專利名稱：一種熱沖壓模具鋼及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種模具鋼及其制造方法，尤其涉及一種熱作模具鋼及其制造方法。
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。熱沖壓模具鋼屬于熱作模具鋼類，主要用于獲得超高強度的沖壓件。鋼板熱沖壓過程是將特殊的高強度鋼板加熱到奧氏體溫度范圍，然后快速移動到模具，進行快速沖壓；再在壓機保壓狀態下，通過布置有冷卻水回路的模具(而不是空氣)以一定冷卻速度對零件進行淬火冷卻， 最后獲得組織為馬氏體、強度在1500MPa左右甚至更高的超高強度沖壓件。在作業時模具需長時間與加熱的坯料相接觸，當熾熱的金屬放入熱沖壓模具型腔時，型腔表面急劇升溫， 會產生壓應力和壓應變，這使得模具需要較好的熱強性和熱穩定性；在淬火過程中，為了使模具能很快地把鋼板的熱量帶走以及保證模具在工作工程中的精度，模具材料必需具有較大的導熱系數和較小的熱膨脹系數；當金屬件取出時，型腔表面由于急劇降溫而會受到拉應力和拉應變作用，再加上熱作模具鋼在服役過程中，還要承受較大的沖擊載荷，使得模具極易產生熱疲勞；此外，為防止在服役過程中模具表面產生的拉毛，模具還需具有較高的硬度。因此，在復雜的工況下作業要求熱沖壓模具材料具有較高的導熱率、熱強度、溫硬度、沖擊韌性、淬透性和熱穩定性和抗冷熱疲勞性能等。我國目前使用的熱沖壓模具鋼采用的是國家標準GB/T1299-2000中鋼號為 4Cr5MoSiVl的熱沖壓模具鋼。這種熱沖壓模具鋼的化學成分為C 0. 32 0. 45wt %、 Cr 4. 75 5. 50wt%、Mo I. 20 1.75wt%、V 0. 80 1.20wt%、Si 0. 80 1.2wt%、Mn
0.20 0. 5wt%、P彡0. 03wt%,S ^ 0. 03wt%。這種熱沖壓模具鋼屬于中碳中合金鋼，含有較多的合金元素，特別是化學成分中含有較多的硅元素，它嚴重降低鋼的熱導率。其次， 這種熱沖壓模具鋼的化學成分碳含量較低，回火時二次硬化能力較差。含有鑰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。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以及發生類型轉變，并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。4Cr5MoSiVl這種鋼的性能指標如下調質硬度為46. 5HRC，導熱率為24. 5ff/m !(，沖擊韌性值Ak為150J。這些熱導率、沖擊韌性、硬度值和抗回火穩定性指標是衡量熱沖壓模用鋼質量好壞的關鍵技術指標。公開號為CN101403074，
公開日為2009年4月8日，名稱為“一種新型鉻系熱作模具鋼及其熱處理工藝”的中國專利公開了一種鉻系熱作模具鋼，其化學成分重量百分比含量為C 0. 35 0. 7%，Si 0. 3 I. 3%, Mn 0. 3 I. 3%, Cr 7. 0 11. 0%, W 0. 4
1.2%, Mo 0. 4 I. 2%, V 0. 4 I. 2%, NiO. 10 I. 00%, S ≤ 0. 005%, P ≤0. 030%, B
0.03% -0. 10%，氮化物含量為0. 02 0. 20%，N 0. 02% 0. 10%，其余為鐵Fe。該專利將鉻含量提高到7 11%，主要是考慮到鉻元素較為普遍與價廉，其一部分能溶入鋼中起固溶強化作用；另一部分與碳結合，按含鉻量高低以(FeCr)3C、(FeCr)7(3和M23C6形式存在。 此外，鋼中含有鉻、鑰和釩，當鉻含量大于3%時，鉻能阻止V4C3的生成，并且推遲Mo2C的共格析出，由于V4C3和Mo2C是提高鋼材的高溫強度和抗回火性的強化相，因此該種鋼的高溫強度和抗回火性較低。此外，在該專利中，加入了 Ni O. 10 1.00%，W 0.4 1.2%，而鑰元素的含量較低，使得材料的組織中形成大量鎢的碳化物，對組織進行強化，并通過鎳元素來細化晶粒，增加韌性，進一步對基體進行強化。公開號為CN101240400，
公開日為2008年8月13日，名稱為一種低成本熱作模具鋼的中國專利公開了一種低成本熱作模具鋼，其化學成分的重量百分比含量為c 0. 38
O.42%, Si :0· 9 I. 1%，S 彡 O. 030%, P 彡 O. 030%, Mn 0. 3 O. 5%，W :0· 9 I. 2%， Mo 0. 45 O. 55%, Cr 4. 8 5. 2%，V 0. 25 O. 45%, Nb 0. 08 O. 15%，其余為 Fe 及不可避免的雜質。該專利中含有鈮元素，其含量為O. 08 O. 15%，鈮元素主要固溶在基體內，并且分布均勻，起到固溶強化的作用。另外，在長時間保溫時候材料組織中的鈮元素從基體彌散析出NbC，從而增強材料的抗回火軟化能力；此外，該模具鋼中鉻元素和硅元素的含量較高，能形成致密氧化膜來提高鋼的抗氧化性，加入小于6%的鉻元素對提高回火抗力是有利的，但未能構成二次硬化；結合O. 38 O. 42%的碳，能形成大量的鉻、鑰的碳化物， 對組織進行強化。該專利對鋼性能的作用和強化機理主要是通過增加鉻、鑰、鈮的碳化物對基體進行進一步強化。公開號為JP2008095181，
公開日為 2008 年 4 月 24 日，名稱為“HOT-WORKING TOOL STEEL HAVING SUPERIOR TOUGHNESS AND HIGH-TEMPERATURE STRENGTH”的日本專利文獻公開了一種熱作模具鋼，其化學成分的質量百分比為C 0. 34 0. 40% ；Si 0. 3 0. 5% ；Mn
0.45 O. 75% ;Ni O 0.5%;Cr 4. 9 5. 5% ;Mo與W單獨或一起加入，其含量為2. 5
2.9%，并且滿足Mo+l/2W;V 0.5 0.7% ;其余為Fe和其它不可避免的雜質。該專利中， 硅含量為0. 3 0. 5%，其有利于減少硅對材料導熱系數的損害，減少帶狀組織的出現，同時能提高鋼的橫向性能；鑰含量保持在2. 5 2. 9%，有利于在回火時馬氏體中析出Mo2C, 從而使鋼具有二次硬化的效果。由于該專利大幅提高了鉻元素含量，降低了釩元素的含量， 并且增加了鎳和鎢元素，使其雖然能夠獲得較高硬度和耐熱性能的鋼，但其成本也相應地大幅增加。上述各專利的熱作模具鋼的化學成分見表I。表l.(wt%)
權利要求
1.一種熱沖壓模具鋼，其特征在于，其化學元素重量百分含量為C c.43 Ο-48%SiO. 3ν Ο-5% ；MnO. 5ν O.8% ；Cr2. 3 2.7% ；MoI. 9 2.4% ；V :0. 7 I. 0% ；P ≤ O. 03% ；S≤ O. 03% ；其余為Fe和其他不可避免的雜質。
2.如權利要求I所述的熱沖壓模具鋼的制造方法，其特征在于，包括下列步驟(1)電渣重熔電制度電壓為57 59V，電流為11000 12000A；(2)將電渣錠放入爐溫為700 800°C的徑鍛機加熱爐內，以80 120°C/h的升溫速度加熱至1230 1260°C，然后保溫3 5h ;(3)徑鍛機鍛造開鍛溫度為1100 1150°C，停鍛溫度為850 900°C；(4)將電渣錠放入740 830°C的退火爐中保溫14 16h，然后爐冷至室溫。
3.如權利要求2所述的熱沖壓模具鋼的制造方法，其特征在于，所述步驟⑴中電渣重熔成的電渣錠重量為2000 3000kg。
全文摘要
本發明公開了一種熱沖壓模具鋼，其化學元素重量百分含量為C0.43～0.48％；Si0.3～0.5％；Mn0.5～0.8％；Cr2.3～2.7％；Mo1.9～2.4％；V0.7～1.0％；P≤0.03％；S≤0.03％；其余為Fe和其他不可避免的雜質。此外，本發明還提供一種熱沖壓模具鋼的制造方法，其采用電渣重熔工藝、高溫均勻化和超細化熱處理工藝控制材料組織，從而起到對材料的強化作用，提高其性能指標。較之現有材料，本發明所述的熱沖壓模具鋼的熱導系數提高了29.5％以上，調質硬度提高了7.5％以上，沖擊韌性提高了16.7％以上；并且該熱沖壓模具鋼還具有成本低，綜合性能高等優點。
文檔編號C21D1/26GK102605261SQ20121008121
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者吳曉春, 尹學煒, 張恒, 續維 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司