專利名稱：：一種高性能低成本熱作模具鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及高性能低成本近凈成形用熱作模具鋼領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：高性能低成本近凈成形用熱作模具材料是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)與核心之一，其發(fā)展水平是衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平高低的主要指標(biāo)，是推動(dòng)先進(jìn)近凈成形發(fā)展的主要技術(shù)。因此，發(fā)展以高技術(shù)含量、高附加值、高智力密集型為表征的上述材料的核心技術(shù)對(duì)促進(jìn)模具材料行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，提高模具材料產(chǎn)品的國際競爭力，均具有十分重大的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)公益效果。近凈成形制件的精度與使用壽命主要取決于模具的紅硬性、耐磨性和熱疲勞性。在一定化學(xué)成分下，鋼的耐磨性主要隨著鋼的硬度、強(qiáng)度和紅硬性的增大而提高，要具有較高的紅硬性即馬氏體在高溫下長期回火時(shí)具有較高的穩(wěn)定性；熱疲勞抗力是表征材料熱疲勞裂紋萌生前的工作壽命和萌生后的擴(kuò)展速率，隨著材料高溫屈服強(qiáng)度和斷裂韌性的提高，其萌生疲勞裂紋抗力、疲勞裂紋臨界擴(kuò)展抗力以及裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展抗力亦隨之增加。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明在創(chuàng)制凈終成形新一代熱作模具鋼的合金化及其強(qiáng)化方法與下列幾個(gè)過程密切相關(guān)。1.C、N間隙原子的固溶強(qiáng)化碳的過飽和度越低，則基體硬度降低越多，即鋼的強(qiáng)度與耐磨性能越差，但過多的碳進(jìn)入固溶體，使M2C原子比例減少，從而使高溫下抗回火穩(wěn)定性降低并引起脆性與熱疲勞裂紋。根據(jù)計(jì)算與試驗(yàn)，本發(fā)明鋼中的含碳量0.300.55較為合適。氮的加入可起到兼有增強(qiáng)的固溶強(qiáng)化以及形成高穩(wěn)定性的碳氮化合物的析出強(qiáng)化，可延緩M23C6類型碳化物析出的作用，明顯提高其熱強(qiáng)性和耐磨性。2.合金碳化物(或其他起同樣作用的第二相)的析出，第二相產(chǎn)生沉淀硬化硬度越高，硬化作用越不易受溫度升高而消失，其比容及晶格類型與母相相差越大，則越具有高的回火穩(wěn)定性。本發(fā)明中加入適量V、N元素所形成的VC、V4C3和M(C、N)等細(xì)小彌散顆粒，能與基體保持共格性聯(lián)系，提高了它的抗聚集能力和抗滑移變形能力，增加了鋼的高溫強(qiáng)度3和熱穩(wěn)定性。3.回火馬氏體中合金含量對(duì)它的物理狀態(tài)特別是a相再結(jié)晶過程有著重要的影響，對(duì)鋼的抗回火穩(wěn)定性也起著不可忽視的作用。鋼的再結(jié)晶溫度越高，則a相在淬火及脫溶分解時(shí)遭到與范型形變有關(guān)的硬化能保持到更高的穩(wěn)度。因此，在本發(fā)明鋼中含有足夠能提高再結(jié)晶溫度的合金元素相；此外，鉬還能增加淬透性、提高抗熱疲勞性能，但過高的鉬含量也促進(jìn)了脫碳傾向性并增加了熱處理的敏感性。誠然，鉤、鉬都能增強(qiáng)鐵的原子結(jié)合鍵，并對(duì)碳的擴(kuò)散能起到很大阻礙作用，但鎢的缺點(diǎn)是降低冷熱疲勞抗力且隨著鉤含量的提高增加淬火鋼的鐵素體含量。為此，本發(fā)明鋼通過實(shí)驗(yàn)采用單加鉬的方法。4.關(guān)于鉻對(duì)熱作模具鋼熱穩(wěn)定性能的影響，目前還沒有一致的看法，但鉻能提高鋼的高溫抗氧化性能且能增加熱塑性，這種作用在強(qiáng)度大于1400Mpa的高強(qiáng)模具鋼中尤為顯著。不同鉻含量對(duì)模具鋼強(qiáng)度和靭性的影響如附圖。附圖1是鉻含量對(duì)模具鋼沖擊韌性(無缺口)的影響。附圖2是鉻含量對(duì)模具鋼力學(xué)性能的影響。此外，加入鋼中的合金元素不僅要提高鋼的紅硬性、耐磨性和抗冷熱疲勞能力，還要求有良好的工藝性能，其中在模具工作溫度范圍內(nèi)不發(fā)生相變?nèi)跃哂泻艽笠饬x，這就要求加入的合金元素能顯著提高Ad溫度，縮小Ad與Ac3溫度間距離，從而使本發(fā)明鋼具有高的熱穩(wěn)定性能的同時(shí)還減弱熱處理工藝的敏感性。根據(jù)上述目的和整體技術(shù)方案，本發(fā)明具體的技術(shù)方案為本發(fā)明鋼按照重量百分比由以下元素組成C:0.30~0.55%，Si:0.4~1.0%，N:0.005~0.05%，SS0.03%，P^).03o/o，Mn:0.55~1.0%，Cr:2.7~3.5%，Mo:1.8~2.6%,V:0.6~1.2%，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明鋼已通過某高速模鍛壓力機(jī)用模具的使用考核，并可應(yīng)用于壓鑄鋁鎂合金、鋁合金擠壓等模具。本發(fā)明的鋼具有以下優(yōu)點(diǎn)1.性價(jià)比高，綜合考慮了各種工況條件對(duì)模具性能的要求。與目前工業(yè)常用的H13、3Cr2W8V等鋼相比，在保證強(qiáng)度不下降情況下，塑韌性均有不同程度提高，抗疲勞性能優(yōu)異；與HM1、HM3等高端模具材料相比，性能相當(dāng)，但成本降低很多。2.使用壽命優(yōu)異。用作高速模鍛機(jī)、鋁合金擠壓機(jī)用模具上后，經(jīng)現(xiàn)場檢驗(yàn)表明，使用壽命較H13、3Cr2W8V等有較大幅度提高。3.鋼種的生產(chǎn)制備工藝簡單。與傳統(tǒng)模具鋼制備工藝相比，采用電弧爐+LF精煉+電渣重熔或中頻+電渣均可生產(chǎn)，熱加工等生產(chǎn)工藝易于控制掌握，制品質(zhì)量及組織性能達(dá)到規(guī)定要求。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施實(shí)例來進(jìn)一步說明本發(fā)明。發(fā)明實(shí)施例1、本發(fā)明所述的面向未來高性能低成本熱作模具鋼通過變革成分配置和優(yōu)化制備工藝實(shí)現(xiàn)高性能低成本。其制備方法為(l)冶煉及合金化電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉至化學(xué)成分范圍符合要求，出鋼，爐外精煉，經(jīng)真空除氣處理使氣體含量達(dá)國標(biāo)要求，而后經(jīng)電渣重熔處理使S、P等非金屬夾雜物含量達(dá)國標(biāo)要求；(2)鍛造及退火電渣錠鍛造工藝為U301160'C加熱，始鍛溫度為1050~1100°C，終鍛溫度^85(TC;鍛造后等溫退火加熱溫度為840~870°C、保溫4h，等溫溫度為720-740°C、保溫6h，爐冷至500°C以下出爐空冷。2、根據(jù)本發(fā)明鋼種設(shè)計(jì)成分，采用EAF初煉-LF精煉-VD脫氣-電渣重熔-鍛造-熱處理工藝路線，對(duì)試驗(yàn)用鋼進(jìn)行化學(xué)成分分析及力學(xué)性能檢測。本發(fā)明例與對(duì)比鋼化學(xué)成分及比較見表1。本發(fā)明鋼與對(duì)比鋼拉伸性能相比，室溫拉伸性能與對(duì)比鋼相當(dāng)，高溫拉伸性能顯著優(yōu)于對(duì)比鋼。其具體性能數(shù)據(jù)對(duì)比見表2、表3。本發(fā)明鋼熱穩(wěn)定性能顯著優(yōu)于對(duì)比鋼。其具體性能數(shù)據(jù)對(duì)比見表4。表1本發(fā)明鋼實(shí)施例與對(duì)比鋼的化學(xué)成分，wt%<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表2本發(fā)明鋼實(shí)施例與對(duì)比鋼的抗拉強(qiáng)度對(duì)比<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表3本發(fā)明鋼實(shí)施例與對(duì)比鋼的延伸率對(duì)比<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表4本發(fā)明鋼實(shí)施例與對(duì)比鋼的熱穩(wěn)定性對(duì)比<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1、一種高性能低成本熱作模具鋼，其特征在于，化學(xué)成分范圍按重量百分比計(jì)為C0.30～0.55、Si0.4～1.0、Mn0.55～1.0、Cr2.7～3.5、Mo1.8～2.6、V0.6～1.2、N0.005～0.05，其余為Fe。2、如權(quán)利要求1所述的高性能低成本模具鋼，其特征在于相關(guān)的關(guān)鍵制備工藝。全文摘要本發(fā)明涉及一種高性能低成本凈終成形用熱作模具鋼領(lǐng)域，其化學(xué)成分按重量wt％含有C0.30～0.45、Si0.4～1.0、Mn0.55～1.0、Cr2.7～3.5、Mo1.8～2.6、V0.6～1.2、N0.005～0.05，其余為Fe。本發(fā)明添加兼有固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化以及細(xì)化晶粒和抑制M₂₃C₆碳化物顆粒聚集長大的合金元素，使其達(dá)到高的熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性與熱疲勞抗力的同時(shí)，又保持良好的韌性與工藝性能，其主要性能顯著優(yōu)于目前國內(nèi)外工業(yè)常用的H13(4Cr5MoSiV1)等同類熱作模具鋼。本發(fā)明在含3％Cr、5％Cr和10％Cr類型鋼的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了單加或復(fù)加不同含量W、Mo、V在不同溫度條件下對(duì)組織性能和使用性能的影響外，還深入研究了N、Al和稀有金屬元素的影響規(guī)律；研究發(fā)現(xiàn)本類型鋼的熱穩(wěn)定性與其中形成的碳化物點(diǎn)陣類型密切相關(guān)，且隨著碳化物形成元素的原子半徑增加而提高。從而為發(fā)展新型熱作模具鋼提供了重要的啟示。文檔編號(hào)C22C38/24GK101476082SQ20091007763公開日2009年7月8日申請(qǐng)日期2009年2月10日優(yōu)先權(quán)日2009年2月10日發(fā)明者夏鵬成,方健儒,王淼輝,葛學(xué)元,陳蘊(yùn)博申請(qǐng)人:機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心