一種高強度模具鋼及其加工方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及金屬材料的技術(shù)領(lǐng)域，它涉及一種高強度模具鋼及其加工方法，包括以下元素并按照質(zhì)量百分比計：0.45%～0.65%的碳,4.16%～8.5%的鉻，0.56%～2.13%的鉬,0.55%～1.96%的錳,1.45%～3.04%的硅,0.003%～0.009%的鉭,0.13%～0.25%的硼,0.22%～0.39%的鎢，不高于0.019%的硫和不高于0.023%的磷,余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)，將廢鋼、鉻鐵、鎢渣鐵和鉬鐵混合加熱熔化，鋼水溫度達到950℃以上時,最后加入硅鐵和錳鐵，爐前調(diào)整成分合格后將鋼水溫度升至1050～1200℃，依次加入鉭鐵和含氮錳鐵，再次加熱5min～8min使得鋼水溫度達到1300℃后添加入硼鐵再次燒1min～3min后直接將鋼水澆鑄成鑄件或鑄錠。
【專利說明】
一種高強度模具鋼及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，它涉及一種高強度模具鋼及其加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]用模具加工成型零件具有生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好、節(jié)約材料和成本低等一系列優(yōu)點，應(yīng)用范圍極其廣泛。熱作模具鋼是一類重要的模具材料，由于熱作模具是在高溫下長時間工作的，隨著服役時間的延長其組織將發(fā)生變化，性能也會相應(yīng)地發(fā)生改變，因此，這就要求熱作模具鋼具有良好的強韌性、冷熱疲勞性能及高溫?zé)岱€(wěn)定性等。
[0003]如何提高模具鋼的結(jié)構(gòu)強度，進而提高其使用壽命是當今模具行業(yè)所面臨的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)強度大，耐磨性強的的模具鋼及其加工方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案:
一種高強度模具鋼，包括以下元素并按照質(zhì)量百分比計:0.45%?0.65%的碳，4.16%?8.5%的鉻，0.56%?2.13%的鉬，0.55%?I.96%的錳，I.45%?3.04%的硅，0.003%?0.009%的鉭，0.13 %?0.25%的硼，0.22 %?0.39%的鎢，不高于0.019%的硫和不高于0.023%的磷，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
[0006]上述當中的元素的效果體現(xiàn):碳是強化機體組織和擴大奧氏體區(qū)域的元素，當碳含量增加時，可以適當降低錳的含量，從而減輕鋼的冷作硬化現(xiàn)象。同時，碳含量的提高，可以提高基體的強度，并可以和其他合金元素形成不同的M2C和MC型碳化物，達到強化基體的效果；但碳含量過高時，將對鋼的韌性造成負面影響，并降低鋼的抗冷熱疲勞性能。
[0007]硅在煉鋼的過程中，用作還原劑和脫氧劑。硅在鋼中不形成碳化物，而是以固溶體的形態(tài)存在于奧氏體中，它提高鋼中固溶體的強度和冷加工變形硬化率的作用極強，硅有利于碳化物在高溫時效過程中析出，還可以增加析出碳化物的彌散度，提高高溫抗氧化能力和基體抗力。
[0008]錳是該發(fā)明鋼中形成奧氏體的基本元素，可以達到穩(wěn)定奧氏體相，并可以增加材料的機體強度，在高溫時可以使得材料保持奧氏體組織，材料高溫時獲得穩(wěn)定的奧氏體組織的相。由于高錳鋼存在冷作硬化現(xiàn)象，當其含量過高時，不利于機加工，因此錳的含量要選在一個合理的范圍內(nèi)。
[0009]鉻加入鋼中能顯著改善鋼的機加工性能和抗氧化性能，增加鋼的抗腐蝕能力。鉻也可溶入奧氏體中，起固溶強化作用。鉻元素同時可以增加材料的淬透性，并在材料的冷卻過程中析出相應(yīng)的合金碳化物起到強化作用。另外，鉻與錳的配合可形成穩(wěn)定的奧氏體，因此可以減少錳的加入量。
[0010]鉬屬于縮小奧氏體相區(qū)的元素，鉬在鋼中存在于固溶體相和碳化物中。在碳化物相中，當鉬含量較低時，與鐵及碳形成復(fù)合的滲碳體，當含量較高時，則形成它自己的特殊碳化物。鉬的擴散速度遠小于碳的擴散速度。鉬在鋼中的作用可歸納為提高淬透性、提高熱強性、防止回火脆性、提高剩磁和矯頑力，提高在某些介質(zhì)中的抗蝕性與防止點蝕傾向等。鉬溶入奧氏體中，固溶強化基體，也可以形成碳化物，增強了鋼的高溫強度、硬度和耐磨性。當鉬的含量超過2.5%時，容易造成鋼的脫碳，其含量要得到合理控制。
[0011]硼可以改善冶金工業(yè)中燒結(jié)礦的質(zhì)量，降低熔點、減小膨脹，提高強度硬度。
[0012]鉭、鎢強碳化物形成元素，形成的碳化物硬度高，可以提高模具鋼耐磨性，另外溶于基體的部分鎢、鉭可以提高基體強度，有利于改善模具鋼的耐磨性。另外，鎢、鉭具有良好的細化凝固組織和碳化物的作用，有利于提高模具鋼的強度和韌性。鎢、鈮、鉭是昂貴合金元素，為了降低模具鋼的生產(chǎn)成本，加入鎢渣鐵合金補充鎢、鉭。鎢渣鐵合金是鐵合金廠冶煉鎢鐵所剩的工業(yè)廢渣，其中仍含有一定量的鎢、錳、鈮、鉭和鈦等合金元素，這些廢渣若長期大量堆積還會造成環(huán)境污染，造成資源的巨大浪費。本發(fā)明將鎢渣鐵合金直接加入熔爐中冶煉，可以對模具鋼起良好的微合金化作用。
[0013]鋼中磷和硫在凝固過程中形成磷化物和硫化物在奧氏體晶界沉淀。因而產(chǎn)生晶間脆性，使鋼的塑性降低，還會使鋼錠鍛乳時在偏析區(qū)產(chǎn)生裂紋，降低了鋼的力學(xué)性能。
[0014]一種適用于高強度模具鋼的加工方法，如下步驟:
a.對熔爐進行預(yù)升溫，使得容爐內(nèi)溫度到達150°C，再將廢鋼、鉻鐵、鎢渣鐵和鉬鐵混合加熱熔化，鋼水溫度達到950°C以上時，最后加入硅鐵和錳鐵，爐前調(diào)整成分合格后將鋼水溫度升至1050?1200°(:，依次加入鉭鐵和含氮錳鐵，再次加熱511^11?81^11使得鋼水溫度達到1300 °C后添加入硼鐵再次燒Imin?3min后直接將鋼水澆鑄成鑄件或鑄錠；
b.預(yù)制胚件，將步驟a當中的鑄件或鑄錠從爐內(nèi)取出放置平臺上，通過鍛壓機進行鐓粗，鐓粗比為3.1以上，然后軸向采用WHF鍛造法拔長為正方，每趟壓下量20%后，重新回爐加熱至12500C，保溫2h。采用這樣的鍛造方式能夠完成破碎鋼錠內(nèi)部的粗大晶枝，將鋼錠的鑄態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)殄憫B(tài)組織，初步鍛合內(nèi)部孔隙，壓實中心疏松等缺陷。
[0015]c.將經(jīng)步驟b后的使用FM鍛造法拔長，對鍛件采用上下大平板將鍛件鐓粗，然后采用大壓下量的FM鍛造法拔長，即用上寬砧，下平臺，對鍛件沿原有纖維方向進行拔長，之后進爐加熱至1250°C保溫2.5h以上，采用該法能夠非常有利的壓實鍛件內(nèi)部中心疏松，消除縮孔等缺陷。足夠的保溫時間能夠使鋼錠內(nèi)部原子得到充分的高溫擴散，能夠使鍛合的內(nèi)部缺陷得到焊合。
[0016]d.將經(jīng)步驟c后制成的鍛件拔長至成品尺寸；
e.將鍛件進行熱處理，進而得到成品模具鋼；
f.將模具鋼在_120°C左右液氮中處理2?3h;
g.升至室溫，保存10?15h后，再加熱至240?260°C，保溫I?2h，空冷。
[0017]本發(fā)明進一步設(shè)置為:所述步驟b采用WHF鍛造法，即超寬平砧強壓拔長法，砧寬比為0.45?0.67，每次壓下率至少為20%，拔截面為長方形的鍛件，此時料寬比B/Η為
0.88?1.95，長寬比 L/H 為2.5?3.4。
[0018]本發(fā)明進一步設(shè)置為:所述步驟c中采用大壓下量的FM鍛造法，即對鍛件采用上下大平板將鍛件鐓粗，以鍛件原有長度纖維方向為鍛件寬度方向，原寬度方向變?yōu)殚L度方向。
[0019]本發(fā)明進一步設(shè)置為:所述步驟e熱處理工藝為:模具鋼重新回爐加熱至900°C?950°C并保溫3?5h，然后然后繼續(xù)隨爐加熱至950?1000°C，保溫1.5?2.5h，再繼續(xù)加熱至1050?1100 °C，保溫0.5?1.2h，而后油冷至不高于100 °C后重新加熱至5600C?710°C的溫度范圍并保溫3h，出爐水冷低于200°C后，空冷。
[0020]對比現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的有益效果:
模具鋼實現(xiàn)了高強度的目的，在物理或化學(xué)的調(diào)節(jié)下，模具鋼具備了極強的耐壓性及極強的耐腐蝕能力。
【具體實施方式】
[0021]
實施例1:
一種高強度模具鋼，包括以下元素并按照質(zhì)量百分比計:0.45%的碳，4.16%的鉻，0.56%的鉬，0.55%的錳，I.45%的硅，0.003%的鉭，0.13%的硼，0.22%的鎢，不高于0.019%的硫和不高于0.023%的磷，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
[0022]a.對熔爐進行預(yù)升溫，使得容爐內(nèi)溫度到達150°C，再將廢鋼、鉻鐵、鎢渣鐵和鉬鐵混合加熱熔化，鋼水溫度達到950°C以上時，最后加入硅鐵和錳鐵，爐前調(diào)整成分合格后將鋼水溫度升至1050°C，依次加入鉭鐵和含氮錳鐵，再次加熱5min使得鋼水溫度達到1300°C后添加入硼鐵再次燒Imin后直接將鋼水澆鑄成鑄件或鑄錠；
b.預(yù)制胚件，將步驟a當中的鑄件或鑄錠從爐內(nèi)取出放置平臺上，通過鍛壓機進行鐓粗，鐓粗比為3.1以上，然后軸向采用WHF鍛造法拔長為正方:砧寬比為0.45，每次壓下率至少為20%，拔截面為長方形的鍛件，此時料寬比B/Η為0.88，長寬比L/H為2.5，重新回爐加熱至1250°C，保溫2h;
c.將經(jīng)步驟b后的使用FM鍛造法拔長，即對鍛件采用上下大平板將鍛件鐓粗，以鍛件原有長度纖維方向為鍛件寬度方向，原寬度方向變?yōu)殚L度方向，之后進爐加熱至1250°C保溫2.5h以上，
d.將經(jīng)步驟c后制成的鍛件拔長至成品尺寸；
e.將鍛件進行熱處理，進而得到成品模具鋼；
f.將模具鋼在_120°C左右液氮中處理2h;
g.升至室溫，保存1h后，再加熱至240 C，保溫Ih，空冷。
[0023]步驟e熱處理工藝為:模具鋼重新回爐加熱至900°C并保溫3h，然后然后繼續(xù)隨爐加熱至950°C，保溫1.5 h，再繼續(xù)加熱至1050°C，保溫0.5 h，而后油冷至不高于100°C后重新加熱至5600C的溫度范圍并保溫3h，出爐水冷低于2000C后，空冷。
[0024]采用本實例I的模具鋼的力學(xué)檢測數(shù)據(jù)如下:
硬度HRC:80
抗彎強度:3000Mpa 沖擊韌性:90J/cm2 抗壓強度:3500 Mpa 耐磨性:達到D2。
[0025]實施例2:
一種高強度模具鋼，包括以下元素并按照質(zhì)量百分比計:0.65%的碳，8.5%的鉻，2.13%的鉬，1.96%的錳，3.04%的硅，0.009%的鉭，0.25%的硼，0.39%的鎢，不高于0.019%的硫和不高于0.023%的磷，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
[0026]a.對熔爐進行預(yù)升溫，使得容爐內(nèi)溫度到達150°C，再將廢鋼、鉻鐵、鎢渣鐵和鉬鐵混合加熱熔化，鋼水溫度達到950°C以上時，最后加入硅鐵和錳鐵，爐前調(diào)整成分合格后將鋼水溫度升至1200°C，依次加入鉭鐵和含氮錳鐵，再次加熱Smin使得鋼水溫度達到1300°C后添加入硼鐵再次燒3min后直接將鋼水澆鑄成鑄件或鑄錠；
b.預(yù)制胚件，將步驟a當中的鑄件或鑄錠從爐內(nèi)取出放置平臺上，通過鍛壓機進行鐓粗，鐓粗比為3.1以上，然后軸向采用WHF鍛造法拔長為正方:砧寬比為0.45，每次壓下率至少為20%，拔截面為長方形的鍛件，此時料寬比B/Η為1.95，長寬比L/H為3.4，重新回爐加熱至1250°C，保溫2h;
c.將經(jīng)步驟b后的使用FM鍛造法拔長，即對鍛件采用上下大平板將鍛件鐓粗，以鍛件原有長度纖維方向為鍛件寬度方向，原寬度方向變?yōu)殚L度方向，之后進爐加熱至1250°C保溫2.5h以上，
d.將經(jīng)步驟c后制成的鍛件拔長至成品尺寸；
e.將鍛件進行熱處理，進而得到成品模具鋼；
f.將模具鋼在_120°C左右液氮中處理2h;
g.升至室溫，保存15h后，再加熱至260°(:，保溫211，空冷。
[0027]步驟e熱處理工藝為:模具鋼重新回爐加熱至900°C并保溫3h，然后然后繼續(xù)隨爐加熱至900 °C，保溫1.5 h，再繼續(xù)加熱至1100 °C，保溫1.2h，而后油冷至不高于100 °C后重新加熱至710°C的溫度范圍并保溫3h，出爐水冷低于2000C后，空冷。
[0028]采用本實例2的模具鋼的力學(xué)檢測數(shù)據(jù)如下:
硬度HRC:96
抗彎強度:3450Mpa 沖擊韌性:100J/cm2 抗壓強度:3800 Mpa 耐磨性:達到D3。
[0029]實施例3:
一種高強度模具鋼，包括以下元素并按照質(zhì)量百分比計:0.55%的碳，6.6%的鉻，1.32%的鉬，1.25%的錳，2.45%的硅，0.005%的鉭，0.19%的硼，0.3%的鎢，不高于0.019%的硫和不高于0.023%的磷，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
[0030]a.對熔爐進行預(yù)升溫，使得容爐內(nèi)溫度到達150°C，再將廢鋼、鉻鐵、鎢渣鐵和鉬鐵混合加熱熔化，鋼水溫度達到950°C以上時，最后加入硅鐵和錳鐵，爐前調(diào)整成分合格后將鋼水溫度升至1100 0C，依次加入鉭鐵和含氮錳鐵，再次加熱6min使得鋼水溫度達到1300°C后添加入硼鐵再次燒2min后直接將鋼水澆鑄成鑄件或鑄錠；
b.預(yù)制胚件，將步驟a當中的鑄件或鑄錠從爐內(nèi)取出放置平臺上，通過鍛壓機進行鐓粗，鐓粗比為3.1以上，然后軸向采用WHF鍛造法拔長為正方:砧寬比為0.45，每次壓下率至少為20%，拔截面為長方形的鍛件，此時料寬比B/Η為1.35，長寬比L/H為2.9，重新回爐加熱至1250°C，保溫2h;
c.將經(jīng)步驟b后的使用FM鍛造法拔長，即對鍛件采用上下大平板將鍛件鐓粗，以鍛件原有長度纖維方向為鍛件寬度方向，原寬度方向變?yōu)殚L度方向，之后進爐加熱至1250°C保溫2.5h以上，
d.將經(jīng)步驟c后制成的鍛件拔長至成品尺寸；
e.將鍛件進行熱處理，進而得到成品模具鋼；
f.將模具鋼在_120°C左右液氮中處理2.5h;
g.升至室溫，保存13h后，再加熱至250°(:，保溫211，空冷。
[0031]步驟e熱處理工藝為:模具鋼重新回爐加熱至910°C并保溫4h，然后然后繼續(xù)隨爐加熱至900°C，保溫2h，再繼續(xù)加熱至1085°C，保溫lh，而后油冷至不高于100°C后重新加熱至6000C的溫度范圍并保溫3h，出爐水冷低于2000C后，空冷。
[0032]采用本實例3的模具鋼的力學(xué)檢測數(shù)據(jù)如下:
硬度 HRC:100
抗彎強度:3560Mpa 沖擊韌性:110J/cm2 抗壓強度:4000Mpa 耐磨性:達到D3。
[0033]通過對比實施例1-3得到的力學(xué)檢測數(shù)據(jù)，實施例三為本發(fā)明的最佳實施例。
[0034]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進行通常的變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種高強度模具鋼，其特征是:包括以下元素并按照質(zhì)量百分比計:0.45%?0.65%的碳，4.16%?8.5%的鉻，0.56%?2.13%的鉬，0.55%?1.96%的錳，1.45%?3.04%的硅，0.003%?0.009%的鉭，0.13 %?0.25%的硼，0.22 %?0.39%的鎢，不高于0.019%的硫和不高于0.023%的磷，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。2.—種適用于權(quán)利要求1所述的高強度模具鋼的加工方法，其特征是包括如下步驟: a.對熔爐進行預(yù)升溫，使得容爐內(nèi)溫度到達150°C，再將廢鋼、鉻鐵、鎢渣鐵和鉬鐵混合加熱熔化，鋼水溫度達到950°C以上時，最后加入硅鐵和錳鐵，爐前調(diào)整成分合格后將鋼水溫度升至1050?1200 °C，依次加入鉭鐵和含氮錳鐵，再次加熱5min?8min使得鋼水溫度達到1300 °C后添加入硼鐵再次燒Imin?3min后直接將鋼水澆鑄成鑄件或鑄錠； b.預(yù)制胚件，將步驟a當中的鑄件或鑄錠從爐內(nèi)取出放置平臺上，通過鍛壓機進行鐓粗，鐓粗比為3.1以上，然后軸向采用WHF鍛造法拔長為正方，每趟壓下量20%后，重新回爐加熱至1250°C，保溫2h; c.將經(jīng)步驟b后的使用FM鍛造法拔長，對鍛件采用上下大平板將鍛件鐓粗，然后采用大壓下量的FM鍛造法拔長，即用上寬砧，下平臺，對鍛件沿原有纖維方向進行拔長，之后進爐加熱至1250°C保溫2.5h以上； d.將經(jīng)步驟c后制成的鍛件拔長至成品尺寸； e.將鍛件進行熱處理，進而得到成品模具鋼； f.將模具鋼在_120°C左右液氮中處理2?3h; g.升至室溫，保存10?15h后，再加熱至240?260°C，保溫I?2h，空冷。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強度模具鋼的加工方法，其特征是:所述步驟b采用WHF鍛造法，即超寬平砧強壓拔長法，砧寬比為0.45?0.67，每次壓下率至少為20%，拔截面為長方形的鍛件，此時料寬比B/Η為0.88?1.95，長寬比L/H為2.5?3.4。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強度模具鋼的加工方法，其特征是:所述步驟c中采用大壓下量的FM鍛造法，即對鍛件采用上下大平板將鍛件鐓粗，以鍛件原有長度纖維方向為鍛件寬度方向，原寬度方向變?yōu)殚L度方向。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強度模具鋼的加工方法，其特征是:所述步驟e熱處理工藝為:模具鋼重新回爐加熱至900°C?950°C并保溫3?5h，然后然后繼續(xù)隨爐加熱至950?1000C，保溫1.5?2.5h，再繼續(xù)加熱至1050?1100°C，保溫0.5?1.2h，而后油冷至不高于100°c后重新加熱至560°C?710°C的溫度范圍并保溫3h，出爐水冷低于200°C后，空冷O
【文檔編號】C22C38/02GK106086682SQ201610697851
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月22日 公開號201610697851.5, CN 106086682 A, CN 106086682A, CN 201610697851, CN-A-106086682, CN106086682 A, CN106086682A, CN201610697851, CN201610697851.5
【發(fā)明人】葉君志, 劉玉嬌, 葉瀟璠
【申請人】浙江三門太和大型鍛造有限公司