一種抗熱疲勞的熱作模具鋼及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種抗熱疲勞的熱作模具鋼，其包括以下組分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)：C?0.38～0.42％，Si?0.8～1.1％，Mn?0.2～0.5％，Cr?2.8～3.3％，Mo?1.2～1.5％，V?1.2～1.5％，Mg?0.0005～0.003％，Zr?0.01～0.3％，Nb?0.001～0.03％，雜質(zhì)P<0.03％，S<0.03％，F(xiàn)e余量。本發(fā)明專利技術(shù)對各組分進(jìn)行合理組配，其中Mg微合金化，能夠使合金在熱疲勞過程中抑制Mo、V和Cr等碳化物形成元素在晶界的析出作用，使基體析出細(xì)小均勻分布的碳化物顆粒，阻礙疲勞裂紋的萌生，Zr微合金化使合金生成細(xì)小彌散分布的穩(wěn)定析出相ZrN，具有釘扎位錯(cuò)，提高合金抗疲勞軟化的能力，Nb微合金化的生成的析出相NbC能夠提高鋼的強(qiáng)度和抗疲勞軟化能力。與通用型H13鋼相比，本發(fā)明專利技術(shù)中的熱作模具鋼，具有更高的熱穩(wěn)定性、抗熱疲勞性能以及高溫強(qiáng)度。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種抗熱疲勞的熱作模具鋼及其制備方法
本專利技術(shù)涉及鋼鐵
，尤其涉及一種抗熱疲勞的熱作模具鋼及其制備方法。
技術(shù)介紹
熱作模具鋼對硬度要求適當(dāng)，側(cè)重于紅硬性，導(dǎo)熱性以及耐磨性，其含碳量低，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性和紅硬性為主。熱作模具工作條件的主要特點(diǎn)是與熱態(tài)金屬相接觸，這是與冷作模具工作條件的主要區(qū)別。目前最廣泛應(yīng)用的熱作模具鋼是引進(jìn)ASTM標(biāo)準(zhǔn)的通用型H13鋼，等同于GB/T1299-2000標(biāo)準(zhǔn)的鋼號4Cr5MoSiV1。H13鋼強(qiáng)韌兼?zhèn)洌哂辛己玫木C合力學(xué)性能，是一種冷熱兼用的模具鋼，但H13鋼的熱穩(wěn)定性不足，當(dāng)使用溫度超過600℃時(shí)，力學(xué)性能將不能滿足使用需要。如H13鋼用于熱鍛模時(shí)，模具表面軟化嚴(yán)重，易發(fā)生塌陷和龜裂現(xiàn)象，表明H13鋼的高溫強(qiáng)度和抗熱疲勞性能的不足。因此，開發(fā)具有高的高溫強(qiáng)度和高的抗熱疲勞性能的熱作模具鋼具有十分重要的意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)而提供一種耐高溫、抗熱疲勞性能強(qiáng)的熱作模具鋼。本專利技術(shù)所要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)而提供一種上述熱作模具鋼的制備方法。本專利技術(shù)解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種抗熱疲勞的熱作模具鋼，其特征在于包括以下組分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)：C0.38～0.42％，Si0.8～1.1％，Mn0.2～0.5％，Cr2.8～3.3％，Mo1.2～1.5％，V1.2～1.5％，Mg0.0005～0.003％，Zr0.01～0.3％，Nb0.001～0.03％，雜質(zhì)P<0.03％，S<0.03％，F(xiàn)e余量。作為優(yōu)選，上述組分中V和C的質(zhì)量比V/C與Mo和C的質(zhì)量比Mo/C滿足以下關(guān)系式：V/C+0.53×Mo/C≥4.68。作為優(yōu)選，上述組分中V和C的質(zhì)量比V/C與Mo和C的質(zhì)量比Mo/C滿足以下關(guān)系式：V/C+0.27×Mo/C≤4.25。本專利技術(shù)解決第二個(gè)技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種上述的熱作模具鋼的制備方法，其包括以下步驟：(1)冶煉不同成分配方的熱作模具鋼；(2)感應(yīng)熔煉加精煉加電渣重熔：用中頻感應(yīng)爐冶煉，經(jīng)精煉后澆鑄成電極棒，電渣重熔成鋼錠并退火，工藝按H13鋼現(xiàn)行工藝執(zhí)行；(3)鍛造：將上述鋼錠按H13工藝鍛造成不同規(guī)格的鍛板；(4)熱處理：按H13鋼熱處理工藝執(zhí)行，經(jīng)1030℃±5℃油淬處理，并通過多次充分回火，使模具鋼硬度達(dá)到HRC45～49。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：本專利技術(shù)對各組分進(jìn)行合理組配，其中Mg微合金化，能使合金在熱疲勞過程中抑制Mo、V和Cr等碳化物形成元素在晶界的析出，使基體析出細(xì)小均勻分布的碳化物顆粒，阻礙疲勞裂紋的萌生，Zr微合金化使合金生成細(xì)小彌散分布的穩(wěn)定析出相ZrN，具有釘扎位錯(cuò)、提高合金抗疲勞軟化的作用，Nb微合金化生成的析出相NbC能夠提高鋼的強(qiáng)度和抗疲勞軟化能力。與通用型H13鋼相比，本專利技術(shù)中的熱作模具鋼，具有更高的熱穩(wěn)定性、抗熱疲勞性能以及高溫強(qiáng)度。附圖說明圖1為本專利技術(shù)中的熱作模具鋼(鋼號為4Cr3MoSiV)與H13鋼在600℃和650℃的熱穩(wěn)定性曲線；圖2為本專利技術(shù)中的熱作模具鋼(鋼號為4Cr3MoSiV)熱疲勞后表面和截面的裂紋形貌圖；圖3為H13鋼熱疲勞后表面和截面的裂紋形貌圖；圖4為本專利技術(shù)中的熱作模具鋼(鋼號為4Cr3MoSiV)與H13鋼熱疲勞后截面上硬度隨深度的變化曲線圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖實(shí)施例對本專利技術(shù)作進(jìn)一步詳細(xì)描述。本專利技術(shù)中的抗熱疲勞的熱作模具鋼，其包括以下組分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)：：C0.38～0.42％，Si0.8～1.1％，Mn0.2～0.5％，Cr2.8～3.3％，Mo1.2～1.5％，V1.2～1.5％，Mg0.0005～0.003％，Zr0.01～0.3％，Nb0.001～0.03％，雜質(zhì)P<0.03％，S<0.03％，F(xiàn)e余量。熱作模具鋼是高溫固溶態(tài)FCC奧氏體，通過淬火得到馬氏體組織，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)團(tuán)簇是中心一個(gè)Fe原子，周圍12個(gè)Fe原子構(gòu)成的立方八面體結(jié)構(gòu)，團(tuán)簇可以表示為：FeFe12。合金中的元素與Fe元素具有負(fù)混合焓的，說明合金中的元素與Fe具有較強(qiáng)的相互作用，固溶到團(tuán)簇心部位置，而弱相互作用的合金元素固溶到連接原子位置，合金元素Cr、Mo、V和Si與Fe具有負(fù)混合焓，固溶到團(tuán)簇心部原子位置，Mn與Fe的混合焓值為0，固溶到連接原子位置，所以合金的平均成分可以表示成團(tuán)簇式：[(CrMoVSi)Fe12](FeMn)3，共包含16個(gè)原子，這個(gè)基礎(chǔ)團(tuán)簇在奧氏體結(jié)構(gòu)中可以排列成BCC結(jié)構(gòu)，合金成分可以表示成一個(gè)大的團(tuán)簇式形式：[(CrMoVSi)Fe12]16[(FeMn)3]16，即基礎(chǔ)團(tuán)簇式放大16倍，放大的團(tuán)簇式包含256個(gè)原子。現(xiàn)有的H13鋼經(jīng)完全退火后，基體中處于固溶態(tài)的合金含量為Si0.93、Mn0.25、V0.33、Mo0.69、Cr3.10和C0.12(質(zhì)量百分比)，按大團(tuán)簇式256個(gè)原子計(jì)算，轉(zhuǎn)化為合金原子個(gè)數(shù)，約為Si5Mn1V1Mo1Cr9C1.5，即為H13鋼基體中固溶合金元素的原子含量。H13鋼中超出大團(tuán)簇式的原子則以碳化物形態(tài)析出，主要是強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、V及C，而Cr的球狀Cr23C6碳化物粗化是H13鋼在熱疲勞過程中軟化并降低疲勞抗性的主要原因。本專利技術(shù)為了避免過多的Cr形成球狀Cr23C6，Cr元素含量不超過Cr9(質(zhì)量百分比約為3.3％)，而只增加熱穩(wěn)定性更高的碳化物形成元素Mo和V，與C形成Mo2C、MoC和VC。本專利技術(shù)在原子個(gè)數(shù)Si5Mn1V1Mo1Cr9C1.5的基礎(chǔ)上，再增加Mo1個(gè)和V2.5個(gè)原子,相應(yīng)增加C3.5個(gè)，從而得到本專利技術(shù)熱作模具鋼的原子含量為Si5Mn1V3.5Mo2Cr9C5，換算為質(zhì)量百分比含量為Si1.0％，Mn0.4％，V1.25％，Mo1.35％，Cr3.3％，C0.42％。因此，本專利技術(shù)中，優(yōu)選地，上述組分中V和C的質(zhì)量比V/C與Mo和C的質(zhì)量比Mo/C滿足以下關(guān)系式：V/C+0.53×Mo/C≥4.68，V/C+0.27×Mo/C≤4.25。實(shí)施例1～10的化學(xué)成分組成如表1所述，實(shí)施例1～10中V/C與Mo/C的關(guān)系如表2所述。上述熱作模具鋼的制備過程如下：(1)按上述組分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，冶煉不同成分配方的熱作模具鋼；(2)感應(yīng)熔煉加精煉加電渣重熔：用中頻感應(yīng)爐冶煉，經(jīng)精煉后澆鑄的電極棒，電渣重熔成3噸鋼錠并退火，工藝按H13鋼現(xiàn)行工藝執(zhí)行；(3)鍛造：將上述鋼錠按H13工藝鍛造成不同規(guī)格的鍛板；(4)熱處理：按H13鋼熱處理工藝執(zhí)行，經(jīng)1030℃±5℃油淬處理，并通過多次充分回火，使模具鋼硬度達(dá)到HRC45～49。對各實(shí)施例以及H13鋼分別進(jìn)行測試，3000次熱疲勞性能、600℃高溫強(qiáng)度以及600℃熱穩(wěn)定性如表3所述。由表3可見，本專利技術(shù)的熱作模具鋼疲勞表面硬度≥39HRC，疲勞軟化深度≤1.0mm，截面裂紋深度≤76mm，表面裂紋寬度≤38um，600℃高溫強(qiáng)度≥1100MPa，600℃保溫20小時(shí)，硬度比H13鋼高2.5HRC以上，熱疲勞性能，高溫強(qiáng)度，熱穩(wěn)定性都優(yōu)于通用性H13鋼。熱穩(wěn)定性測試：本專利技術(shù)中的熱作模具鋼和H13鋼經(jīng)熱處理調(diào)質(zhì)后硬度均為49HRC，并進(jìn)行600℃和650℃熱穩(wěn)定性本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種抗熱疲勞的熱作模具鋼，其特征在于包括以下組分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)：C?0.38～0.42％，Si?0.8～1.1％，Mn?0.2～0.5％，Cr?2.8～3.3％，Mo?1.2～1.5％，V?1.2～1.5％，Mg?0.0005～0.003％，Zr?0.01～0.3％，Nb?0.001～0.03％，雜質(zhì)P<0.03％，S<0.03％，F(xiàn)e余量。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種抗熱疲勞的熱作模具鋼，其特征在于包括以下組分及其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)：C0.38～0.42％，Si0.8～1.1％，Mn0.2～0.5％，Cr2.8～3.3％，Mo1.2～1.5％，V1.2～1.5％，Mg0.0005～0.003％，Zr0.01～0.3％，Nb0.001～0.03％，雜質(zhì)P<0.03％，S<0.03％，F(xiàn)e余量。2.如權(quán)利要求1所述的熱作模具鋼，其特征在于，上述組分中V和C的質(zhì)量比V/C與Mo和C的質(zhì)量比Mo/C滿足以下關(guān)系式：V/C+0.53×Mo/C≥4.68。3.如權(quán)利要求2所述的熱作模具鋼，其特征在于，上述組...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：任美康，羅靈杰，
申請(專利權(quán))人：寧波禾順新材料有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江,33