本發明屬于鑄鋼制造領域，具體涉及一種用于制備高溫重載條件下大型熱鍛模具的特種鑄鋼及其制備方法。
背景技術：
隨著國家重型裝備制造業的發展，大飛機、船舶制造等裝備制造業需要迅速提升能力。世界上最大的大型模鍛液壓機(8萬噸壓機)應運而生，其使用的大型熱鍛模具(單套重量已達60～100噸)已廣泛應用于航空、航天、核電、石化等領域的大型模鍛件生產制造中，如大飛機機身框架、起落架、發動機渦輪盤、大型缸體、泵體等，這些鍛件的鍛件材料主要包括鋁合金、高溫合金、鈦合金等。然而難變形材料(高溫合金、鈦合金、超高強度鋼等)大型鍛件的始鍛溫度高，在鍛造成形過程中因鍛件與模具接觸時間長，模具承受壓力高，溫度迅速升高至350-700℃以上，導致模具強度、硬度迅速降低，造成常規5crnimo、5crmnmo材質的模具發生嚴重塑性變形、開裂等問題，使得模具壽命極低，模鍛1-2件鍛件后模具變形高達10mm以上，導致模具嚴重失效不能再使用等問題。
現在也有選用h13鋼作為模具材質后，模具的變形程度有所減輕，但新的問題也悄然出現，模具常發生在預熱和放置時整體斷裂報廢的情況。經分析認為，這與冶金缺陷和加工應力消除不充分有關。當h13材質的模具重量超過15噸，受大型鋼錠鑄造冶金質量低下、鋼錠自由鍛鍛透性差、熱處理淬火硬度低的影響，探傷合格率極低，合格率僅為50％左右，模具壽命也得不到保證，這嚴重影響了模具的生產效率和生產成本。
為了解決所述技術問題,發明人曾設計了一種夾心層鍛模及鍛模夾心層堆焊的工藝方法并申請了專利,專利號為zl201510171656.4。該方法工藝中,采用鑄鋼作為大型鍛模基體,形成波浪形基體表面,并通過在鑄鋼基體層上進行梯度功能層增材制造,進而通過回火去應力、機加工成型等獲得最終模具。這樣,得到的大型鍛模能夠基本滿足鍛模模具在硬/強度和塑/韌性等方面的性能要求，有效延長鍛模使用壽命的同時又可降低生產成本，實現了低成本、短時間、高利用率的制造和使用模具,對鍛造模具行業具有無法估量的意義。
發明人在實施上述方法的過程中,發現這種基于鑄鋼基體的多梯度功能層增材制造的大型熱鍛模具在8萬噸壓機上成形難變形材料時，鑄鋼基體如何滿足高溫(350℃以上)重載(高溫下局部瞬時應力650mpa以上)下強、硬度和塑、韌性協調匹配的性能要求？特種鑄鋼材料與背景技術中增材制造的多梯度功能層如何良好結合并平穩過渡？特種鑄鋼材料的性能如何保證滿足8萬噸壓機上大型熱鍛模具多次修復和再制造(多次使用，降低單件攤銷成本)的使用要求？是本領域研究的新方向。
技術實現要素：
針對上述現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是：提供一種用于制備高溫重載條件下大型熱鍛模具的特種鑄鋼，解決了現有的鑄鋼在溫度在350℃以上、局部瞬時應力在650mpa以上的條件下硬、強度和塑、韌性方面的性能無法滿足要求等技術問題，進一步提高了特種鑄鋼材料與增材制造的多梯度功能層之間的結合強度，有效提高了大型熱鍛模具的一次使用壽命和增加了可修復再制造的次數。
為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下：
1一種用于制備高溫重載條件下大型熱鍛模具的特種鑄鋼，該特種鑄鋼的化學成分以質量百分數計，包括碳元素含量為0.35-0.5％、硅元素含量為0.2-0.6％、錳元素含量為0.6-1.0％、磷元素含量≤0.02％、硫元素含量≤0.02％、鉻元素含量為1.4-1.7％、鎳元素含量為1.4-1.7％、鉬元素含量為0.15-0.3％，余量為鐵和雜質。
本技術方案中，由于合金元素對鑄鋼性能具有決定性的作用，因此在設計特種鑄鋼材料的時候要求具備良好的合金元素配比，其中：特種鑄鋼材料含碳的質量百分比為0.35-0.5％。這是因為，碳元素可提高碳鋼中的珠光體含量，從而提高碳鋼的強度；通過分析發現含碳量在此區間時碳鋼強度較好，且不容易出現熱烈和冷裂缺陷；含硅的質量百分比為0.2-0.6％。這是因為，硅元素能顯著地提高鋼的彈性極限、屈服極限，含有硅的碳鋼在氧化氣氛中加熱時，表面也將形成一層二氧化硅薄膜，從而提高鋼在高溫時的抗氧化性；經過分析發現此區間內含硅量可以在鐵素體中形成較好的固溶強化作用，同時也在表面上形成一層二氧化硅薄膜；有效提升鑄鋼的強度、硬度而不會顯著降低其塑性、韌性；含錳的質量百分比為0.6-1.0％。因為錳在一定程度上能消除硫、氧對鋼材的熱脆影響，改善鋼材熱加工性能，并改善鋼材的冷脆傾向，有效提高鋼材強度的同時不顯著降低鋼材的塑性、沖擊韌性。含磷、硫元素的質量百分比為≤0.02％。由于p元素會形成脆性的fe3p化合物，導致鑄鋼的塑韌性急劇下降，并使鑄鋼的脆性轉變溫度升高，形成冷脆缺陷；因此控制磷的含量能夠有效避免減弱鋼的強度，增大鋼的冷裂趨向的情況發生。由于s元素容易在晶界形成fes低熔點物質，高溫狀態受力時，材料會沿晶界形成裂紋，形成熱脆缺陷；避免硫化物在鋼凝固過程終了時才凝固在鋼的晶粒周界位置，顯著降低鋼的高溫強度，熱裂形成的情況發生；含鉻的質量百分比為1.4％-1.7％。這是因為鉻元素是碳化物形成元素，具有強化基體、細化晶粒和提高淬透性的作用，但鉻的含量不宜過高，否則會增加碳化物的不均勻性和回火脆性；含鎳的質量百分比為1.4-1.7％。這是因為鎳是非碳化物形成元素，適量的鎳可以溶入α-fe中，形成固溶體，強化基體，降低過熱敏感性，起到沉淀強化的作用，在提高鋼的強度和硬度的同時保持良好的韌性；含鉬的質量百分比為0.15-0.3％。這是因為適量的鉬元素在鋼中能形成很穩定的碳化物，造成二次硬化，使鑄鋼具有高的紅硬性，并且還能提高鋼的耐磨性及阻止晶粒長大；雜質是指對本發明制備的特種鑄鋼的性能無影響，且又無法去除的物質；使得本發明提供了一種新的特種鑄鋼，使得模具基體在350℃以上、局部瞬時應力650mpa以上的極端條件下的強度、硬度、塑性和韌性性能能夠達到要求，可以承受8萬噸壓機成形難變形材料時高溫重載的工作條件，保證模具基體在工作過程中不開裂、變形小的同時，又能保證模具基體具有良好的焊接性能，模具基體與增材制造的多梯度功能層結合良好，在工作過程中，避免模具基體與多梯度功能層的焊接處出現脫落、開裂的情況發生，采用本發明中的特種鑄鋼制備的大型熱鍛模具的一次使用壽命顯著提高，并且增加可修復再制造次數。
作為優選地，該特種鑄鋼的化學成分以質量百分數計，所述碳元素含量0.42％、硅元素含量0.4％、錳元素含量0.8％、磷元素含量0.02％、硫元素含量0.02％、鉻元素含量1.55％、鎳元素含量1.55％、鉬元素含量0.23％，余量為鐵。本發明中特種鑄鋼的化學組成采用上述比例，使得鑄造的模具基體在強度、硬度、塑性和韌性性能最優，使得模具基體在在350℃以上、局部瞬時應力650mpa以上的極端條件下不容易出現變形、斷裂的情況，并且還使得模具基體具有最優異的焊接性能，保證模具基體與多梯度功能層之間焊接處的強度性能最優異，保證多梯度功能層在高溫重載的工作條件下不會出現脫落的情況。
作為優選地，所述特種鑄鋼的力學性能指標為：屈服強度σs≥680mpa，抗拉度σb≥900mpa，熱處理后硬度≥25hrc，延伸率δ≥18％，收縮率ψ≥30％，沖擊功akv≥35j。
作為優選地，所述高溫條件是指溫度在350℃以上，重載條件是指局部瞬時應力在650mpa以上。
一種用于制備高溫重載條件下大型熱鍛模具的特種鑄鋼的制備方法，包括如下步驟：
1)煉鋼與精煉：在轉爐煉鋼中對鐵水中的碳和磷進行去除，得到鋼水；再將鋼水在精煉爐中進行精煉；特種鑄鋼的化學成分以質量％計，在精煉過程中控制鋼水中的碳元素含量為0.35-0.5％、硅元素的含量為0.2-0.6％、錳元素的含量為0.6-1.0％、磷元素含量≤0.02％、硫元素含量≤0.02％、鉻元素的含量為1.4-1.7％、鎳元素的含量為1.4-1.7％、鉬元素含量為0.15-0.3％；
2)澆鑄：將步驟1)中獲得的鋼水進行連續鑄造，得到模具基體鋼坯；
3)再將步驟3)中的模具基體鋼坯進行水淬油冷，淬火溫度860-920℃，再將完成油冷的模具基體鋼坯進行回火，控制回火溫度為600-650℃；
4)將步驟3)中得到模具基體鋼坯上的粘砂、夾砂、飛邊、毛刺、澆冒口和氧化皮進行清除。
本技術方案中，在轉爐中將鐵水中的碳和磷進行去除，避免碳和磷的含量過高導致特種鑄鋼的韌性急劇下降、避免特種鑄鋼的脆性轉變溫度升高、形成冷脆缺陷；在將鋼水在精煉爐中進行精煉，使得鋼水中的成分滿足理論上的數值，澆鑄之后形成模具基體鋼坯，將得到的模具基體鋼坯進行水淬油冷，淬火溫度為860-920℃，然后再將模具基體鋼坯進行回火操作，回火溫度為600-650℃；可以消除模具基體鋼坯的加工應力；還使得可以進一步增強特種鑄鋼的硬度的同時，使得特種鑄鋼高強抗變形、回火穩定性、抗氧化性更好，還提高了特種鑄鋼的力學性能指標；使得采用本方法制備的特種鑄鋼材料制備的熱鍛模具基體能夠能夠滿足在350℃以上、局部瞬時應力650mpa以上的極端工作條件下的強度、硬度、韌性以及塑性等性能要求，使得熱鍛模具的使用壽命顯著提高。
與現有技術相比，本發明具有如下的優點：
(1)本發明提供了一種新的特種鑄鋼材料，代替了現在采用鍛鋼制作模具；使得采用本發明中的特種鑄鋼材料制備的熱鍛模具基體；通過對模具基體進行測試，其力學性能指標能夠達到：σs(屈服強度)≥680mpa，σb抗拉強度≥900mpa，熱處理后硬度≥25hrc，δ延伸率≥18％，ψ收縮率≥30％，akv≥35j；使得本發明得到的模具基體能夠滿足在350℃以上、局部瞬時應力650mpa以上的極端工作條件下的強度、硬度、韌性以及塑性等方面的性能要求；從根本上解決了現有的大型熱鍛模具在高溫重載條件下容易出現變形、開裂的問題；使得解決了現有的大型熱鍛模具使用1-2次就出現10mm以上的變形量，通過實驗驗證，采用本發明中的特種鑄鋼制備的大型熱鍛模具在8萬噸壓機上生產鈦合金鍛件7批次，模具基體無變形和開裂的情況發生，使得大型熱鍛模具的一次使用壽命增加了5-10倍以上；并且多次使用之后的大型熱鍛模具不會出現整體報廢的情況，避免大型熱鍛模具發生嚴重失效的問題，使得可以對大型熱鍛模具進行修復再制造的方式，使得大型熱鍛模具可再次使用，明顯的降低了大型熱鍛模具的報廢率；使得大型熱鍛模具的生產成本，也有效降低了鍛件的制造成本。
(2)本發明中通過對特種鑄鋼中的合金元素配比進行設計，再通過本發明中公開的制備方法制得的特種鑄鋼，不僅使得特種鑄鋼制備的大型熱鍛模具基體在350℃以上、局部瞬時應力650mpa以上的極端工作條件下的強度、硬度、韌性以及塑性等方面的性能要求；還使得大型熱鍛模具基體的焊接性能更好，使得模具基體與多梯度功能層的焊接效果更好，對模具基體與多梯度功能層的焊接處進行測試，焊接處的連接強度超過1000mpa，保證連接強度大于模具基體和多梯度功能層自身的強度，使得在極端的工作條件下，模具基體與多梯度功能層之間不會出現脫落的情況發生，使得再次提高了大型熱鍛模具的使用壽命。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細說明。下述實施例所描述的具體特種鑄鋼材料組分的配比、工藝條件及其結果是為了更好的解釋本發明,而不構成對本發明保護范圍的限定。
實施例1
1)煉鋼與精煉：在轉爐煉鋼中對鐵水中的碳和磷進行去除，得到鋼水；再將鋼水在精煉爐中進行精煉；特種鑄鋼的化學成分以質量百分數計，在精煉過程中控制鋼水中的碳元素含量為0.42％、硅元素的含量為0.4％、錳元素的含量為0.8％、磷元素含量為0.02％、硫元素含量為0.02％、鉻元素的含量為1.55％、鎳元素的含量為1.55％、鉬元素含量為0.23％，余量為鐵；
2)澆鑄：將步驟1)中獲得的鋼水進行連續鑄造，得到模具基體鋼坯；
3)再將步驟3)中的模具基體鋼坯進行水淬油冷，淬火溫度890℃，再將完成油冷的模具基體鋼坯進行回火，控制回火溫度為625℃；
4)將步驟3)中得到模具基體鋼坯上的粘砂、夾砂、飛邊、毛刺、澆冒口和氧化皮進行清除。
按照實施例1中的制備方法鑄造熱鍛模具基體鋼坯，同時鑄造2塊試樣(試樣1和試樣2)進行成分分析，得到表1；
表1為實施1中得到的用于制備高溫重載條件下大型航空熱鍛模具的特種鑄鋼材料化學成分
將實施1中得到的試樣1和試樣2進行力學性能測試得到表2；
表2為實施例1中得到的用于制備高溫重載條件下大型航空熱鍛模具的特種鑄鋼材料力學性能
實施例2
1)煉鋼與精煉：在轉爐煉鋼中對鐵水中的碳和磷進行去除，得到鋼水；再將鋼水在精煉爐中進行精煉；特種鑄鋼的化學成分以質量百分數計，在精煉過程中控制鋼水中的碳元素含量0.35％、硅元素含量0.2％、錳元素含量0.60％、磷元素含量為0.02％、硫元素含量為0.02％、鉻元素含量1.4％、鎳元素含量1.4％、鉬元素含量0.15％，余量為鐵；
2)澆鑄：將步驟1)中獲得的鋼水進行連續鑄造，得到模具基體鋼坯；
3)再將步驟3)中的模具基體鋼坯進行水淬油冷，淬火溫度860℃，再將完成油冷的模具基體鋼坯進行回火，控制回火溫度為600℃；
4)將步驟3)中得到模具基體鋼坯上的粘砂、夾砂、飛邊、毛刺、澆冒口和氧化皮進行清除。
按照實施例2中的制備方法鑄造熱鍛模具基體鋼坯，同時鑄造2塊試樣(試樣3和試樣4)進行成分分析，得到表3；
表3為實施2中得到的用于制備高溫重載條件下大型航空熱鍛模具的特種鑄鋼材料化學成分
將實施2中得到的試樣3和試樣4進行力學性能測試得到表4；
表4為實施例2中得到的用于制備高溫重載條件下大型航空熱鍛模具的特種鑄鋼材料力學性能
實施例3
1)煉鋼與精煉：在轉爐煉鋼中對鐵水中的碳和磷進行去除，得到鋼水；再將鋼水在精煉爐中進行精煉；特種鑄鋼的化學成分以質量百分數計，在精煉過程中控制鋼水中的碳元素含量為0.5％、硅元素的含量為0.6％、錳元素的含量為1.0％、磷元素含量為0.02％、硫元素含量為0.02％、鉻元素的含量為1.7％、鎳元素的含量為1.7％、鉬元素含量為0.3％；余量為鐵；
2)澆鑄：將步驟1)中獲得的鋼水進行連續鑄造，得到模具基體鋼坯；
3)再將步驟3)中的模具基體鋼坯進行水淬油冷，淬火溫度920℃，再將完成油冷的模具基體鋼坯進行回火，控制回火溫度為650℃；
4)將步驟3)中得到模具基體鋼坯上的粘砂、夾砂、飛邊、毛刺、澆冒口和氧化皮進行清除。
按照實施例5中的制備方法鑄造熱鍛模具基體鋼坯，同時鑄造2塊試樣(試樣5和試樣6)進行成分分析，得到表5；
表5為實施3中得到的用于制備高溫重載條件下大型航空熱鍛模具的特種鑄鋼材料化學成分
將實施3中得到的試樣5和試樣6進行力學性能測試得到表6；
表6為實施例3中得到的用于制備高溫重載條件下大型航空熱鍛模具的特種鑄鋼材料力學性能
通過表1、3、5中可以看出：本發明中鑄造的試樣的化學成分與理論上特種鑄鋼的化學成分含量的偏差極小，說明本發明中鑄造的模具基體鋼坯的化學成分含量滿足特種鑄鋼理論化學成分含量的要求，使得本發明中得到的模具鑄鋼基體的質量得到有效的保證；從表2、4、6中可以得出：本發明中的模具基體鋼坯的屈服強度σs、抗拉強度σb、斷面收縮率ψ、伸長率δ、服役前硬度、沖擊功及模具基體與夾心層剪切強度都能夠滿足每個性能的理論值；使得本發明鑄造的模具基體在350℃以上、局部瞬時應力650mpa以上的極端工作條件下的強度、硬度、韌性以及塑性等方面的力學性能均滿足要求；使得能夠明顯有效提高大型熱鍛模具的使用壽命。
經過實際生產實踐，大型熱鍛模具目前在8萬噸模鍛液壓機上已經生產合格鈦合金鍛件7批次后，采用本發明中實施例1、2、3中得到的特種鑄鋼材料做成的模具基體沒有出現變形、開裂的情況，模具基體與夾心層的焊接處連接牢固，沒有脫落的現象，因此，使得本發明鑄造的模具基體滿足在350℃以上、局部瞬時應力650mpa以上的極端工作條件，并且使用壽命明顯提高。
最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。