专利名称：：一种具有良好热强性及高韧性的热作模具钢的制作方法
技术领域：
：本发明涉及冶金行业模具钢产品，尤其是指一种具有良好热强性及高韧性的热作模具钢。
背景技术：
：随着工业技术的迅速发展，国内外制造业广泛采用精密冲压、压力铸造、冷挤压、热挤压等无切削、少切削工艺，模具已成为其主要的成形工具，并形成了热作模具钢、冷作模具钢、塑料模具钢三大系列模具用钢。热作模具钢主要用于制造加热到再结晶温度以上的金属或液态金属压制成型的模具，如锤锻模、机锻模、热挤压模和压铸模等。目前热作模具钢已发展为系列钢种，如用于锻模的5CrMnMo、5CrNiMo;用于热挤压模和压铸模的4Cr5MoSiVl等。热作模具钢一般性能要求如下强度和韧性模具在工作期间承受的较大的负荷往往由于材料的强度和韧性不足而产生型腔边缘或局部塌陷、崩刃和断裂等早期时效现象，因此要求模具钢经热处理之后具有高的强度和好的韧性。疲劳性能模具服役期间承受的负荷是重复循环的，如冷作模具承受的机械冲击和热作模具承受的热冲击，因此模具钢的抗应力疲劳及抗热疲劳性能的优劣决定了模具的使用寿命，为了获得模具的长寿命，要求模具钢应具有良好的抗疲劳性能。加工性这里的加工性包括两方面，一是材料的切削性能，二是材料的热加工性能。模具钢的生产一般均采用热加工成形技术，因此要求模具钢应具有较好的热加工成形性能，保证热加工过程的顺利进行。另外模具的形状很复杂，加工难度较大，良好的切削加工性能可保证模具加工的尺寸精度。淬硬性和淬透性对于大截面模具而言，高的淬透性可保证整个截面硬度均匀，提高模具的使用性能。在上述性能要求当中，高强度和高韧性对提高热作模具钢使用寿命最为有利。以4Cr5MoSiVl为代表的中合金铬系热作模具钢得到了广泛应用。其化学成份为C0.320.45%、Si0.801.20%、Mn0.200.50%、Cr4.755.50%、Mo1.101.75%、V0.801.20%、Fe余量。中合金热作模具钢以Cr5系列为主，此类钢Cr含量较低合金热作模具钢有很大的提高，另外加入一定量的Si、Mo、V等合金元素，回火时又能析出一定量的M2C和MC型弥散碳化物，增加二次硬化效果，具有一定的热强性及热稳定性。适合在600。C以下工况服役。热作模具钢的使用寿命取决于材料的强韧性，具有高强度和高韧性的材料，模具的使用寿命越高。然而4Cr5MoSiVl因热强性不足，600°C回火保温20小时后的硬度仅为HRC36，横向无缺口冲击韧性仅为180J，用于铝合金压铸模具的使用寿命仅为6万次左右。为了进一步提高热作模具钢使用寿命。国内外冶金工作者相继开发出热作模具钢4Cr5MoSiVl的改进型钢种，如中国专利CN85100822A热作模具钢，其成份为C0.300.50%、Si0.201.00%、Cr2.004.00%、Mn0.201.00%、V0.802.00%、Mo1.503.50%、Ni<2.00%、Co<4.00%、Nb<0.30%、B<0.01%。该发明钢种虽然有较高的高温强度，但未提及韧性指标。钢中添加合金元素Co，除了提高钢的高温强度之外，却降低了材料的热加工性能，锻造变形温度范围窄，锻造终锻温度高，在95(TC以上；添加Co元素增加了材料的脆性，降低韧性；Co的加入还导致淬透性降低。同时由于合金元素Co价格昂贵，导致该发明模具钢成本升高，不利于市场推广，难于让市场接受。该发明钢种的Mo含量下限较低，仅为1.50%，低于H13中Mo含量上限，对提高热稳定性能作用不大。
发明内容本发明的目的在于开发一种具有良好热强性及高韧性的热作模具钢，具有高的高温强度同时又具有高韧性的热作模具钢，提高热作模具钢的使用寿命。为达到上述目的，本发明的技术方案是，一种具有良好热强性及高韧性的热作模具钢，其化学成分质量百分比为C0.280.35Si0.200.50Mn0.200.80Cr4.505.50Mo2.002.80V0.40.80P《0.025S《0.025Nb0.050.20N0.010.03余量为Fe和不可避免杂质元素。对于要求强韧性的热作模具钢而言，合金元素之间存在一定的交互作用硬度Yl=-2.39SiQ/oXMn%+2.14Si%XCr%-1.39Mn%XV%+0.97Mo%XV%+25.4(不考虑热处理因素)冲击韧性Y2=-154.33C%-27.79Mn%XV%+111.63(不考虑热处理因素)本发明钢种合金元素含量的确定参照了上述合金元素之间交互作用的规律，充分考虑了强度和韧性的兼顾。Si和Mn交互作用的结果降低硬度，Si和Cr交互作用的结果提高强度，Mn和V交互作用的结果降低硬度和韧性，因此考虑到元素之间的交互作用，C、Si、Mn、V均较4Cr5MoSiVl有所降低，并添加微量Nb，从而提高韧性；提高Mo含量，并添加N元素强化基体，使发明钢种的强度和韧性同时提高。C，是提高钢的硬度和强度最为有效的元素，固溶强化作用显著，回火时析出大量弥散的碳化物具有弥散强化作用，是保证热作模具钢所能达到的强度的必不可少的元素。但C含量过高会造成钢中碳化物数量的增多，降低韧性和焊接性能。在诸多合金元素当中，碳对韧性的影响最为显著，从上述冲击韧性关系式中有充分体现。因此碳含量不宜过高。并通过添加少量的氮元素，通过氮在钢中的固溶强化作用代替部分碳的作用，因此在碳含量不高的情况下仍能获得所需的强度。因此适宜的碳含量为0.280.35%C。钢中含有少量的Si有较好的脱氧作用，但Si含量过高则降低钢的焊接性能和切削加工性能，并且增加石墨化倾向，在钢中存在Cr、Mn元素时，添加Si元素还有增加回火脆性倾向，因此适宜的Si含量为0.200.50/o。Mn，是强烈推迟珠光体转变的合金元素，有利于提高钢的淬透性并通过固溶强化作用提高强度，但Mn含量过高有使钢晶粒粗化的倾向。适宜的Mn含量为0.200.80%Cr，在本发明钢中的重要作用是强烈推迟珠光体转变，有利于淬透性的提高；并提高马氏体的回火稳定性。Cr含量在5%左右时与碳形成(Fe,Cr)7(:3和(Fe,Cr)23C6型碳化物，产生二次硬化效应，提高强度。另外Cr是縮小Y相区的元素，Cr含量过高将得到铁素体组织，导致强度降低，因此适宜的Cr含量4.505.50%Cr。Mo，是提高钢的热强性极为有效的合金元素，在钢中加入合金元素Mo形成M2C型碳化物可提高钢的高温强度和热稳定性。但只有当Mo含量超过2.00%时才具有明显的提高热稳定性的作用。另外Mo与Cr、Mn配合加入，其交互作用可显著提高钢的淬透性，但Mo含量过高则增大热加工变形抗力，降低钢的热加工性能。因此适宜的Mo含量为2.002.80%。V，在钢中的作用主要是细化晶粒，提高钢的强韧性，另外钢中添加合金元素V可析出MC型细小弥散的碳化物产生二次硬化效应提高钢的回火稳定性。V含量超过0.8Q/。时显著降低钢的高温抗氧化性能，易导致热作模具钢产生热融损现象。因此适宜的V含量为0.40.80%Nb在钢中析出极为细小弥散的碳化物，起到钉轧晶界的作用，从而细化晶粒，提高韧性。钢中添加0.05%Nb即可起到提高钢的冲击韧性的作用，降低脆性转变温度，改善焊接性能。Nb含量过高则降低钢的淬透性，因此添加了0.050.20%Nb。N，是一个具有显著固溶强化作用的元素，通过添加少量的N即可起到固溶强化作用，提高模具表面硬度，同时为减少碳含量创造了条件，碳含量的减少可提高钢的韧性及焊接性能。过多的N容易形成气泡和疏松缺陷，故本发明添加了0.010.03%N。本发明的有益效果1.本发明综合考虑了影响热作模具钢使用寿命的热强性及韧性，通过合理的成分设计，C及Cr、Mn、Mo、V等合金元素的固溶强化及沉淀强化作用提高了高温强度和热稳定性，尤其是添加了Nb元素提高了钢的韧性，具有强韧性兼备的特点，60(TC回火保温20小时硬度可保持HRC40，比4Cr5MoSiVl高出3HRC以上，横向无缺口冲击韧性高达300J，比4Cr5MoSiVl至少高出50J以上，其热强性及韧性均优于4Cr5MoSiVl，有利于提高热作模具钢的使用寿命，尤其适用于铝合金压铸模具和热挤压模具。2.本发明采用添加微量N元素减少了钢中C的配比，有利于提高钢的韧性及焊接性能。3.本发明具有锻造温度范围宽，易于变形的特点，终锻温度可到800。C。图1为本发明热作模具钢循环2000次后热疲劳表面形貌照片；图2为对比钢种4Cr5MoSiVl循环2000次后热疲劳表面形貌照片。具体实施例方式采用100kg中频感应炉，冶炼得到O80mm的电极棒，再经电渣重熔冶炼，得到70Kg电渣锭，对电渣锭进行1100120(TC保温10小时的高温均质化处理，然后锻成60mmX60mm方料，终锻温度800。C。实施例化学成分参见表l:表1单位质量百分比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>经过106(TC保温2小时油冷至室温淬火处理后进行60(TC保温2小时回火二次处理后的硬度如下表3实施例淬回火硬度<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>经过106(TC保温2小时油冷至室温淬火处理后进行60(TC保温2小时回火二次处理后的横向无缺口冲击功如下表4实施例冲击韧性<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>经过106(TC保温2小时油冷至室温淬火处理后进行60(TC保温2小时回火二次处理后再经60(TC保温20小时回火处理后的硬度如下表5实施例热稳定性能<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>从图l可以看出，本发明热作模具钢在热疲劳试验中表现出良好的抗热疲劳性能，.热疲劳裂纹均匀、细小，而图2所示，对比例的裂纹粗大。本发明的热作模具钢无缺口冲击功达到300J以上，淬火硬度高达55HRC以上，600。C回火硬度高达45HRC以上，600°C回火20小时硬度仍保持40HRC以上，其强韧性、热稳定性和抗热疲劳性能均高于目前广泛使用的4Cr5MoSiVl热作模具钢，其优良的强韧性有利于进一步提高铝合金压铸模具和热挤压模具的使用寿命。权利要求1.一种具有良好热强性及高韧性的热作模具钢，其化学成分质量百分比为C0.28～0.35Si0.20～0.50Mn0.20～0.80Cr4.50～5.50Mo2.00～2.80V0.4～0.80P≤0.025S≤0.025Nb0.05～0.20N0.01～0.03余量为Fe和不可避免杂质元素。全文摘要一种具有良好热强性及高韧性的热作模具钢，其化学成分质量百分比为C0.28～0.35、Si0.20～0.50、Mn0.20～0.80、Cr4.50～5.50、Mo2.00～2.80、V0.4～0.80、P≤0.025、S≤0.025、Nb0.05～0.20、N0.01～0.03、余量为Fe和不可避免杂质元素。本发明的热作模具钢具有高的高温强度同时又具有高韧性，因而提高热作模具钢的使用寿命。文档编号C22C38/26GK101440456SQ20071017072公开日2009年5月27日申请日期2007年11月21日优先权日2007年11月21日发明者张洪奎,王庆亮,维续申请人:宝山钢铁股份有限公司