一種抗熱疲勞高性能熱作模具鋼及其制造工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種模具鋼及其制造工藝，具體涉及一種抗熱疲勞高性能熱作模具鋼及其制造工藝，該模具鋼充分利用Cr-Mo-W-V-Nb多合金元素的合金化作用特點，保證鋼高的淬透性及高溫熱穩定性和熱疲勞性能，不僅可以使鋼的使用溫度達到600°C以上，而且具有比H13鋼高的熱穩定性和良好的韌性和熱疲勞性能，屬合金鋼技術領域。
【背景技術】
[0002]熱作模具鋼是在較高溫度下(一般高于500°C)使用的模具用鋼，其中起到高溫熱強性和熱穩定性的合金元素通常是Cr、Mo、V等合金元素，因此目前的一些研究工作主要是對這些合金元素的調整。本研究發現，較高含量的Mo元素的加入可以提高鋼的抗熱疲勞性能和抗回火軟化性能，而一定量的W元素的加入可以大大提高鋼的熱穩定性和抗熱疲勞性能，使該鋼的使用溫度大大提高，從而用于制造高抗熱疲勞性能的熱做模具鋼，如使用溫度高于600°C的壓鑄模，另外，微合金元素Nb的加入，能起到細化晶粒的作用，從而進一步提高鋼的熱穩定性和碳化物的穩定性。
[0003]我國目前廣泛應用的熱作模具鋼包括4Cr5MoSiVl、3Cr2W8V以及應用于熱鍛模的5CrNiMo、5CrMnMo等。鎢系的3Cr2W8V雖然具有較高的回火抗力和高的熱強性，但其塑韌性、導熱性以其熱疲勞性能較差，5CrNiMo和5CrMnMo的熱強性較差，容易造成模具工作部分的塌陷，我國目前使用的熱擠壓模具鋼采用的是國家標準GB/T1299-2000中鋼號為4Cr5MoSiVl，這種熱擠壓模具鋼是現在使用最廣泛的熱作模具鋼，但是它的高溫強度不是很高，一般使用溫度不能超過540°C，而且抗熱疲勞性能和熱穩定性能不高。由于這種熱擠壓模具鋼的化學成份含有較高的鉬、鉻和釩元素及一定量的碳元素，屬于過共析鋼，因此其材料電渣錠的偏析嚴重，成材后的組織中存在大量的大塊液析碳化物，使得材料的韌性不足，容易出現早期開裂失效。由于這種材料含有大量的二次硬化元素，其回火態二次碳化物容易在服役條件下長大粗化和發生類型轉變，而且回火馬氏體中的合金元素也容易析出而降低鋼的強度，從而降低鋼的高溫性能。這種鋼的性能指標為??經1030°C淬火加590°C ~610°C回火后洛氏硬度值為44 一 46HRC，沖擊韌性值(“V”型缺口)Ak為彡8J，這個硬度值和沖擊韌性值等性能指標對于高要求的壓鑄模來說是不夠的。另外，抗回火軟化能力和熱疲勞抗力是熱作模具鋼的重要性能指標。
[0004]上述熱作模具鋼的冶金制造工藝是采用電爐熔煉加電渣重熔，然后鍛造成材的工藝。在其制造工序中，電爐熔煉加電渣重熔工序完成之后獲得500Kg~3000Kg的電渣錠，經鍛機鍛造成材。這種制造工藝存在如下問題:1)電渣錠型較小，小錠型降低了產品的成材率和制造產能；2)電渣錠的原始組織存在大量的大顆粒或大塊狀液析碳化物和組織偏析，降低了鋼錠鍛造成材后的性能指標；3)鍛后材料晶粒粗大，導致淬回火后材料的沖擊韌性低，產品檔次低，無法滿足市場對大截面、高韌性、高熱強性熱作模具鋼的需要。
[0005]在目前國內制造業高速發展的情況下，本發明從提高模具有效厚度的角度出發，打破國內大型壓鑄模用鋼依賴進口的局面，使大型壓鑄模用鋼國產化，提高國產模具鋼的競爭力和模具鋼制造水平，從而開發出了一種大截面壓鑄用高性能熱作模具鋼。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題是提供一種大截面壓鑄用抗熱疲勞高性能熱作模具鋼及其制造工藝。
[0007]為解決上述技術問題，本發明的技術方案為:
一種抗熱疲勞高性能熱作模具鋼，其創新點于:模具鋼基體由下述質量百分比的組分組成:
C0.15%~0.30% ；
Si0.00%~0.40% ；
Mn0.30%~1.00% ；
Cr3.50%~4.50% ；
Mo1.50%~2.00% ；
W0.20%~1.00% ；
V0.40%~0.80% ；
P0.00%~0.02% ；
S0.00%~0.02% ；
Nb0.00%~0.15% ；
其余為Fe。
[0008]所述一種抗熱疲勞高性能熱作模具鋼的制造工藝具有以下步驟:
步驟A.冶煉:按抗熱疲勞高性能熱作模具鋼基體由下述質量百分比組分的組成:C0.15%~0.30% ；Si 0.00%~0.40% ；Mn 0.30%~1.00% ；Cr 3.50%~4.50% ；Mo 1.50%~2.00% ；ff 0.20%~1.00% ；V 0.40%~0.80% ；P 0.00%~0.02% ；S 0.00%~0.02% ；Nb 0.00%~0.15% ；
其余為Fe，進行配料、電弧爐熔渣和精煉，然后進行二次電渣重溶，得到鋼錠；
步驟B.高溫擴散熱處理:將步驟A處理后的鋼錠高溫加熱，保持溫度為1100~1280°C，保溫10~15小時；
步驟C.鍛造熱加工:將步驟B處理后的鋼錠降溫至1150~1250°C溫度范圍內進行多向鍛造加工，采用兩鐓兩拔鍛造方式，鍛造壓縮比多3，總鍛比多6，終鍛溫度多900°C ;
步驟D.鍛后冷卻:將步驟C處理后的鋼錠采用控制冷卻，保證鋼錠以一定的冷速快速冷卻，至溫度降低到200°C以下裝退火加熱爐；
步驟E.二次碳化物超細化熱處理:將步驟D處理后的鋼錠再次加熱，加熱溫度為950~1150°C，保溫5~10小時，然后快冷至250°C以下，再送退火爐；
步驟F.等溫球化退火處理:退火爐第一階段等溫退火溫度為830~850°C，第一階段退火時間為5~10小時，退火爐第二階段等溫退火溫度為730~750°C，第二階段退火時間為10-20小時；
步驟G.淬火及回火熱處理:將步驟F處理后的鋼錠再次加熱至950~1100°C，再采用油冷或水霧冷卻至250°C以下，隨后進行回火處理，回火2~3次，每次回火溫度540°C -630°C,每次回火保持2~4小時。
[0009]優選的:所述的模具鋼基體由下述質量百分比的組分組成: C0.25% ；
Si0.30% ；
Mn0.60% ；
Cr4.00% ；
Mo1.80% ；
ff0.60% ；
V0.50% ；
P0.000%~0.007% ；
S0.00%~0.003% ；
Nb0.15% ；
其余為Fe。
[0010]優選的:所述的步驟B.高溫擴散熱處理，鋼錠升溫過程中分多級升溫，保證鋼錠內外溫度均勻，即分別在600°C、800°C和1000°C高溫，高溫擴散熱處理后在1100°C -1150°C溫度保溫，保溫10~15小時后，待鋼錠溫度均勻后進行鍛造熱處理。
[0011 ] 優選的:所述步驟E的快冷是油冷或水冷中的一種。
[0012]本發明的優點在于:本發明具有優秀的淬透性、熱穩定性、沖擊韌性和熱疲勞性能，這些指標均優于通用的H13熱作模具鋼。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明熱作模具鋼的CCT曲線。
[0014]圖2為本發明熱作模具鋼在1030°C淬火下的回火特性曲線。
[0015]圖3為本發明熱作模具鋼在620°C下與H13鋼熱穩定性數據對比。
[0016]圖4為本發明熱作模具鋼和H13鋼熱疲勞截面硬度梯度對比。
【具體實施方式】
[0017]本發明的抗熱疲勞高性能熱作模具鋼其成分設計的理論依據如下所述:
本熱作模具鋼與通用的H13熱作模具鋼相比，適當降低了碳含量，同時增加了 Mo含量，并加入了提高熱穩定性的合金元素W，增加了微合金化元素Nb。降低一定量的碳元素有利于提尚鋼的硬度均勾性；提尚Mo兀素的含量有利于提尚鋼的人穩定性和熱強性，同時提尚鋼的耐熱疲勞性能；W是碳化物穩定化兀素，能大大提尚鋼的熱穩定性，使該鋼加工的t旲具的使用溫度大大提高；微合金Nb元素的加入，可以細化晶粒和提高鋼的熱穩定性，從而提高鋼的高溫使用性能。錳元素雖然是弱碳化物形成元素，不能夠形成碳化物強化作用，但是一定量的錳元素的加入可以促進滲碳體的分解和推遲碳化物的析出與長大，有利于鋼的熱穩定性。另外，錳元素可以造成鋼中的殘余奧氏體的含量增加與穩定，這樣可以提高鋼的韌性和抗熱疲勞性能。硅元素不是碳化物形成元素，但硅元素是提高回火抗力的有效元素，提高鋼中硅元素的含量主要是可以使得鋼在回火的過程中馬氏體的分解減緩，硅元素可以在奧氏體到馬氏體的轉變之后的回火過程中有效阻礙馬氏體的分解，這主要是通過抑制ε碳化物質點的長大和擴大ε碳化物穩定區，延遲了碳化物向Θ-碳化物的轉變。硅推遲ε — Θ轉變，并能充分減小鋼中滲碳體在回火過程中的長大速率，硅原子從Θ相析出而在Θ相周圍形成娃原子的富集區，抑制Θ相的長大粗化；另外娃能有效提尚鋼的抗回火軟化能力。由于V與碳的親和力強，在冶煉的過程中容易形成VC —次碳化物，這種碳化物顆粒尺寸較大，不僅對鋼的性能沒有提高，相反降低鋼的韌性和熱疲勞性能等，而在隨后的熱處理過程中很難完全消除。因此適當降低鋼中V含量可有效的降低VC —次碳化物的比例，改善鋼的性能。但是，在回火過程中V可降低馬氏體的分解速度，推遲了奧氏體的轉變，而且V形成MC型的二次碳化物，細小彌散，不易聚集長大，在回火過程中，增強了二次硬化效果，極大的提高了鋼的熱穩定性和沖擊韌性。因此，將鋼中V的含量控制在0.4?0.8%之間，充分發揮V的合金化作用。Cr在熱作工模具鋼中主要形成Cr23C6型碳化物，起到強化作用，提高鋼的強度。
[0018]實施例1
抗熱疲勞高性能熱作模具鋼基體由下述質量百分比的組分組成:C 0.30%，Si 0.30%，Μη 0.60%，Cr 4.00%，Mo 1.80%，ff 0.70%，V 0.50%，P 0.003%，S 0.01%，Nb 0.12% ;其余為
Fe0
[0019]一種抗熱疲勞高性能熱作模具鋼的制造工藝具有以下步驟:
步驟A.冶煉:按上述的組分組成在電弧爐中進行熔煉，熔煉溫度大于1500°C，澆鑄成Φ 400mm~Φ 450mm鋼錠并空冷；將澆鑄后的鋼錠作為自耗電極放置于電渣重熔裝置中，進行電渣重熔，化渣電壓56~62V，電流3000~5000A，電制度電壓57~59V，電流11000~12000A，封頂電壓57~59V，持續35~50分鐘，電渣重熔成1000Kg~15000Kg鋼錠；
步驟B.高溫擴散熱處理:將電渣重熔后的鋼錠加熱至1240°C~1260°C進行高溫擴散熱處理，保溫15小時，均勻組織，改善合金成分偏析和消除液析碳化物；
步驟C.鍛造熱加工:將上述高溫擴散熱處理的鋼錠降溫至1150~1250°C溫度范圍內進行多向鍛造加工，采用兩鐓兩拔鍛造方式，鍛造壓縮比多3，總鍛比多6，終鍛溫度多900°C ;
步驟D.鍛后冷卻:鍛造熱加工以后采用控制冷卻，保證鋼錠以一定的冷速快速冷卻，至溫度降低到200°C以下裝退火加熱爐；
步驟E.二次碳化物超細化熱處理:將冷卻后的鋼錠再次加熱，加熱溫度為1100°C，保溫10小時，然后快冷(油冷或水冷)至