专利名称：一种高性能耐磨热作模具钢及其制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型高性能耐磨热作模具钢及其制备工艺。新型的高性能耐磨模具钢钢充分利用铁基体中氮碳元素作用的异同，通过加入微量的合金元素氮，适当减少碳元素含量，经过热处理之后，发挥氮元素固溶强化，细化晶粒，抑制碳化物析出的作用，具有比普通H13钢更优秀的性能，而且氮属于绿色元素，拥有很大的发展前景。属于合金钢制造工艺技术领域。
背景技术：
H13模具钢是一种应用非常广泛的热作模具钢。目前使用的H13模具钢普遍存在耐磨性差，使用寿命偏低的现象，使得金属热加工产品生产成本居高不下。高硬度和高韧性是提高模具钢寿命的必要前提。改善模具钢性能，可以从两个方向着手，一是改变合金成分和冶炼工艺，二是优化热处理工艺。热作模具钢中起高温热强性和热稳定性的合金元素通 常是Cr、V等元素，因此目前的许多研究工作主要是对这些合金元素的调整。然而，模具钢是通过回火过程中碳化物析出时的二次硬化作用来实现其强韧化的，可见在不降低模具钢性能的前提下，改变碳含量，寻求代碳元素亦可能调整热作模具钢性能，在追求低碳经济未来中更是如此。目前在北美压铸标准NADCA#207-2003中优质H13钢的化学成分采用CO. 37^0. 42wt%, Cr 5. 00^5. 50wt%, V O. 80 L 20wt%, Mo I. 20 L 75wt%, Si 0. 80 L 20wt%,Mn 0. 20 0. 50wt%, P ^ 0. 025wt%, S ^ 0. 005wt%,，由于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，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，从而使模具钢的高温性能也随之降低。在NADCA#207-2003中，优质H13钢的性能指标为经1030°C淬火+590回火后洛氏硬度值为44HRCT46HRC，夏比V型缺口的冲击韧性值aK> lOJ/cm2，以上硬度值和冲击韧性值是关键技术指标，是衡量热挤压模具用钢质量好坏的主要技术参数。发明内容最近我们发现，微量的氮合金元素的加入，可以细化H13钢回火之后的原奥氏体晶粒，而且回火之后，氮元素被碳元素置换固溶于基体，从而起到提高硬度，细化碳化物的作用，以上都有助于在保证模具钢硬度技术上，改善钢的韧性。因此，在追求低碳经济的发展模式下，高性能耐磨热作模具钢应运而生。为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种通过加入微量的氮合金元素的，可以细化H13钢回火之后的原奥氏体晶粒,而且回火之后,氮元素被碳元素置换固溶于基体，从而起到提高硬度，细化碳化物的作用，以上都有助于在保证模具钢硬度技术上，改善钢的韧性的高性能耐磨热作模具钢及其热处理工艺。本发明的技术方案是一种高性能耐磨热作模具钢，热作模具钢的特征在于建立新的合金成份范围和热处理工艺制度，获得高强高韧长寿命热作模具钢。各主要元素的质量百分比为C 0. 30 0· 37% ；N :0. 02 O. 07% ；Si :0. 8 I. 20% ；Mn :0. 2 O. 5% ；Cr :5· 00 5· 50% ；Mo 1. 20 1· 75% ；V 0. 80 1· 20% ；Ρ < O. 025%, S < O. 005%, Fe，余量。进一步，该钢的化学成分中各主要合金元素的质量比为C 0. 37%，N 0. 03%, Si
O.93%, Mn 0. 39%, Cr :5. 23%, Mo :1. 58%, V :1. 06%, P < O. 025%, S < O. 005%, Fe，余量。本发明的另一目的是提供针对上述高性能耐磨热作模具钢的制备工艺步骤如下A、冶炼按照高性能耐磨热作模具钢的化学成分质量百分比C 0. 3(Γ0. 37% ；N 0. 02 O. 07% ；Si 0. 8 I. 20% ；Mn 0. 2 O. 5% ；Cr :5· 00 5· 50% ；Μο 1. 2(Γ · 75% ；V
O.8(Γ . 20% ；Ρ < O. 025%, S < O. 005%, Fe，余量进行配料，感应熔炼，然后进行电渣重熔；B、去应力退火电渣重熔之后，得到钢锭，将钢锭随炉升温到800°C，然后降至 740°C保温:T6h后随炉缓冷；C、锻造将经上述步骤处理过的钢锭以<50°C/h的加热速度缓慢升温到850°C预热3h，保证均匀烧透，然后继续加热到1100°C以上保温2h，出炉进行六面锻造，各工序镦粗比彡2，总锻造比彡4，终锻温度控制在850°C以上，停锻后及时转入热砂中进行缓慢冷却；D、等温球化退火将上述步骤处理过的钢锭随炉升温至890°C、30°C保温，后快冷至730°C恒温，保温3-6小时，再以小于50°C /h的速率降到450°C以下，出炉空冷；E、淬火及回火处理将经上述步骤处理过的钢锭进行淬火，淬火温度为1030°C 1070°C，油冷至200°C以下，立即回火2 3次，每次2 4h，回火温度570°C "600°C，即的高性能耐磨热作模具钢。本发明改进热处理工艺的原理如下本热作模具钢与普通的H13钢相比，适当加入了氮元素，并降低了相应的碳含量，保证碳氮的总量满足O. 37、. 42%。最近的研究发现氮元素可以细化奥氏体晶粒，回火之后，氮元素固溶于基体，抑制碳化物析出，以上对保证模具钢硬度，改善模具钢韧性有很大的益处。高性能耐磨H13钢要发挥氮的作用，须对热处理工艺做出相应的调整。普通H13钢等温球化退火时的两个阶段的等温温度分别是870°C 890°C及740°C 760°C。由于氮合金化H13钢中多了氮元素，为使成分均匀，适当将第一阶段的等温温度提高至890°C、30°C，另外普通H13钢的、温度约为770°C，加入扩大奥氏体区的氮元素之后，Arl会适当降低，所以第二阶段，如果仍然以原来的750°C左右为准，就会由于过冷度较小导致退火之后碳化物的不均匀分布，对H13钢的最终韧性产生不利的影响。所以第二阶段等温温度降为730°C左右。淬火温度，也选择比普通H13钢1030°C更高的1040°C 1070°C，这样可以提高基体中固溶合金元素的含量，增加回火稳定性潜力。据相图可以得知，570°C飞00°C是氮元素在基体中溶解度最大的温度，此时可以发挥氮元素的最大作用。高性能耐磨热作模具钢在经过上述热处理之后，其相同的韧性要求下，硬度要高于北美压铸标准(NADCA#207-2003)的优级(premium)H13钢要求。附件说明图I高性能耐磨热作模具钢经热处理后的组织金相图。图2高性能耐磨热作模具钢与普通H13钢的回火硬度曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案实施例I :本实例中采用的高性能耐磨热作模具钢的化学成分及其含量(wt%)如下C 0. 37 ；N :0. 029 ；Si :0. 93 ；Mn :0. 39 ；Cr :5. 23 ；Mo :1. 58 ；V :1. 06 ；P :0. 022%, S
0.045%, Fe 余量。本实例中，模具钢的工艺过程和步骤如下a)电炉熔炼按上述的合金元素配比，进行熔炼，浇铸成Φ90πιπι的电击棒。b)电渣重熔将浇铸的钢锭置于电渣炉中，进行电渣重熔。电极电压45V，电机电流 3000A。c)去应力退火电渣后，将钢锭随炉升温到800°C，然后降至740°C保温4h后随炉缓冷。d)锻造将上述退火之后的钢锭，加热温度至1150°C，进行六面锻造；各工序镦粗比彡2总锻造比彡4，终锻温度控制在850°C以上。停锻后及时转入热砂中进行缓慢冷却。e、等温球化退火工艺为890°C X4h/快冷+730°C X3h/炉冷，以彡50°C /h的冷却速率降至450°C以下出炉空冷。f、淬回火处理淬火温度1050°C，油冷。回火温度为590°C，两次回火，第一次
2.0h，第二次 2h。本发明的高性能耐磨热作模具钢经过上述让热处理之后，进行性能测试硬度测试回火之后硬度为49HRC。在坯料上取标准夏比V 口冲击试样(北美压铸标准)，室温平均冲击值为15. 8J/cm_2,最小值 > 11.0J/cm_2。北美压铸标准中，H13钢应满足的条件是硬度44HRCT46HRC，平均冲击韧性值>13.5J/cm_2，最小值> 10cm_2。所以可以看出氮合金化热作模具钢经过本发明中热处理之后，在韧性接近的情况下，硬度提高了 3飞HRC。附图
二中可以看出，本实例中的耐磨热作模具钢在回火稳定性方面也优于普通的H13 钢。实施例2 本实例中，将高性能耐磨热作模具钢在广东某铝业公司加工成挤压百叶片的模具，进行实际生产的试用。实际的试用结果两套模具产量均达到了 12t，该公司以往的普通H13钢模具的平均产量为6. 5t，模具寿命提高了近85%。本实例中采用的高性能耐磨热作模具钢的化学成分及其含量(wt. %)如下C 0. 35 ；N 0. 04 ；Si :1. 00 ；Mn :0. 31 ；Cr :5. 00 ；Mo :1. 40 ；V :0. 9 ；P :0. 02%, S
0.004%, Fe 余量。本实例中，模具钢的工艺过程和步骤如下e)电炉熔炼按上述的合金元素配比,进行熔炼,浇铸成Φ90πιπι的电击棒。f)电渣重熔将浇铸的钢锭置于电渣炉中，进行电渣重熔。电极电压45V，电机电流 3000A。g)去应力退火电渣后，将钢锭随炉升温到800°C进行“零”保温，然后降至740°C·保温3h后随炉缓冷。
h)锻造将上述退火之后的钢锭，加热温度至1150°C，进行六面锻造；各工序镦粗比彡2总锻造比彡4，终锻温度控制在850°C以上。停锻后及时转入热砂中进行缓慢冷却。e、等温球化退火工艺为930°C X4h/快冷+730°C X4h/炉冷，以彡50°C /h的冷却速率降至450°C以下出炉空冷。f、淬回火处理淬火温度1030°C，油冷。回火温度为570°C，两次回火，第一次
2.5h，第二次 3h。实施例3 C 0. 30 ；N 0. 07 ；Si :1. 2 ；Mn :0. 50 ；Cr :5. 50 ；Mo :1. 75 ；V :1. 20 ；P :0. 015%, S
0.003%, Fe 余量。本实例中，模具钢的工艺过程和步骤如下i)电炉熔炼按上述的合金元素配比，进行熔炼，浇铸成Φ90πιπι的电击棒。j)电渣重熔将浇铸的钢锭置于电渣炉中，进行电渣重熔。电极电压45V，电机电流 3000A。k)去应力退火电渣后，将钢锭随炉升温到800°C，然后降至740°C保温6h后随炉缓冷。I)锻造将上述退火之后的钢锭，加热温度至1150°C，进行六面锻造；各工序镦粗比≥2总锻造比≥4，终锻温度控制在850°C以上。停锻后及时转入热砂中进行缓慢冷却。e、等温球化退火工艺为930°C X4h/快冷+730°C X6h/炉冷，以≤50°C /h的冷却速率降至450°C以下出炉空冷。
f、淬回火处理淬火温度1070°C，油冷。回火温度为600°C，两次回火，第一次3h，
第二次4h。
权利要求
1.一种高性能耐磨热作模具钢，其特征在于该钢的化学成分中各主要合金元素的质量百分比为C 0. 30 0· 37% ；Ν 0. 02 O. 07% ；Si :0. 8 I. 20% ；Mn :0. 2 O. 5% ；Cr :5· 00 5· 50% ；Mo 1. 20 1· 75% ；V 0. 80 1· 20% ；Ρ < O. 025%, S < O. 005%, Fe，余量。
2.根据权利要求I所述的高性能耐磨热作模具钢，其特征在于该钢的化学成分中各主要合金元素的质量比为c 0. 37%, N 0. 03%, Si :0. 93%, Mn :0. 39%, Cr :5. 23%, Mo :1. 58%, V I.06%, P < O. 025%, S < O. 005%, Fe，余量。
3.—种如权利要求I或2任意一项所述的高性能耐磨热作模具钢的制备工艺，其特征在于该工艺具有包括以下步骤 A、冶炼按照高性能耐磨热作模具钢的化学成分质量百分比C:0.3(Γ0. 37% ；N 0. 02 O. 07% ；Si 0. 8 I. 20% ；Mn :0. 2 O. 5% ；Cr :5· 00 5· 50% ；Μο :1· 2(Γ · 75% ；V O. 8(Tl. 20% ；Ρ < O. 025%, S < O. 005%, Fe，余量进行配料，感应熔炼，然后进行电渣重熔； B、去应力退火电渣重熔之后，得到钢锭，将钢锭随炉升温到800°C，然后降至740°C保温3飞h后随炉缓冷； C、锻造将经上述步骤处理过的钢锭以<50°C /h的加热速度缓慢升温到850°C预热3h，保证均匀烧透，然后继续加热到1100°C以上保温2h，出炉进行六面锻造，各工序镦粗比^ 2，总锻造比> 4，终锻温度控制在850°C以上，停锻后及时转入热砂中进行缓慢冷却； D、等温球化退火将上述步骤处理过的钢锭随炉升温至890°C、30°C保温，后快冷至730°C恒温，保温3-6h，再以小于50°C /h的速率降到450°C以下，出炉空冷； E、淬火及回火处理将经上述步骤处理过的钢锭进行淬火，淬火温度为1030°C 1070°C，油冷至200°C以下，立即回火2 3次，每次2 4h，回火温度570°C "600°C，即得到高性能耐磨热作模具钢。
全文摘要
本发明涉及一种新型的高性能耐磨热作模具钢及其制备工艺，属于合金钢工艺制造领域。该钢的特征在于钢中的加入了适量的氮元素，并相应降低碳的含量，各成分的百分含量为C0.30~0.37%；N0.02~0.07%；Si0.8~1.20%；Mn0.2~0.5%；Cr5.00~5.50%；Mo1.20~1.75%；V0.80~1.20%；P＜0.025%，S＜0.005%，Fe，余量。本发明模具钢制备过程如下配料、常压电炉冶炼，电渣重熔，去应力退火、六面锻造、等温球化退火，最后进行强韧化处理，即加热到1040℃~1070℃，油冷，在570℃~600℃回火处理。本发明的高性能耐磨模具钢具有优于普通H13钢的硬度和冲击韧性等性能。
文档编号C21D8/00GK102912236SQ20121045462
公开日2013年2月6日 申请日期2012年11月13日 优先权日2012年11月13日
发明者李静媛, 霍建华 申请人:北京科技大学