專利名稱：一種高硅高錳熱作模具鋼及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種熱作模具鋼及其制備方法，尤其涉及一種含硅量和含錳量高的熱作模具鋼及其制備方法。
背景技術：
模具鋼通常可以分為熱作模具鋼、冷作模具鋼和塑料模具鋼三大類產品。熱作模具鋼主要用于制造鋁合金壓鑄模和銅鋅壓鑄模等，是目前使用最廣和消耗最大的模具鋼之一，它的工況條件復雜，在工作時需長時間與加熱的坯料甚至液態金屬相接觸，當熾熱的金屬放入熱作模具型腔時，型腔表面急劇升溫，表層產生壓應力和壓應變，當金屬件取出時， 型腔表面由于急劇降溫而受到拉應力和拉應變作用，極易產生熱疲勞，并且熱作模具鋼在服役過程中，還要受到較大的沖擊載荷。因此模具材料需要具有高的熱強度、高溫硬度、沖擊韌性、淬透性和好的熱穩定性和抗冷熱疲勞性能等。我國目前使用的熱擠壓模具鋼采用的是國家標準GB/T1299-2000中鋼號為 4Cr5MoSiVl。這種熱擠壓模具鋼的化學成分采用C 0. 32-0. 45wt%, Cr4. 75-5. 50wt%, Mo 1. 20-1. 75wt V 0. 80-1. 20wt Si 0. 80-1. 2wt %、MnO. 20-0. 5wt %, P ^ 0. 03wt %、 S ^ 0. 03wt%。這種熱擠壓模具鋼的化學成份含有較高的鉬元素和鉻元素和一定量的碳元素，因此其材料電渣錠的偏析嚴重，成材后的組織中存在大量的大塊液析碳化物，使得材料的韌性不足，容易出現早期開裂失效。又由于這種材料含有大量的二次硬化元素，其回火態二次碳化物容易在服役條件下長大粗化和發生類型轉變，而且回火馬氏體中的合金元素也容易析出而降低鋼的強度，從而降低鋼的高溫性能。目前熱作模具鋼的性能指標為經1030°C淬火+600°C回火后沖擊韌性值Ak為 150J ；抗回火穩定指標為620°C高溫持續8小時后硬度為38HRC、620°C高溫持續12小時后硬度為35HRC、620°C高溫持續20小時后硬度為31HRC。上述沖擊韌性值和抗回火穩定性指標是衡量熱擠壓模用鋼質量好壞的關鍵技術指標。
公開日為2008年8月13日，公開號為CN101240401，名稱為“一種無鉬低成本熱作模具鋼”的中國專利公開了一種熱作模具鋼，其化學成份重量百分比含量為碳0. 38 0. 42%，硅 0. 9 1. 1%，硫彡 0. 03%，磷彡 0. 03 %，猛 0. 3 0. 5 %，鎢 1. 9 2. 2 %，鉻 4. 8 5. 2 %，釩0. 25 0. 45 %，鈮0. 08 0. 15 %，其余量為鐵!^e。該技術方案在保持了一定的碳當量的同時，在鋼中加入了 0. 08 0. 15%的鈮和1.9 2. 2%的鎢元素，不含鉬元素，使得材料的組織中形成大量的鎢的碳化物，從而進行組織強化，并通過鈮元素來細化晶粒。
公開日為2009年3月25日，公開號為CN101392353，名稱為“高錳低鉻型高強韌性熱作模具鋼及其制備方法”的中國專利公開了一種熱作模具鋼，其化學成份重量百分比含量為碳 0. 3 0. 6%，硅 01 0. 5%，猛 0. 5 1. 5%，鉻 1. 5 4. 0%，鉬 1. 0 3. 0%， 釩0. 4 1. 3 %，鎢0. 5 2. 0 %，磷< 0. 02 %，硫< 0. 03 %，其余量為鐵。該技術方案同樣是通過添加鎢元素使得材料的組織中形成大量的鎢、鉬的碳化物進行組織強化。

發明內容
本發明的目的是提供一種高硅高錳熱作模具鋼及其制備方法，通過適當的化學元素配比并輔以適當的制造工藝，提高材料的沖擊韌性和抗回火穩定性，同時降低鋼的制造成本。本發明的設計構思為本發明所述的技術方案不同于現有的各種熱作模具鋼，開創性的采用硅、錳作為主要的合金化元素，充分利用硅、錳合金元素的固溶強化和對碳化物回火穩定性等作用，該措施不僅能夠保證熱作模具鋼具有高抗回火穩定性以及良好沖擊韌性，而且由于降低了鉻、鉬等貴合金元素的含量，使得該鋼種成為一種低成本經濟型的熱作模具鋼。根據本發明的上述目的，本發明提出了一種高硅高錳熱作模具鋼，其化學元素質量百分配比為:C 0. 3-0. 4%,Si 1. 2-1. 8%,Mn 0. 6-1. 5%,Cr 3. 5-4. 5%,Mo 0. 8-1. 0%, V 0. 3-0. 5%,P^O. 03%,S^O. 03%，余量為!^e和其他不可避免的雜質。上述各化學元素的添加原理如下(I)C 0. 3-0. 4%碳元素是高熱強性熱作模具鋼的主要化學元素之一，是形成鉻碳化物、鉬碳化物、 釩碳化物和各種類型碳化物的不可缺少的基本元素，也是影響鋼的成分偏析和鋼的組織均勻性的重要元素，本發明中的碳含量較之現有的4Cr5MoSiVl有所降低，其目的是改善鋼的顯微組織中的碳化物的分布和性質，改善鋼的液析碳化物的級別和分布，提高鋼材基體的沖擊韌性。較低的碳元素含量可以防止鋼在凝固的過程中產生偏析組織從而造成鋼的硬度的不均勻和沖擊韌性下降。因此，碳含量如果高于此成分設計上限，將導致過多的碳化物的形成和組織的偏析產生，影響鋼的沖擊韌性性能指標，特別是造成鋼的液析碳化物的不均勻性嚴重使得鋼的沖擊韌性降低；但是碳元素低于此成分的設計范圍也將要造成碳元素和其他合金元素結合形成碳化物的當量發生偏差，不能有效地形成穩定的鉻碳化物、鉬碳化物、釩碳化物和各種類型碳化物復合作用，影響鋼的硬度和鋼的沖擊韌性。(2) Mn 0. 6-1. 5%鋼中含有Mn元素可以改變鋼在凝固時所形成的氧化物的性質和形狀。同時它與S 有較大的親合力，可以避免在晶界上形成低熔點的硫化物i^eS，而以具有一定塑性的MnS存在，從而消除硫的有害影響，改善鋼的熱加工性能。Mn具有固溶強化作用，從而提高鐵素體和奧氏體的強度和硬度，雖然其固溶強化效果不及碳、磷和硅，但其對鋼的延展性幾乎沒有影響。錳溶入奧氏體中能強烈增加鋼的淬透性，同時強烈減低鋼的Ms點。錳是弱碳化物形成元素，它可溶入滲碳體中形成合金滲碳體(Fe，Mn) 3C，其形成可降低系統的自由能，即趨于更穩定狀態。發明人經過試驗研究發現適量的錳元素的加入可以增加鋼的基體強化作用并能推遲馬氏體組織的轉變，提高鋼的抗回火軟化性。錳元素雖然是弱碳化物形成元素， 不能夠形成碳化物強化作用，但是一定量的錳元素的加入可以促進滲碳體的分解和推遲碳化物的析出與長大，有利于鋼的熱穩定性。另外，錳元素可以造成鋼中的殘余奧氏體的含量增加與穩定，這樣可以提高鋼的韌性和抗熱疲勞性能。因此，在本發明中提高了鋼中錳元素的含量，其有利與熱作模具鋼的高溫穩定性和熱疲勞性能。而且，當錳和硅共同作用時，對本鋼種的熱穩定性和熱疲勞性能作用效果更顯者。(3) Si 1. 2-1. 8%硅是一個對鐵素體進行置換固溶強化非常有效的元素，僅次于磷，但同時在一定程度上降低鋼的韌度和塑性。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，提高鋼中硅元素的含量主要是可以使得鋼在回火的過程中馬氏體的分解減緩，硅元素可以在奧氏體到馬氏體的轉變之后的回火過程中有效阻礙馬氏體的分解，這主要是通過抑制ε碳化物質點的長大和擴大ε碳化物穩定區，延遲了 ε-碳化物向θ -碳化物的轉變。硅推遲ε — θ轉變，并能充分減小鋼中滲碳體在回火過程中的長大速率，硅原子從 θ相析出而在θ相周圍形成硅原子的富集區，抑制θ相的長大粗化。另外硅元素能有效提高鋼的抗回火軟化能力。發明人通過試驗證明，當鋼中含的Si元素時，相應可提高回火溫度 300C -500C ；當硅含量提高到1.6wt%時，能有效提高馬氏體的回火脆化溫度，并且有效抑制滲碳體的析出，從而增加殘余奧氏體的碳含量，因此提高了殘余奧氏體的含量和穩定性， 從而提高鋼的韌性和熱疲勞抗力。但是，硅量過高時還會加重鋼的脫碳敏感性，并且使碳化物聚集的過時效速度增大而難以控制。另外，硅和錳共同作用使鋼的高溫性能，如高溫抗回火軟化性能和熱疲勞性能得到更顯著的提高，這些都是對熱作模具鋼使用性能和壽命有利的。(4) Cr 3. 5-4. 5%鉻元素在本發明的合金成分設計中是對鋼的性能影響較大的合金元素，鉻元素在本技術方案中是多種形態碳化物形成的關鍵元素，鉻元素既可以是碳化物的形成元素，也是可以在鋼中提高鋼的淬透性的合金元素，但是鉻含量過高可以使得鋼的強度過高而韌性不足，降低鋼的綜合性能，也提高了鋼的合金成本。因此，在本技術方案中將鉻含量較原有的4Cr5MoSiVl鋼的鉻元素含量減少了約百分之二十，其目的是在保證鋼的淬透性的同時提高鋼的韌性和降低鋼的合金成本。鉻元素控制在本發明所述的范圍內，可以在鋼中形成穩定的多種碳化物類型，主要的鉻碳化物類型是Cr7C3和Cr23C6類型碳化物起到強化基體的作用，并且這種鉻元素的控制使得鋼在回火的過程中析出穩定的彌散相，這種彌散相 M7C3和Cr23C6不但能夠提高鋼的抗回火性能，而且能夠使得鋼產生一定的紅硬性，提高鋼的熱強性。(5)Mo 0. 8-1. 0%鉬元素是強碳化物形成元素，本發明較之現有的4Cr5MoSiVl鋼大大降低了 Mo元素的含量。鉬元素的加入能夠提高奧氏體的穩定性以及鋼的淬透性，并且在鋼的回火過程中和碳元素結合形成數量較多的較穩定的M2C合金碳化物的析出，這種析出過程是一種彌散的質點強化相析出，較為均勻的分布在鋼的基體中，具有較好的二次硬化效果。但是Mo 元素的添加會大大提高鋼的合金化成本。將Mo的加入量的控制在本發明所述的范圍內，可以使得鋼在回火的過程中獲得更多的M2C合金碳化物，并產生較大的兩次強化的作用，這對鋼的硬度和沖擊韌性的提高起著重要的作用，同時還大大降低了成本。(6) V 0.3-0.5%釩元素是強碳化物形成元素，其在鋼中的強化作用和鉬元素相似，釩元素在鋼中形成的是M2C和MC類型的碳化物，產生彌散強化相，不但能彌補鉻量的減少，而且能阻礙奧氏體晶粒的長大，改善碳化物的形態，提高鋼的強度。但釩的碳化物容易在鋼凝固過程中形成一次碳化物，成網狀或鏈狀分布在原奧氏體晶界，并且不易重溶，從而降低鋼的韌性，因此，本技術方案中釩元素含量控制在0. 3-0.5%，減小一次碳化物的析出，改善鋼的韌性。磷元素和硫元素是鋼中的有害元素。P元素增加鋼的脆性，降低鋼的沖擊韌性。S 元素在一定的程度上容易造成鋼的加工性能的惡化，容易使得鋼在熱加工的過程中產生過熱和過燒現象。因此控制硫含量可以保證鋼的加工性能和機械性能，特別是對徑鍛機鍛造開坯時的連續鍛造加工所產生的的過熱現象起到擬制的作用，并對熱作模具鋼的顯微組織的改善起到一定的作用。相應地，本發明還提供了一種高硅高錳熱作模具鋼的制備方法，其包括下列步驟(1)冶煉采用電爐冶煉澆鑄成電極棒，然后電渣重熔，電渣重熔的電壓為 56-62V，電流為11000-12000A。發明人通過大量試驗總結出控制電壓56-62V/電流 11000-12000A可以使得電渣重熔得到的電渣鋼錠的內部結晶組織細小，均勻性好，從而提高熱作模具鋼的內在質量。(2)加熱將上述電渣重熔后的電渣錠置入爐溫為700°C -800°C的加熱爐內加熱， 以60°C /h-120°C /h的升溫速度加熱至1230°C _1250°C后，保溫8-10小時。由于電爐冶煉澆鑄成電極棒，故電渣重熔后的電渣鋼錠為圓形鋼錠，圓形鋼錠在加熱過程中存在較大的表面應力使得鋼錠的熱應力敏感性提高，容易在鋼錠加熱的過程中產生應力裂紋，因此，需要控制電渣錠的入爐溫度在700°C -800°C。此外，升溫速度控制在60°C /h_120°C /h可以防止鋼錠在加熱的過程中產生熱應力裂紋，防止電渣錠的熱應力導致開裂的風險。在加熱至1230°C -1250°C后保溫8-10小時，使得鋼錠的整個表面至心部的溫度都可以保持均勻， 更重要的是消除大塊狀液析碳化物或使其細小球化，使鋼中合金元素的分布更加均勻，這樣可以改善鋼錠的可鍛形，防止電渣錠在鍛造過程中的開裂傾向，并可以改善鋼的顯微組織指標，提高鋼的基體強度和韌性。(3)鍛造控制開鍛溫度為1100°C -1150°C。該開鍛溫度與本發明中鋼種的化學元素配比是匹配的，該鋼種在1100°c -1150°C溫度范圍是鋼的奧氏體單相組織區域，有著最佳的高溫熱塑性，有利于高溫變形加工處理，不容易產生高溫熱加工開裂。如果高于此加熱溫度的上限，可能會導致成份偏析所造成的鍛造過熱，從而會形成組織的晶粒粗大，影響產品的內在質量。(4)退火熱處理。優選地，所述步驟(4)為將經過鍛造的鍛材在1080°C -1120°C的退火爐中保溫 8-10小時，然后風冷至室溫，最后再置入溫度為740°C _860°C的退火爐中保溫8-10小時后出爐空冷至室溫。采用這種工藝進行熱處理，是因為鋼錠鍛后在再結晶時容易出現晶粒粗大，且在晶界析出二次碳化物，會降低材料的性能，因此采用上述熱處理工藝對鋼錠進行一次高溫固溶，使大部分碳化物溶入奧氏體，避免二次碳化物沿晶析出，并獲得碳化物分布均勻細小的組織，降低鋼的硬度，便于機械加工。優選地，所述步驟(3)中終鍛溫度為850°C -900°C。電渣錠終鍛溫度對鋼錠終鍛質量也有著重要影響，終鍛溫度低于上述范圍，非常容易引起電渣錠在徑鍛機鍛造成材過程中產生成品材開裂，但是，停鍛溫度高于上述范圍容易引起鋼在徑鍛機鍛造開坯后產生鋼的組織粗晶現象，降低鋼的性能。優選地，所述步驟⑵中的升溫速度為80°C /h-120°C /h。本發明所述的高硅高錳熱作模具鋼具有以下優點(1)本技術方案降低了碳元素的含量、鉻元素的含量以及鉬元素含量，而提高了硅元素的含量和錳元素的含量，使得這種熱作模具鋼的合金成本較現有的熱作模具鋼下降了 10%。(2)較高含量的硅元素和錳元素，使鋼的回火馬氏體和合金碳化物更穩定，同時提高了鋼淬火后殘余奧氏體含量，提高了回火過程中殘余奧氏體的穩定性，從而提高了鋼的沖擊韌性和高溫抗回火穩定性。(3)與成分匹配的鍛造工藝和鍛后熱處理工藝有效消除了材料中的大塊狀液析碳化物，并使得材料的顯微組織均勻細小，從而提高了鋼的綜合性能。(4)本發明所述的熱作模具鋼的沖擊韌性較現有材料提升了 100%，高溫抗回火穩定性表現為620°C持續8小時，材料硬度值提升10. 5%;62(TC持續12小時，材料硬度值提升14. 3% ；620°C持續20小時，材料硬度值提升12. 9%。說明書附1為本發明實施例2中高硅高錳熱作模具鋼退火態的金相組織。圖2為本發明實施例2中高硅高錳熱作模具鋼在1030°C的淬火后的顯微組織。圖3為本發明實施例2中高硅高錳熱作模具鋼在1030°C淬火和610°C回火后的顯微組織。
具體實施例方式實施例1-5按照下列步驟制造本發明所述的熱作模具鋼，具體工藝參數參見表2，各實施例中鋼的化學元素質量百分配比見表1 (1)冶煉采用電爐冶煉澆鑄成電極棒，然后電渣重熔，電渣重熔的電壓為 56-62V,電流為 11000-12000A ；(2)加熱將上述電渣重熔后的電渣錠置入爐溫為700°C -800°C的加熱爐內加熱， 以60°C /h-120°C /h的升溫速度加熱至1230°C _1250°C后，保溫8-10小時；(3)鍛造控制開鍛溫度為1100°C _1150°C，終鍛溫度為850°C _900°C。(4)退火熱處理將經過鍛造的鍛材在1080°C -1120°C的退火爐中保溫8_10小時，然后風冷至室溫，最后再置入溫度為740°C -860°C的退火爐中保溫8-10小時后出爐空冷至室溫。表1.實施例1-5中的化學元素質量百分配比(％ )
權利要求
1.一種高硅高錳熱作模具鋼，其特征在于，其化學元素質量百分配比為 C 0. 3-0. 4% ；Si 1. 2-1. 8% ；Mn 0. 6-1. 5% ；Cr 3. 5-4. 5% ；Mo 0. 8-1. 0% ；V 0. 3-0. 5% ；P 彡 0. 03% ；S 彡 0. 03% ；余量為Fe和其他不可避免雜質。
2.如權利要求1所述的高硅高錳熱作模具鋼的制備方法，其特征在于，包括下列步驟(1)冶煉采用電爐冶煉澆鑄成電極棒，然后電渣重熔，電渣重熔的電壓為56-62V，電流為 11000-12000A ；(2)加熱將上述電渣重熔后的電渣錠置入爐溫為700°C-800°C的加熱爐內加熱，以 600C /h-120°C /h的升溫速度加熱至1230°C _1250°C后，保溫8-10小時；(3)鍛造控制開鍛溫度為IlOO0C-1150°C ；(4)退火熱處理。
3.如權利要求2所述的高硅高錳熱作模具鋼的制備方法，其特征在于，所述步驟(4) 為將經過鍛造的鍛材在1080°C-1120°C的退火爐中保溫8-10小時，然后風冷至室溫，最后再置入溫度為740V -860°C的退火爐中保溫8-10小時后出爐空冷至室溫。
4.如權利要求2所述的高硅高錳熱作模具鋼的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中控制終鍛溫度為850°C -900°C。
5.如權利要求2所述的高硅高錳熱作模具鋼的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中的升溫速度為80°C /h-120°C /h。
全文摘要
本發明公開了一種高硅高錳熱作模具鋼，其化學元素質量百分配比為C0.3-0.4％，Si 1.2-1.8％，Mn 0.6-1.5％、Cr 3.5-4.5％，Mo 0.8-1.0％，V 0.3-0.5％，P≤0.03％，S≤0.03％，余量為Fe和其他不可避免的雜質。相應地，本發明還公開了所述高硅高錳熱作模具鋼的制備方法。該高硅高錳熱作模具鋼不僅具有高抗回火穩定性以及良好沖擊韌性，而且由于降低了鉻、鉬等貴合金元素的含量，使得該鋼成為一種低成本經濟型的熱作模具鋼。
文檔編號C22C38/24GK102373376SQ201010256440
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月18日 優先權日2010年8月18日
發明者吳曉春, 周青春, 王慶亮, 石楠楠, 續維, 閔永安 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司