专利名称：高硅高锰型高热稳定性热作模具钢及其热处理工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高硅高锰型高热稳定性热作模具钢及其热处理工艺，该模具钢充分利用硅和锰的合金化作用特点，保证钢中高的硅和锰含量，并且两种元素的含量相同，不仅可以降低合金成本(相对于H13系钢)，而且具有比H13钢高的热稳定性和良好的韧性和热疲劳性能，属合金钢制造工艺技术领域。
背景技术：
热作模具钢中起到高温热强性和热稳定性的合金元素通常是Cr、Mo、V等元素，因此目前的一些研究工作主要是对这些合金元素的调整。最近课题组的研究发现，一定量的锰元素的加入可以增加钢的基体强化作用并能推迟马氏体组织的转变，提高钢的抗回火软化性，其成功案例是课题组开发的DM系列高热强性热锻模用钢。另外，硅元素是提高回火抗力的有效元素，提高钢中硅元素的含量可以使钢在回火的过程中马氏体的分解减缓，延 迟了 e-碳化物向0 -碳化物的转变，减小钢中碳化物在回火过程中的长大速率，提高碳化物的稳定性，其成功案例是课题组开发的高硅低钥型热作模具钢SDH3钢。我国目前广泛应用的热作工模具钢包括钨系3Cr2W8V、铬系H13以及应用于热锻模的5CrNiMo、5CrMnMo等。钨系的3Cr2W8V虽然具有较高的回火抗力和高的热强性，但其塑韧性、导热性以其热疲劳性能较差；H13钢是现在使用最广泛的热作模具钢，但是它的高温强度不是很高，一般使用温度不能超过540°C ；5CrNiMo和5CrMnMo的热强性较低，容易造成模具工作部分的塌陷。我国目前使用的热挤压模具钢采用的是国家标准GB/T1299-2000中钢号为4Cr5MoSiVl。这种热挤压模具钢的化学成分采用C 0. 32-0. 45wt%、Cr4. 75-5. 50wt%、Mo I. 20-1. 75 wt%、V 0. 80-1. 20 wt%、Si 0. 80-1. 2wt%、Mn 0. 20-0. 5wt%、P ^0. 03wt%、S ( 0. 03wt%o由于这种热挤压模具钢的化学成份含有较高的钥、铬和钒元素及一定量的碳元素，属于过共析钢，因此其材料电渣锭的偏析严重，成材后的组织中存在大量的大块液析碳化物，使得材料的韧性不足，容易出现早期开裂失效。由于这种材料含有大量的二次硬化元素，其回火态二次碳化物容易在服役条件下长大粗化和发生类型转变，而且回火马氏体中的合金元素也容易析出而降低钢的强度，从而降低钢的高温性能。这种钢的性能指标为经1030°C淬火+590 - 610°C回火后洛氏硬度值为44 一 46HRC，冲击韧性值(“V”型缺口)Ak为> 8J，这些在淬火加回火状态下的硬度值和冲击韧性值等性能指标是热挤压模用钢的关键技术指标，是衡量热挤压模用钢质量好坏的主要技术参数指标。另外，抗回火软化能力和热疲劳抗力是热作模具钢的重要性能指标。上述热作模具钢的冶金制造工艺是采用电炉熔炼加电渣重熔，然后锻造成材的工艺。在其制造工序中，电炉熔炼加电渣重熔工序完成之后获得500Kg - 3000Kg的电渣锭，径锻机锻造成材。这种制造工艺存在如下问题I)电渣锭型较小，小锭型降低了产品的成材率和制造产能；2)电渣锭的原始组织存在大量的大颗粒或大块状液析碳化物和组织偏析，降低了钢锭锻造成材后的性能指标；3)锻后材料晶粒粗大，导致淬回火后材料的冲击韧性低，产品档次低，无法满足市场对高韧性热作模具钢的需要。
在目前国内外可持续、经济型的发展模式下，本发明从经济的角度出发打破传统的高钥的研究方向，采用经济的硅、锰作为主要的合金化元素，充分利用硅、锰合金元素的固溶强化和对碳化物回火稳定性等作用，而尽量降低铬、钥和钒等贵合金元素的含量，从而开发了硅、锰比为I :1的具有高热稳定性、良好冲击韧性和热疲劳性能的热作模具钢。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本铬钥钒系热作工模具钢及其热处理工艺。本发明热作工模具钢的特征在于钢的化学成分中高含量的硅元素和锰元素的比例保持为I :1不变，各主要合金元素的质量百分比为
C0. 25 0. 45%,Si0. 8 2. 0%, Mn0.8 2.0%,Cr3. 5 4. 5%,
Mo0.8 I. 2%,V0.4 0.8%,
P<0.02%,S<0.02%
Fe余量。上述低成本铬钥钒系热作工模具钢的热处理工艺，该工艺具有以下的工艺步骤
A.采用感应熔炼或电弧炉熔炼按低成本铬钥钒系热作工模具钢的化学成分及重量
百分比C 0. 25 0. 45%, Si 0. 8 2. 0%，Mn 0. 8 2. 0%, Cr 3. 5 4. 5%, Mo 0. 8 I. 2%,V 0. 4 0. 8%，P < 0. 02%, S < 0. 02%, Fe余量，配料后放入感应熔炼或电弧炉中，进行熔炼。B.电渣重熔将熔炼浇涛出的钢锭放到电渣重熔装置中，进行电渣重熔。C.高温均质化热处理将电渣重熔后的钢锭加热至1180 1280°C进行高温均质化处理，保温5 10小时，均匀组织，消除合金成分偏析和液析碳化物。D.锻造热加工将上述钢锭温度调整到1050 1150°C温度范围内进行多向锻造加工；锻造比彡4，终锻温度彡850°C。E.超细化处理超细化温度为1050 1150°C，超细化时间为5 IOh ;然后油冷或水雾冷却至250°C以下，再热送回火炉，在600 700°C高温回火，回火保温2 4小时。F.等温退火处理第一阶段等温退火温度为830 850°C，退火时间为5 IOh ;第二阶段等温退火温度为730 750°C，退火时间为5 IOh ;
G.淬火及回火热处理加热至980 1100°C进行奥氏体化，采用油冷或水雾冷却至250°C以下；随后进行540 600°C回火处理。所述的高温均质化处理，钢锭升温过程中分多级升温，保证钢锭内外温度均匀，SP分别在800°C和1100°C等温；高温均质化处理后在1100 1150°C温度等温，当钢锭温度均匀后进行锻造处理。所述的淬火及回火热处理，加热至980 1100°C油冷或水雾冷却至250°C，立即回火处理，回火处理2 3次，每次回火温度540 600°C,每次回火保温时间2 4h。本发明的热作模具钢其成分设计的理论依据如下所述
本热作模具钢与通用的H13热作模具钢相比，适当降低了 Cr、Mo和V的含量，同时增加了 Si和Mn的含量，并保证Si和Mn的比例为1:1。最近研究发现，一定量的锰元素的加入可以增加钢的基体强化作用并能推迟马氏体组织的转变，提高钢的抗回火软化性。锰元素虽然是弱碳化物形成元素 ，不能够形成碳化物强化作用，但是一定量的锰元素的加入可以促进渗碳体的分解和推迟碳化物的析出与长大，有利于钢的热稳定性。另外，锰元素可以造成钢中的残余奥氏体的含量增加与稳定，这样可以提高钢的韧性和抗热疲劳性能。硅元素不是碳化物形成元素，但硅元素是提高回火抗力的有效元素，提高钢中硅元素的含量主要是可以使得钢在回火的过程中马氏体的分解减缓，硅元素可以在奥氏体到马氏体的转变之后的回火过程中有效阻碍马氏体的分解，这主要是通过抑制e碳化物质点的长大和扩大e碳化物稳定区，延迟了 ￡_碳化物向Q-碳化物的转变。娃推迟e — 0转变,并能充分减小钢中渗碳体在回火过程中的长大速率，硅原子从9相析出而在0相周围形成硅原子的富集区，抑制0相的长大粗化；另外硅能有效提高钢的抗回火软化能力。由于V与碳的亲和力强，在冶炼的过程中容易形成VC—次碳化物，这种碳化物颗粒尺寸较大，不仅对钢的性能没有提高，相反降低钢的韧性和热疲劳性能等，而在随后的热处理过程中很难完全消除。因此适当降低钢中V含量可有效的降低VC—次碳化物的比例，改善钢的性能。但是，在回火过程中V可降低马氏体的分解速度，推迟了奥氏体的转变，而且V形成MC型的二次碳化物，细小弥散，不易聚集长大，在回火过程中，增强了二次硬化效果，极大的提高了钢的热稳定性和冲击韧性。因此，将钢中V的含量控制在0. 4 0. 8%之间，充分发挥V的合金化作用。Cr在热作工模具钢中主要形成Cr23C6型碳化物，这类碳化物易沿晶析出并长大粗化，降低材料的热稳定性和热疲劳性能，本热作模具钢的铬含量有所降低，减小了这种不利影响。本发明热作工模具钢在经过上述热处理后，其热稳定性、冲击韧性和热疲劳性能优于H13钢。
图I为本发明热作模具钢的相变点。图2为本发明热作模具钢在上述热处理工艺后的退火组织、淬火组织和回火组织。图3为本发明热作模具钢在1000 - 1090°C淬火下的回火特性曲线。图4为本发明热作模具钢在620°C下与H13钢热稳定性数据对比。图5为本发明热作模具钢和H13钢热疲劳裂纹表面形貌图。图6为本发明热作模具钢和H13钢热疲劳裂纹截面形貌图。图7为本发明热作模具钢和H13钢热疲劳截面硬度梯度对比。
具体实施例方式现将本发明的具体实施例叙述于下。
实施例本实例中，采用热作模具钢的组成成分及其重量百分比如下
C0. 32%, Si I. 2%, MnI. 2%, Cr 3.8%, Mo 1.0%,
V0.46%, P 0.01%, S 0.01%, Fe 余量。本实施例中，热作工模具钢的工艺过程和步骤如下A电炉冶炼按上述的合金元素配比在电弧炉中进行熔炼，熔炼温度大于1500°C，浇铸成400mm-450mm电极棒并空冷；
B电渣重熔将浇涛后的钢锭作为自耗电极放置于电渣重熔装置中，进行电渣重熔，化渣电压56-62V，电流3000-5000A、电制度电压57-59V，电流11000-12000A、封顶电压57-59V,电流时间35-50Min，电渣重熔成500Kg_3000Kg电渣锭；
C高温匀质化将电渣重熔后的钢锭加热至1250°C进行高温均质化处理，保温10小时，均匀组织，消除成分偏析和液析碳化物；
D锻造将上述高温均质化处理的钢锭温度调整至1100°C温度范围内进行多向锻造加工；锻造比彡4，终锻温度彡8500C ；
E超细化处理超细化温度为1100°C，超细化时间为8h ;然后油冷或水雾冷却至250°C以下，再热送回火炉，在600 700°C高温回火，回火保温2 4小时； F等温退火处理第一阶段等温退火温度为830 850°C，退火时间为8h ;第二阶段等温退火温度为730 750°C，退火时间为8h ;然后随炉冷却至室温；
G淬火及回火处理淬火温度1030°C，采用油淬，在560°C进行两次回火，每次回火2小时。本发明热作模具钢经过上述冶炼及热加工和热处理后，最终成品规格为0200mm圆钢，取样进行性能测试
A相变点
Acl、Ac3、和Ms点测试结果如附图I所示。B回火特性
分别在1000°C、1030°C、1060°C和1090°C淬火后的回火硬度随回火温度变化的特性曲线如附图3所示。C硬度测试
淬火硬度56. 2HRC ;回火硬度50HRC D冲击韧性实验
在还料上取横向冲击试样,试样尺寸为7mmX IOmmX 55mm (米用北美压铸协会标准)。室温冲击功值彡280J。E热稳定性
本发明热作模具钢在620°C条件下与H13钢进行稳定性对比实验，H13钢经过淬回火处理之后使其硬度值与本发明钢一样，均为50HRC，试验结果如附图4所示。由附图4可见，虽然实验开始前本发明热作模具钢与H13钢硬度值一致，但在620°C下，从进行20个小时热稳定性实验硬度变化情况来看，本发明的热作模具钢优于H13钢。F热疲劳性能测试
在室温_700°C条件下进行冷热循环，经过3000次冷热循环后，对比本发明热作模具钢与H13钢的热疲劳表面形貌和截面形貌以及截面硬度梯度(如附图5-图7所示)。由图中可见，本发明热作模具钢热疲劳实验后，表面裂纹十分均匀、细小，在表面上没有看到比较大的主裂纹的形成。而H13钢的表面裂纹成网状，且其中存在几条宽度较大的的主裂纹，裂纹之间相互贯通，呈开裂状。另外，从截面硬度梯度分布可以看出H13钢的硬度下降显著于本发明热作模具钢。二者对比可以看出，本发明热作模具钢的热疲劳性能强于H13钢。
权利要求
1.一种高硅高锰型高热稳定性热作模具钢，其特征在于该钢的化学成分中硅元素和锰元素的比例保持为I :1不变，各主要合金元素的质量百分比为c 0.25 0.45%，Si O. 8 2.0%, Mn O. 8 2. 0%, Cr 3. 5 4. 5%, Mo O. 6 I. 2%, V O. 4 O. 8%, P < O. 02%, S < O. 02%,Fe余量。
2.根据权利要求I所述的高硅高锰型高热稳定性热作模具钢，其特征在于该钢的化学成分中硅元素和锰元素的比例保持为I :1不变，各主要合金元素的最佳质量百分比为CO.32%, Si I. 2%, Mn I. 2%, Cr 3. 8%, Mo I. 0%, V O. 5%, P < O. 02%, S < O. 02%, Fe 余量。
3.根据权利要求I或2所述的高硅高锰型高热稳定性热作模具钢的热处理工艺，其特征在于该エ艺具有以下步骤 A.冶炼按高硅高锰型高热稳定性热作模具钢的化学成分及重量百分比为CO. 25 O.45%, Si O. 8 2. 0%, Mn O. 8 2. 0%, Cr 3. 5 4. 5%, Mo O. 6 I. 2%, V O. 4 O. 8%, P< O. 02%, S < O. 02%, Fe余量，进行配料、感应熔炼或电弧炉熔炼、然后进行电渣重熔； B.高温均质化热处理均质化温度为1180 1280°C，匀质化时间为5 IOh; C.锻造热加工将经过高温均质化热处理钢锭降温至1050 1150°C温度范围内进行多向锻造加工，锻造比彡4，终锻温度彡8500C ； D.超细化热处理超细化温度为1050 1150°C，超细化时间为5 IOh;然后快冷(油冷或水雾冷等)至250°C以下；再热送回火炉，在600 700°C高温回火，回火保温2 4小时； E.等温退火处理第一阶段等温退火温度为830 850°C，退火时间为5 IOh;第二阶段等温退火温度为730 750°C，退火时间为5 IOh ; F.淬火及回火热处理加热至980 1100°C，采用油冷或水雾冷却至250°C以下；随后进行540 600°C回火处理，回火2 次,每次回火保温2 4小时。
全文摘要
本发明涉及一种高硅高锰型高热稳定性热作模具钢及其热处理工艺，属合金钢制造工艺技术领域。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11不变，各主要合金元素的质量百分比为C0.25～0.45%，Si0.8～2.0%，Mn0.8～2.0%，Cr3.5～4.5%，Mo0.6～1.2%，V0.4～0.8%，P＜0.02%，S＜0.02%，Fe余量。本发明热作模具钢的制备过程如下配料、冶炼、浇涛，然后电渣重熔；高温匀质化热处理，然后多向锻造热加工；再进行超细化热处理和等温退火处理；最后进行淬火和回火热处理，即将其加热至980～1100℃进行奥氏体化，经过油冷或水雾冷却后，在540℃～600℃进行两至三次回火。本发明的热作模具钢具有高的热稳定性、高的韧性、以及良好的热疲劳性能。
文档编号C21D8/00GK102650020SQ20121014671
公开日2012年8月29日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者吴晓春, 周青春, 李玲慧, 计天予, 闵永安 申请人:上海大学