲劳等性能明显提高。
热作模具的主要失效形式为热机械疲劳裂纹、磨损、塑性变形等。由于本发明技术方案通过优化C、Cr、Mo、Ni、V、N等元素组分，提高了新型热作模具钢的红硬性、热稳定性、抗氧化性、抗热机械疲劳性与抗磨性等；通过加入Y、Ce、细化了晶粒、减少了钢液中的O、S等有害元素与改善了夹杂物的形态及凝固组织，进一步提高了新型热作模具钢的综合性能与热作模具的使用寿命。
本发明新型变质热作模具钢的熔炼与通常热作模具钢的熔炼方法相同。本发明新型变质热作模具钢经预处理、淬火及两次回火热处理，最终得到的组织是大量的马氏体和少量的贝氏体、铁素体与残余奥氏体。
图1(a)是采用本发明新型变质热作模具钢制造的铜合金汽车变速箱同步环锻造模具。
(b)该模具用于16吨双盘摩擦压力机上进行现场锻造汽车变速箱同步环。
图2(a)是采用本发明新型变质热作模具钢制造的压铸铜合金汽车放气阀本体的压铸模具。
(b)铜合金放气阀本体压铸件图3(a)是采用本发明新型变质热作模具钢制造的铝合金外罩压铸模具(西门子)(b)铝合金外罩压铸件(西门子)具体实施方式
实施例1按本发明技术方案制取的19种组成成分的新型变质热作模具钢之实施例详见表2，从表2中可看出，本发明新型变质热作模具钢由以下主要化学成分按重量百分比组成C0.200～0.350，Cr7.000～13.000，Mo0.800～2.000，Ni0.600～1.500，V0.300～1.200，Mn0.200～0.600，Si0.700～1.500，S≤0.040，P≤0.040，N0.005～0.100，Ti0.050～0.200，Ca0.001～0.050，Fe余量。
在以上成分组成中还可加入Ce0.005～0.100或Y0.005～0.100或同时加入Ce0.005～0.100、Y0.005～0.100作为复合变质元素，以改善新型变质热作模具钢的微观组织来提高其强韧性。经变质后，新型变质热作模具钢的硬度、强度略有提高，而常温冲击韧性明显提高。
表2中1-5号试样，是在其组分中未含有Y、Ce的新型变质热作模具钢；6-9号试样，是在其组分中含有Y0.005～0.100的新型变质热作模具钢；10-12号试样，是在其组分中含有Ce0.005～0.100的新型变质热作模具钢；13-19号试样，是在其组分中同时含有Ce0.005～0.100、Y0.005～0.100的新型变质热作模具钢。
上述实施例试样制作条件采用250Kg中频感应电炉，不氧化法炼钢工艺。生铁、废钢熔清后，加入各种铁合金(Cr-Fe、Mo-Fe、Ni等)，出钢前加入V-Fe，在1600～1650℃插Al出钢，采用包内冲入法进行复合变质、孕育、净化处理，包内复合变质剂组成为Y、Ce、Ti-Fe、Si-Ca，其粒度为5～10mm。采用SiO2砂型浇注30(下底)×60(上底)×180(高)×300(长)mm的楔形试样。试样经淬火(1030～1080℃)及两次回火(520～660℃)热处理。冲击韧性(αK)值为4个无缺口(10×7×55mm)试样的平均值；硬度为6点平均值。
实施例2按本发明技术方案制取未加Y、Ce变质剂与加Y、Ce变质剂的新型变质热作模具钢。
1)新型变质热作模具钢成分实施例新型变质热作模具钢重量百分比成分如下C0.28，Cr7.80，Mo1.02，Ni0.76，V0.83，Mn0.26，Si0.76，S≤0.04，P≤0.04，N0.04，Ce0.00～0.03，Y0.00～0.01，Ti0.06，Ca0.03。
2)新型变质热作模具钢的熔炼与浇注采用250Kg中频感应电炉，不氧化法炼钢工艺。生铁、废钢熔清后，加入各种铁合金(Cr-Fe、Mo-Fe、Ni等)，出钢前加入V-Fe，在1600～1650℃插Al出钢，采用包内冲入法进行复合变质、孕育、净化处理，包内复合变质剂组成为Y、Ce、Ti-Fe、Si-Ca，其粒度为5～10mm。采用SiO2砂型浇注30(下底)×60(上底)×180(高)×300(长)mm的楔形试样。冲击韧性(αK)值为4个无缺口(10×7×55mm)试样的平均值；硬度为6点平均值。
3)新型变质热作模具钢的热处理淬火(1030～1080℃)及两次回火(520～660℃)热处理4.新型变质热作模具钢性能本实施例未加Y、Ce变质剂的新型变质热作模具钢在室温下，硬度在HRC42以上，冲击韧性在169J/cm2；加Y、Ce变质剂的新型变质热作模具钢在室温下，硬度在HRC42以上，冲击韧性在282～361J/cm2，室温的抗拉强度在1200MPa以上。用Y、Ce变质剂对本发明的新型热作模具钢进行变质处理，与未加Y、Ce变质剂的本发明新型热作模具钢相比，热疲劳性能提高了50～150％；冲击韧性提高了100～200％；(详见表3～5)。
实施例3采用本发明新型变质热作模具钢制造了用于16吨双盘摩擦压力机锻造铜合金汽车变速箱同步环的热作模具(锻造模具，详见附图1)，其使用寿命分别比原用3Cr2W8V热作模具钢或H13热作模具钢制造的相同热作模具的使用寿命提高了2倍以上或8倍以上。其现场使用寿命对比情况详见表6。
实施例4采用本发明新型变质热作模具钢制造了用于250吨压铸机压铸汽车用的铜合金放气阀本体的热作模具(压铸模具，详见附图2)，其使用寿命比原用3Cr2W8V钢制造的热作模具的使用寿命提高了1倍以上。其现场使用寿命对比情况详见表7。
实施例5采用本发明新型变质热作模具钢制造了汽车用铝合金机油泵壳体，铝合金接收机盖板，铝合金盒盖与铝合金外罩(详见附图3)等铝合金压铸件的压铸模具，目前正应用于实际生产中。
表1目前国内外已开发出的高铬热作模具钢的重量百分比成分C CrWMo V Ti NiMn专利号SiNbCe Co Y S B N0.50～2.506.50～11.00 ≤1.00 ≤4.00 3.00～15.00- - 0.10～2.00WO88/07093(塞内加尔)0.10～2.00- --- - - 0.500～1.5000.40～0.7512.00～19.00≤1.50 0.50～1.50 0.05～0.30 - ≤0.200.40～1.601395625(德国)≤0.70- --- 0.020～0.1500.008 ≤0.1000.10～0.503.00～13.001.00～8.00～3.00 0.01～1.00 - ≤1.50 ≤1.50JP11152549(日本)≤0.500.01～1.00 1.00～10.00 - - 0.003～0.0400.005～0.0500.05～0.255.00～13.001.00～8.00≤2.00 0.01～1.00 - ≤1.00 ≤0.30US2002182099(日本)≤0.300.01～1.00 - 1.00～10.00 - - 0.003～0.02 0.005～0.05
表2新型变质热作模具钢化学成分与力学性能试化学成分重量百分比力学性能样 硬度冲击韧性C Si Mn P S Cr Mo Ni V N Ti Y Ce Ca号 (HRC) (αkJ/cm2)10.205 0.704 0.304 0.026 0.014 7.019 0.882 1.461 0.304 0.005 0.051 \ \ 0.022 41.3 15820.255 1.462 0.232 0.028 0.018 9.813 1.072 1.063 0.965 0.052 0.052 \ \ 0.001 42.2 14630.309 0.745 0.237 0.023 0.016 10.498 1.577 0.633 0.588 0.098 0.064 \ \ 0.015 42.7 15240.348 0.911 0.254 0.032 0.018 12.935 1.986 0.934 1.167 0.045 0.061 \ \ 0.005 44.5 8350.298 0.738 0.238 0.024 0.014 8.374 0.881 0.759 0.789 0.063 0.058 \ \ 0.034 42.4 16860.283 0.761 0.366 0.024 0.015 9.213 1.078 1.306 0.510 0.008 0.061 \ \ 0.048 42.5 16670.251 1.023 0.385 0.016 0.013 7.795 1.060 0.972 0.852 0.006 0.058 0.005 0 0.015 42.3 19780.261 1.244 0.282 0.013 0.017 7.844 1.i38 1.326 0.645 0.342 0.054 0.039 0 0.032 43.4 28090.256 1.389 0.486 0.019 0.018 7.791 1.040 0.758 0.854 0.072 0.182 0.098 0 0.037 42.5 18610 0.263 0.835 0.284 0.011 0.017 7.801 1.339 0.959 0.450 0.081 0.067 0 0.005 0.034 44.1 20811 0.271 1.303 0.379 0.015 0.017 8.751 1.048 0.767 0.851 0.053 0.065 0 0.036 0.016 42.5 29712 0.241 1.362 0.282 0.014 0.019 7.704 1.246 1.353 0.955 0.045 0.165 0 0.096 0.033 44.2 19613 0.266 1.452 0.377 0.017 0.019 8.111 1.147 0.759 0.559 0.046 0.072 0.005 0.005 0.001 43.5 31315 0.268 0.917 0.270 0.012 0.017 8.723 0.883 0.762 0.842 0.039 0.064 0.038 0.016 0.033 44.6 35615 0.265 1.275 0.470 0.011 0.017 7.771 1.234 1.476 0.945 0.012 0.149 0.093 0.095 0.046 42.5 25616 0.274 0.985 0.266 0.010 0.017 9.733 0.918 1.113 0.533 0.045 0.065 0.012 0.028 0.018 43.5 36317 0.292 1.468 0.370 0.012 0.017 10.255 1.233 0.762 0.642 0.051 0.094 0.03 0.01 0.035 44.6 31618 0.315 1.299 0.268 0.013 0.017 12.224 1.545 0.956 1.045 0.068 0.053 0.035 0.013 0.007 44.1 23619 0.334 1.138 0.364 0.012 0.017 12.942 1.935 1.384 1.153 0.088 0.118 0.012 0.032 0.019 44.5 228
表3 新型变质热作模具钢的冲击韧性(J/cm2)本发明模具钢未加Ce、Y变质Y变质Ce变质Y-Ce复合变质冲击韧性 169 282 296 361表4新型变质热作模具钢的抗热疲劳性能(主裂纹长度mm)热疲劳循环次 未加Ce、Y变质 Ce变质 Y-Ce变质数Y变质500次循环 0.8 0.60.5 0.31000次循环 1.8 l.31.4 0.83000次循环 2.5 1.51.6 1.2表5加Ce、Y变质新型变质热作模具钢的力学性能屈服强度抗拉强度σb伸长率δ5收缩率ψ 硬度弹性模量σ0.2(MPa) (％)(％) (HRC) (GPa)(MPa)172441150～1300 1200～1500 13 44 42～45～18029表6新型变质热作模具钢在铜合金汽车变速箱同步环锻造模具上的应用情况模具钢种模具硬度(HRC) 使用寿命(件数) 失效形式3Cr2W8V48～50 平均25000～30000根部开裂而报废(钢)H13(钢)50～53 平均8000～10000 磨损尺寸超差，可修复2～3次本发明钢种 48.2 93000 微裂纹，降面后继续使用表7新型变质热作模具钢在铜合金放气阀本体压铸模具上的现场应用情况模具钢种 模具硬度(HRC) 使用寿命(件数) 失效形式3Cr2W8V(钢) 48～503800粘模，修复尺寸超差本发明钢种 468800粘模，修复尺寸超差
权利要求
1.一种新型变质热作模具钢，其特征在于由以下主要化学成分按重量百分比组成C0.200～0.350，Cr7.000～13.000，Mo0.800～2.000，Ni0.600～1.500，V0.300～1.200，Mn0.200～0.600，Si0.700～1.500，S≤0.040，P≤0.040，N0.005～0.100，Ti0.050～0.200，Ca0.001～0.050，Fe余量。
2.根据权利要求1所述的新型变质热作模具钢，其特征在于其组分中还包括有Ce0.005～0.100。
3.根据权利要求1所述的新型变质热作模具钢，其特征在于其组分中还包括有Y0.005～0.100。
4.根据权利要求1所述的新型变质热作模具钢，其特征在于其组分中还包括有Ce0.005～0.100、Y0.005～0.100。
全文摘要
本发明涉及一种新型变质热作模具钢材料。由以下主要化学成分按重量百分比组成C0.200～0.350，Cr7.000～13.000，Mo0.800～2.000，Ni0.600～1.500，V0.300～1.200，Mn0.200～0.600，Si0.700～1.500，S≤0.040，P≤0.040，N0.005～0.100，Ti0.050～0.200，Ca0.001～0.050，Ce0.000～0.100，Y0.000～0.100，Fe余量。本发明新型变质热作模具钢具有高的使用寿命。
文档编号C22C38/46GK1557985SQ20041001065
公开日2004年12月29日 申请日期2004年1月20日 优先权日2004年1月20日
发明者姜启川, 赵宇光, 方建儒, 张瑞卿, 隋鹤龙, 柏建仁, 赵玉谦, 关庆丰, 王金国, 梁宏钦, 夏振佳, 尚尔原, 王慧远 申请人:吉林大学