一种防变形的高寿命、高强度的模具钢及制作方法
阅读说明：本技术 一种防变形的高寿命、高强度的模具钢及制作方法 (Anti-deformation die steel with long service life and high strength and manufacturing method thereof ) 是由 徐卫明 顾金才 于广文 周青春 罗晓芳 于 2020-05-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种防变形的高寿命、高强度的模具钢及制作方法,具体涉及模具钢领域,其中所使用的主料包括以下重量份数的元素：碳C：0.3-0.5份、锰Mn：21.0-24.0份、铬Cr：3-5份、钼Mo：1.8-2.2份、硅Si：≤0.80份、磷P：≤0.10份、硫S：≤0.030份,余量为铁和不可避免的杂质,所述辅料原料设置为氮气。本发明通过各原料组分间的配合及制备方法的施用,可提高合金的原子间结合力,提高强度制得强度更高的模具钢,高温模具钢外壁与氮气接触进行渗氮处理,可提高模具钢的表面硬度,通过不同温度下的回火、淬火工艺步骤,不仅可提高模具钢的强度,而且可保证模具钢的韧性,从而进一步的保证模具钢的使用寿命。(The invention discloses anti-deformation long-life high-strength die steel and a manufacturing method thereof, and particularly relates to the field of die steel, wherein the used main materials comprise the following elements in parts by weight: c, carbon C: 0.3-0.5 parts of manganese Mn: 21.0-24.0 parts of chromium Cr: 3-5 parts of molybdenum Mo: 1.8-2.2 parts of silicon Si: less than or equal to 0.80 parts, phosphorus P: less than or equal to 0.10 part, sulfur S: less than or equal to 0.030 parts, the balance of iron and inevitable impurities, and the auxiliary material raw material is nitrogen. According to the invention, through the matching among the raw material components and the application of the preparation method, the interatomic bonding force of the alloy can be improved, the strength is improved, and the die steel with higher strength is prepared, the outer wall of the high-temperature die steel is in contact with nitrogen for nitriding treatment, so that the surface hardness of the die steel can be improved, and through the tempering and quenching process steps at different temperatures, not only can the strength of the die steel be improved, but also the toughness of the die steel can be ensured, so that the service life of the die steel is further ensured.)
技术领域
本发明涉及模具钢技术领域，更具体地说，本发明涉及一种防变形的高寿命、高强度的模具钢及制作方法。
背景技术
模具钢是用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种。模具是机械制造、无线电仪表、电机、电器等工业部门中制造零件的主要加工工具。模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本，而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材料和热处理的影响。模具钢大致可分为:冷轧模具钢、热轧模具钢和塑料模具钢三类，用于锻造、冲压、切型、压铸等。由于各种模具用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢，按其所制造模具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性，足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。由于这类用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢的性能要求也不同。冷轧模具包括冷冲模、拉丝模、拉延模、压印模、搓丝模、滚丝板、冷镦模和冷挤压模等。冷作模具用钢，按其所制造具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性、足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。用于这类用途的合金工具用钢一般属于高碳合金钢，碳质量分数在0.80％以上，铬是这类钢的重要合金元素，其质量分数通常不大于5％。但对于一些耐磨性要求很高，淬火后变形很小模具用钢，最高铬质量分数可达13％，并且为了形成大量碳化物，钢中碳质量分数也很高，最高可达2.0％-2.3％。冷作模具钢的碳含量较高，其组织大部分属于过共析钢或莱氏体钢。常用的钢类有高碳低合金钢、高碳高铬钢、铬钼钢、中碳铬钨钏钢等。热轧模具分为锤锻、模锻、挤压和压铸几种主要类型，包括热锻模、压力机锻模、冲压模、热挤压模和金属压铸模等。热变形模具在工作中除要承受巨大的机械应力外，还要承受反复受热和冷却的作用，而引起很大的热应力。热作模具钢除应具有高的硬度、强度、红硬性、耐磨性和韧性外，还应具有良好的高温强度、热疲劳稳定性、导热性和耐蚀性，此外还要求具有较高的淬透性，以保证整个截面具有一致的力学性能。对于压铸模用钢，还应具有表面层经反复受热和冷却不产生裂纹，以及经受液态金属流的冲击和侵蚀的性能。这类钢一般属于中碳合金钢，碳质量分数在0.30％-0.60％，属于亚共析钢，也有一部分钢由于加入较多的合金元素(如钨、钼、钒等)而成为共析或过共析钢。常用的钢类有铬锰钢、铬镍钢、铬钨钢等。塑料模具包括热塑性塑料模具和热固性塑料模具。塑料模具用钢要求具有一定的强度、硬度、耐磨性、热稳定性和耐蚀性等性能。此外，还要求具有良好的工艺性，如热处理变形小、加工性能好、耐蚀性好、研磨和抛光性能好、补焊性能好、粗糙度高、导热性好和工作条件尺寸和形状稳定等。一般情况下，注射成形或挤压成形模具可选用热作模具钢；热固性成形和要求高耐磨、高强度的模具可选用冷作模具钢。
现有的模具钢在使用过程中，因其硬度较差，而在模具制造过程中无论是浇筑式模具钢还是冲击式模具钢，在多次使用后会受到高温或高压作用下发生形状的相应变化，因此，这就要求热作模具钢具有良好的强度，否则会影响模具钢的正常使用。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种防变形的高寿命、高强度的模具钢及制作方法，本发明所要解决的技术问题是：如何改善现有模具钢的强度，从而保证模具钢的使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种防变形的高寿命、高强度的模具钢，其中所使用的主料包括以下重量份数的元素：碳C：0.3-0.5份、锰Mn：21.0-24.0份、铬Cr：3-5份、钼Mo：1.8-2.2份、硅Si：≤0.80份、磷P：≤0.10份、硫S：≤0.030份，余量为铁和不可避免的杂质，所述辅料原料设置为氮气。
在一个优选地实施方式中，其中所使用的主料包括以下重量份数的元素：碳C：0.5份、锰Mn：24.0份、铬Cr：5份、钼Mo：2.2份、硅Si：0.76份、磷P：0.08份、硫S：0.027份，余量为铁和不可避免的杂质，所述辅料原料设置为氮气。
在一个优选地实施方式中，其中所使用的主料包括以下重量份数的元素：碳C：0.3份、锰Mn：21.0份、铬Cr：3份、钼Mo：1.8份、硅Si：0.76份、磷P：0.08份、硫S：0.027份，余量为铁和不可避免的杂质，所述辅料原料设置为氮气。
在一个优选地实施方式中，其中所使用的主料包括以下重量份数的元素：碳C：0.3份、锰Mn：21.0份、铬Cr：3份、钼Mo：1.8份、硅Si：0.76份、磷P：0.08份、硫S：0.027份，余量为铁和不可避免的杂质。
本发明还包括防变形的高寿命、高强度的模具钢的制作方法，具体制备步骤如下：
S1、钢水炼化：对熔炉进行预升温，将生铁原料或废铁原料加入熔炉，抬升温度至900℃-1100℃，采用不氧化法按照比例添加对应的成分原料混合加热熔化；
S2：将步骤S1制得的钢液温度升温至1400℃-1500℃时，进行脱氧处理后再采用冲人法对钢液进行孕育变质处理，随后通过吹氧法进行去碳处理；
S3、模胚铸造：
S3.1：将步骤S2制得的钢水降温至1100℃-1150℃后浇筑成模具钢胚样；
S3.2：将步骤S3.1成型的胚样在750℃-800℃进行退火处理后，利用机械加工成标准试样；
S4、将步骤S3.2制得的标准试样在升温至960℃-980℃采用机油进行淬火；
S5、将步骤S4淬火完成后的模具钢胚样进行回火处理；
S6、取出回火后的模具钢件，在氮气环境中进行冷却，待模具钢外表温度下降至100℃-150℃后转至室内进行自然冷却至室温，既得模具钢件。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S2中孕育变质处理时长设置为6-12min。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S4中淬火保温时间设置为40min。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S5中回火处理温度为500℃，回火介质为空气，回火保温时间为2h。
本发明的技术效果和优点：
本发明通过各原料组分间的配合及制备方法的施用，可提高合金的原子间结合力，提高强度制得强度更高的模具钢，cr元素的加入可以提高模具钢耐热熔损性能，同时促进在摩擦过程中形成致密氧化膜，与基体结合紧密，且高温模具钢外壁与氮气接触进行渗氮处理，可提高模具钢的表面硬度，通过不同温度下的回火、淬火工艺步骤，不仅可提高模具钢的强度，而且可保证模具钢的韧性，从而进一步的保证模具钢的使用寿命。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明提供了一种防变形的高寿命、高强度的模具钢，其中所使用的主料包括以下重量份数的元素：碳C：0.3-0.5份、锰Mn：21.0-24.0份、铬Cr：3-5份、钼Mo：1.8-2.2份、硅Si：≤0.80份、磷P：≤0.10份、硫S：≤0.030份，余量为铁和不可避免的杂质，所述辅料原料设置为氮气；
而具体到本实施例中，其中所使用的主料包括以下重量份数的元素：碳C：0.5份、锰Mn：24.0份、铬Cr：5份、钼Mo：2.2份、硅Si：0.76份、磷P：0.08份、硫S：0.027份，余量为铁和不可避免的杂质，所述辅料原料设置为氮气；
本发明还包括防变形的高寿命、高强度的模具钢的制作方法，具体制备步骤如下：
S1、钢水炼化：对熔炉进行预升温，将生铁原料或废铁原料加入熔炉，抬升温度至900℃-1100℃，采用不氧化法按照比例添加对应的成分原料混合加热熔化，不氧化法不同于返回法之处是不必使用一定数量的返回料，没有氧化期，炉料全熔后直接进入还原期，cr元素的加入可以提高模具钢耐热熔损性能，同时促进在摩擦过程中形成致密氧化膜，与基体结合紧密，因而对模具钢基体具有良好的保护作用，避免因氧化造成模具钢的使用寿命；
S2：将步骤S1制得的钢液温度升温至1400℃-1500℃时，进行脱氧处理后再采用冲人法对钢液进行孕育变质处理6-12min，随后通过吹氧法进行去碳处理；
S3、模胚铸造：
S3.1：将步骤S2制得的钢水降温至1100℃-1150℃后浇筑成模具钢胚样；
S3.2：将步骤S3.1成型的胚样在750℃-800℃进行退火处理后，利用机械加工成标准试样；
S4、将步骤S3.2制得的标准试样在升温至960℃-980℃采用机油进行淬火，淬火保温时间设置为40min；
S5、将步骤S4淬火完成后的模具钢胚样进行回火处理，回火处理温度为500℃，回火介质为空气，回火保温时间为2h，淬火后的模具钢中的金相中奥氏体不能充分均匀化，且碳化物在基体中的固溶不充分，导致模具钢组织不均匀，因而对应的抗拉强度值较低，经回火处理后可除去模具钢胚样中的金相中奥氏体均匀化，从而进一步提高模具钢的强度值；
S6、取出回火后的模具钢件，在氮气环境中进行冷却，待模具钢外表温度下降至100℃-150℃后转至室内进行自然冷却至室温，既得模具钢件，刚取出的回火后的高温模具钢外壁与氮气接触进行渗氮处理，可提高模具钢的表面硬度。
实施例2：
本发明提供了一种防变形的高寿命、高强度的模具钢，其中所使用的主料包括以下重量份数的元素：碳C：0.3-0.5份、锰Mn：21.0-24.0份、铬Cr：3-5份、钼Mo：1.8-2.2份、硅Si：≤0.80份、磷P：≤0.10份、硫S：≤0.030份，余量为铁和不可避免的杂质，所述辅料原料设置为氮气；
而具体到本实施例中，其中所使用的主料包括以下重量份数的元素：碳C：0.3份、锰Mn：21.0份、铬Cr：3份、钼Mo：1.8份、硅Si：0.76份、磷P：0.08份、硫S：0.027份，余量为铁和不可避免的杂质，所述辅料原料设置为氮气；
本发明还包括防变形的高寿命、高强度的模具钢的制作方法，具体制备步骤如下：
S1、钢水炼化：对熔炉进行预升温，将生铁原料或废铁原料加入熔炉，抬升温度至900℃-1100℃，采用不氧化法按照比例添加对应的成分原料混合加热熔化，不氧化法不同于返回法之处是不必使用一定数量的返回料，没有氧化期，炉料全熔后直接进入还原期，cr元素的加入可以提高模具钢耐热熔损性能，同时促进在摩擦过程中形成致密氧化膜，与基体结合紧密，因而对模具钢基体具有良好的保护作用，避免因氧化造成模具钢的使用寿命；
S2：将步骤S1制得的钢液温度升温至1400℃-1500℃时，进行脱氧处理后再采用冲人法对钢液进行孕育变质处理6-12min，随后通过吹氧法进行去碳处理；
S3、模胚铸造：
S3.1：将步骤S2制得的钢水降温至1100℃-1150℃后浇筑成模具钢胚样；
S3.2：将步骤S3.1成型的胚样在750℃-800℃进行退火处理后，利用机械加工成标准试样；
S4、将步骤S3.2制得的标准试样在升温至960℃-980℃采用机油进行淬火，淬火保温时间设置为40min；
S5、将步骤S4淬火完成后的模具钢胚样进行回火处理，回火处理温度为500℃，回火介质为空气，回火保温时间为2h，淬火后的模具钢中的金相中奥氏体不能充分均匀化，且碳化物在基体中的固溶不充分，导致模具钢组织不均匀，因而对应的抗拉强度值较低，经回火处理后可除去模具钢胚样中的金相中奥氏体均匀化，从而进一步提高模具钢的强度值；
S6、取出回火后的模具钢件，在氮气环境中进行冷却，待模具钢外表温度下降至100℃-150℃后转至室内进行自然冷却至室温，既得模具钢件，刚取出的回火后的高温模具钢外壁与氮气接触进行渗氮处理，可提高模具钢的表面硬度。
实施例3：
本发明提供了一种防变形的高寿命、高强度的模具钢，其中所使用的主料包括以下重量份数的元素：碳C：0.3-0.5份、锰Mn：21.0-24.0份、铬Cr：3-5份、钼Mo：1.8-2.2份、硅Si：≤0.80份、磷P：≤0.10份、硫S：≤0.030份，余量为铁和不可避免的杂质，所述辅料原料设置为氮气；
而具体到本实施例中，其中所使用的主料包括以下重量份数的元素：碳C：0.3份、锰Mn：21.0份、铬Cr：3份、钼Mo：1.8份、硅Si：0.76份、磷P：0.08份、硫S：0.027份，余量为铁和不可避免的杂质；
本发明还包括防变形的高寿命、高强度的模具钢的制作方法，具体制备步骤如下：
S1、钢水炼化：对熔炉进行预升温，将生铁原料或废铁原料加入熔炉，抬升温度至900℃-1100℃，采用不氧化法按照比例添加对应的成分原料混合加热熔化，不氧化法不同于返回法之处是不必使用一定数量的返回料，没有氧化期，炉料全熔后直接进入还原期，cr元素的加入可以提高模具钢耐热熔损性能，同时促进在摩擦过程中形成致密氧化膜，与基体结合紧密，因而对模具钢基体具有良好的保护作用，避免因氧化造成模具钢的使用寿命；
S2：将步骤S1制得的钢液温度升温至1400℃-1500℃时，进行脱氧处理后再采用冲人法对钢液进行孕育变质处理6-12min，随后通过吹氧法进行去碳处理；
S3、模胚铸造：
S3.1：将步骤S2制得的钢水降温至1100℃-1150℃后浇筑成模具钢胚样；
S3.2：将步骤S3.1成型的胚样在750℃-800℃进行退火处理后，利用机械加工成标准试样；
S4、将步骤S3.2制得的标准试样在升温至960℃-980℃采用机油进行淬火，淬火保温时间设置为40min；
S5、将步骤S4淬火完成后的模具钢胚样进行回火处理，回火处理温度为500℃，回火介质为空气，回火保温时间为2h，淬火后的模具钢中的金相中奥氏体不能充分均匀化，且碳化物在基体中的固溶不充分，导致模具钢组织不均匀，因而对应的抗拉强度值较低，经回火处理后可除去模具钢胚样中的金相中奥氏体均匀化，从而进一步提高模具钢的强度值；
S6、取出回火后的模具钢件在室内进行自然冷却至室温，既得模具钢件。
实施例4：
分别取上述实施例1-3所制得的模具钢90件，每30件为一组，分三组分别对三个实施例中制备的模具钢进行测试，得到以下数据：
由上表可知，实施例2中原料配合比例适中，由该配方及方法制备的模具钢的冲击功、抗拉强度和硬度值均存在明显的数值增长，从而保证该模具钢使用时的硬度及韧性，可保证该模具钢的使用寿命。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。