阅读说明：本技术 一种热作模具钢及其制备方法 (Hot work die steel and preparation method thereof ) 是由 刘宏伟 杜宁宇 阮航 傅排先 胡小强 李殿中 于 2018-07-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及材料成分设计与制备领域,具体为一种热作模具钢材料及其制备方法。按重量百分比计,此热作模具钢由以下组分和含量组成：C为0.40～0.60％；Si为0.20～0.70％；Mn为0.20～0.80％；Cr为4.00～6.00％；Mo为1.70～2.50％；V为0.30～0.60；W为≤0.30；Ni为0.10～2.00；Al≤0.05％；P≤0.020％；S≤0.005％,RE≤0.02％,余量为Fe,合计100％。在制备方法中,经过准备原料,进行熔炼、精炼,浇铸成铸锭后,通过均匀化处理及超细化处理制备成锻材,再经性能热处理形成上述热作模具钢。本发明通过合金成分优化设计、钢水纯净化处理以及锻造、热处理组织控制,最终使热作模具钢获得较好的综合性能。(The invention relates to the field of material component design and preparation, in particular to a hot-work die steel material and a preparation method thereof. The hot work die steel comprises the following components in percentage by weight: c is 0.40-0.60%; 0.20-0.70% of Si; mn is 0.20-0.80%; 4.00-6.00% of Cr; mo is 1.70-2.50%; v is 0.30-0.60; w is less than or equal to 0.30; ni is 0.10-2.00; al is less than or equal to 0.05 percent; p is less than or equal to 0.020%; s is less than or equal to 0.005 percent, RE is less than or equal to 0.02 percent, and the balance is Fe, the total amount is 100 percent. In the preparation method, the hot die steel is prepared by preparing raw materials, smelting, refining, casting into an ingot, preparing into a forging material through homogenization treatment and superfine treatment, and performing performance heat treatment. The invention finally obtains better comprehensive performance of the hot die steel through the optimization design of alloy components, the purification treatment of the molten steel and the control of forging and heat treatment structures.)

一种热作模具钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料成分设计与制备领域，具体为一种热作模具钢材料及其制备方法。

背景技术

热作模具钢在铝合金挤压成型、有色合金压铸、热锻等领域应用广泛，部分综合性能优异的热作模具钢还可用于盾构机刀具。热作模具钢的工作条件日益苛刻，为保障模具的服役寿命，对模具钢的性能要求越来越高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能的热作模具钢及其制备方法，最终使热作模具钢获得较好的耐磨性、高温强度及高温稳定性，并且具有优异的综合性能，以满足热作模具钢在恶劣工作环境中的服役要求。

本发明的技术方案是：

一种热作模具钢，按重量百分比计，热作模具钢的合金成分及含量如下：C为0.40～0.60％；Si为0.20～0.70％；Mn为0.20～0.80％；Cr为4.00～6.00％；Mo为1.70～2.50％；V为0.30～0.60；W为≤0.30；Ni为0.10～2.00；Al≤0.05％；P≤0.020％；S≤0.005％，RE≤0.02％，余量为Fe，合计100％。

所述的热作模具钢，优选的，C为0.45～0.55％。

所述的热作模具钢，优选的，V+W为≤0.60％。

所述的热作模具钢的制备方法，根据钢的化学成分准备原料，进行熔炼、精炼，通过均匀化处理及超细化处理制备成锻材，热作模具钢锻造后，经性能热处理形成热作模具钢；其中，均匀化处理采用的是预变形+三段形式高温均匀加热工艺，三段温度分别为：1200℃～1220℃、1220℃～1240℃和1250℃～1300℃，总保温时间≥1h/25mm，每段保温时间相同；超细化处理的工艺过程和工艺参数是锻件在加热到950～1200℃期间进行快冷，在快冷过程中，锻件在200℃以上温度区间冷速控制在≥0.7℃/S，低于200℃时出炉空冷至室温。

所述的热作模具钢的制备方法，在熔炼、精炼时，考虑高纯净钢及提高材料等向性的需要，在充分脱氧、脱硫处理后进行稀土处理，并且稀土采用氧含量小于100ppm的高纯稀土；经稀土处理后模具钢材料氧含量控制在12ppm以下，球类夹杂物数量比例占夹杂物总量≥85％以上。

所述的热作模具钢的制备方法，热作模具钢经锻造后，进行等温球化退火处理，两相区内保温时间按1h/25mm厚选定，两相区的温度是指AC1～AC3之间；然后炉冷至700℃～760℃继续进行保温处理，保温时间按1h/25mm厚选定，之后炉冷至室温。

所述的热作模具钢的制备方法，热作模具钢经等温球化退火处理后进行调质处理，采用AC3+130～170℃进行淬火温度设置，然后控制冷速形成马氏体+残余奥氏体组织，最后进行回火处理。

所述的热作模具钢的制备方法，采用两次以上回火处理，最高回火温度与模具使用硬度相关，回火的温度范围为530～650℃，保温时间按1h/25mm厚选定，每次回火后空冷至室温。

本发明高性能热作模具钢的各个化学成分设计思想和协同作用是：通过C、Si、Cr、Mn、Mo、V、Ni等元素含量调配，了解元素含量与材料淬透性、强度之间的关系；通过C、Ni、V等元素含量调配，了解元素与材料韧性之间的关系；通过适量元素V的调配达到细化晶粒的作用，通过Si、Al含量的控制实现脱氧的控制。

本发明热作模具钢的制备方法原理是：利用高温扩散使材料均质化，利用钢中固态相变细化晶粒，并进一步利用析出相的溶解、形核、再析出，优化析出相分布，提高材料性能。另外，均匀化处理采用的是预变形+三段形式高温均匀加热工艺，其作用机理如下：锻件变形后，增加空位数量，再加上高温处理，能够增加合金元素扩散速度，使成分更加均匀。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明通过对热作模具钢成分优化并选取特殊热处理方法研究，开发出一种高性能模具钢材料，能够满足热锻模具、压铸模具、挤压模具的使用要求，同时还可用于盾构机刀具。其性能够满足：硬度调至45～50HRC时，V口冲击功≥12J，无缺口冲击功≥300J，抗拉强度超过2200MPa。

2、本发明的钢种经高温扩散均质化处理、调质处理后性能稳定，可用于热锻模具、压铸模具、热挤压模具、盾构机刀具等。

3、本发明热作模具钢材料的熔炼、锻造以及热处理方法可广泛应用于热作模具钢的制备。

具体实施方式

在具体实施过程中，按重量百分比计，本发明热作模具钢的合金成分及含量如下：C为0.40～0.60％(优选为0.45～0.55％)；Si为0.20～0.70％；Mn为0.20～0.80％；Cr为4.00～6.00％；Mo为1.70～2.50％；V为0.30～0.60；W为≤0.30(优选为0.1～0.2％)；Ni为0.10～2.00(优选为0.5～1.0％)；Al≤0.05％(优选为0.01～0.03％)；P≤0.020％(优选为0.006～0.01％)；S≤0.005％，RE≤0.02％(优选为0.01～0.015％)，余量为Fe，合计100％。

与常规热作模具钢(4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1)的区别在于：碳含量范围高于常规热作模具钢4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1，Si为0.20～0.70％；Mn为0.20～0.80％；Cr为4.00～6.00％；Mo为1.70～2.50％；V为0.30～0.60％；W为≤0.30％；Ni为0.10～2.00。

在制备方法中，经过准备原料，进行熔炼、精炼，浇铸成铸锭后，通过均匀化处理及超细化处理制备成锻材，再经性能热处理形成上述热作模具钢。在熔炼、精炼时，考虑高纯净钢及提高材料等向性的需要，在充分脱氧、脱硫处理后进行稀土处理，并且稀土采用氧含量小于100ppm的高纯稀土；经稀土处理后模具钢材料氧含量控制在12ppm以下，球类夹杂物数量比例占夹杂物总量≥85％以上。

本发明中，保温时间按1h/25mm厚选定，其含义是：按热作模具钢的最大壁厚，每25mm保温1小时计算。

下面，通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本实施例中，热作模具钢材料的成分如下：

元素	含量(wt％)
		C	0.47
Si	0.65
		Mn	0.51
P	0.012
		S	0.005
Ni	0.30
		Cr	5.7
Mo	2.43
		V	0.50
W	0.10
		Al	0.05
RE(稀土元素)	0.0155
		Fe	余量

热处理采用如下步骤：

①模具钢经预变形及三段式高温成分均匀化处理，保温时间按1h/25mm厚选定，在均匀化处理之后进行炉冷到200℃以下，出炉冷却至室温。其中，预变形是指锻件第一火次，不进行镦粗处理，只对钢锭进行形状规整处理；三段式高温成分均匀化处理温度分别为：1210℃、1230℃和1280℃，三段温度逐渐升高，每段保温时间相同，这样的作用和效果是：锻件不会出现过热、过烧，又能促进合金元素在高温快速扩散。

②模具钢经锻造后进行等温球化退火处理，首先在保温在AC1～AC3之间，保温时间按1h/25mm厚选定，之后炉冷至740℃继续保温处理，保温时间按1h/25mm厚选定，之后炉冷至室温。

③模具钢进行调质处理，淬火温度选择AC3+130℃，保温时间按1h/25mm厚选定，油淬至室温，两次回火温度均选择615℃，保温时间按1h/25mm厚选定，每次回火后进行空冷至室温。

经热处理后，材料性能如下：

硬度为45HRC，V口冲击功为16J，无缺口冲击功350J，抗拉强度2215MPa。

实施例2

本实施例中，热作模具钢材料的成分如下：

元素	含量(wt％)
		C	0.55
Si	0.25
		Mn	0.73
P	0.016
		S	0.003
Ni	1.55
		Cr	4.50
Mo	1.78
		V	0.40
W	0.20
		Al	0.03
RE(稀土元素)	0.0080
		Fe	余量

热处理采用如下步骤：

①模具钢经预变形及三段式高温成分均匀化处理，保温时间按1h/25mm厚选定，在均匀化处理之后进行炉冷到200℃以下，出炉冷却至室温。其中，预变形是指锻件第一火次，不进行镦粗处理，只对钢锭进行形状规整处理；三段式高温成分均匀化处理温度分别为：1200℃、1220℃和1250℃，三段温度逐渐升高，每段保温时间相同，这样的作用和效果是锻件不会出现过热、过烧，又能促进合金元素在高温快速扩散。

②模具钢经锻造后进行等温球化退火处理，首先在AC1～AC3之间保温，保温时间按1h/25mm厚选定，之后炉冷至730℃继续保温处理，保温时间按1h/25mm厚选定，之后炉冷至室温。

③模具钢进行调质处理，淬火温度选择AC3+170℃，保温时间按1h/25mm厚选定，油淬至室温，两次回火温度均选择610℃，保温时间按1h/25mm厚选定，每次回火后进行空冷至室温。

经热处理后，材料性能如下：

硬度为48HRC，V口冲击功为12J，无缺口冲击功345J，抗拉强度2250MPa。

实施例3

本实施例中，热作模具钢材料的成分如下：

元素	含量(wt％)
		C	0.50
Si	0.40
		Mn	0.50
P	0.008
		S	0.002
Ni	1.01
		Cr	4.98
Mo	2.10
		V	0.59
Al	0.05
		RE(稀土元素)	0.0020
Fe	余量

热处理采用如下步骤：

①模具钢经预变形及三段式高温成分均匀化处理，保温时间按1h/25mm厚选定，在均匀化处理之后进行炉冷到200℃以下，出炉冷却至室温。其中，预变形是指锻件第一火次，不进行镦粗处理，只对钢锭进行形状规整处理；三段式高温成分均匀化处理温度分别为：1220℃、1240℃和1300℃，三段温度逐渐升高，每段保温时间相同，这样的作用和效果是锻件不会出现过热、过烧，又能促进合金元素在高温快速扩散。

②模具钢经锻造后进行等温球化退火处理，首先在AC1～AC3之间保温，保温时间按1h/25mm厚选定，之后炉冷至720℃继续保温处理，保温时间按1h/25mm厚选定，之后炉冷至室温。

③模具钢进行调质处理，淬火温度选择AC3+150℃，保温时间按1h/25mm厚选定，油淬至室温，两次回火温度均选择615℃，保温时间按1h/25mm厚选定，每次回火后进行空冷至室温。

经热处理后，材料性能如下：

硬度为45HRC，V口冲击功为14J，无缺口冲击功360J，抗拉强度为2236MPa。

实施例结果表明，本发明所涉及到的新型热作模具钢经制备制备方法处理后，可以达到技术要求，能够满足热锻模具、压铸模具、热挤压模具以及盾构机刀具的使用要求。