一種奧氏體熱作模具鋼及其熱處理工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及冶金鑄造領域，尤其涉及一種奧氏體熱作模具鋼及其熱處理工藝，具體適用于提高模具鋼的高溫熱穩定性。
【背景技術】
[0002]傳統馬氏體型熱作模具鋼的服役溫度一般不超過700°C，如H13、HD等。奧氏體型熱作模具鋼由于基體為單一的奧氏體，高溫服役時不存在基體分解和軟化問題，若基體與析出相控制得當，可在700°C以上使用且保持良好的硬度與韌性。形成奧氏體基體需要加入穩定奧氏體的合金元素，由于奧氏體基體較軟，還需加入強化基體的第二相形成元素。現有的奧氏體模具鋼合金元素的添加量較多，生產成本較高，如何在保證奧氏體模具鋼性能與質量的前提下，降低制造成本，是模具鋼技術的發展趨勢，也是奧氏體模具鋼未來的發展趨勢。
[0003]中國專利申請公布號為CN101302602A，申請公布日為2008年11月12日的發明專利公開了一種稀土奧氏體型熱作模具鋼材料，熱作模具鋼的成分及重量百分比為:C:0.3?0.7%，S1:0.5?l%，Mn:10.5?15%，Cr:2.0?6.0%，Mo:1.5?3.5%，V:0.5?2.0%，P:0.01?0.02%，S〈0.005%，稀土元素:0.003?0.01%，Fe余量。熱作模具鋼的制備方法是配料后熔煉、澆鑄、電渣重熔，在1240?1290°C高溫均勻化;進行粗鍛、毛坯鍛造和退火，然后在1140?1200 0C固溶處理和700?760 V時效處理。雖然該發明能使模具鋼具有高強度、高韌性，但其仍存在以下缺陷:
1、該發明的Cr含量較高，在制造過程中容易析出Cr23C6導致晶粒粗化，降低了該發明的高溫熱穩定性，導致該模具鋼在高溫環境下工作時強度下降較快，造成了該模具鋼使用壽命較短。
[0004]2、該發明的稀土元素含量過低，導致該發明的高溫抗氧化性較弱，該模具鋼在固溶處理時奧氏體晶粒容易粗化，造成該模具鋼高溫熱穩定性差、使用壽命短。
[0005]3、該發明的合金元素的添加總量較多，生產成本較高。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是克服現有技術中存在的高溫熱穩定性差的問題，提供了一種高溫熱穩定性好的奧氏體熱作模具鋼及其熱處理工藝。
[0007]為實現以上目的，本發明的技術解決方案是:
一種奧氏體熱作模具鋼，所述模具鋼的成分及質量百分比為:
C:0.72%?0.80%，S 1:0.90%?1.10%,Mn:11.0%?15.0%，Cr:0.60%?0.90%，Mo:0.80%?1.20%, V: 1.40% ?1.80%,N: 0.030% ?0.050%，Y: 0.02% ?0.10%，P〈0.020%，S〈0.008%，余量為
Fe0
[0008]所述模具鋼的成分及質量百分比為:C: 0.76%，S1:1.0%，Mn: 13.0%，Cr: 0.75%，Mo:1.0%，V:1.60%，N:0.040%，Y:0.06%，P:0.010%，S:0.004%，余量為 Fe。
[0009]—種奧氏體熱作模具鋼的熱處理工藝，包括以下步驟:
a、將所述模具鋼的鋼錠進行均勻化退火，對鋼錠鍛造成的毛坯進行毛坯退火；
b、將上述毛坯固溶處理:固溶溫度為12500C?1400V，保溫時間為0.5小時?I小時；
c、將固溶處理后的毛坯時效處理:時效溫度為750°C?800°C，時效時間為2小時?6小時，此時模具鋼熱處理完成。
[0010]所述a步驟中，所述模具鋼的鋼錠進行均勻化退火是指:將鋼錠在1300V?1400 V保溫8小時?10小時，所述毛坯退火是指:將鋼錠鍛造成的毛坯在900°C?950°C保溫4小時?6小時。
[0011]與現有技術相比，本發明的有益效果為:
1、本發明一種奧氏體熱作模具鋼的成分及質量百分比為:C:0.72%?0.80%，S1:0.90%?1.10%，Mn:11.0%?15.0%，Cr:0.60%?0.90%，Mo:0.80%?1.20%，V:1.40%?1.80%，N:
0.030% ?0.050%, Y: 0.02% ?0.10%，P〈0.020%, S<0.008%，余量為 Fe，上述配方中各成分的設計優點為:γ:0.02%?0.10%，稀土元素釔能夠幫助絕大部分合金元素在固溶處理時溶入奧氏體，從而使模具鋼在時效處理時大量彌散析出第二相來強化奧氏體基體;另外，釔偏聚于奧氏體晶界，保證了固溶處理時奧氏體晶粒尺寸不會過分粗大，有效提高模具鋼的高溫強度、韌性與高溫抗氧化性;V: 1.40%?1.80%，本設計的釩元素的含量與氮元素相匹配，時效處理時釩以碳氮化釩的形式彌散析出，碳氮化釩可強化奧氏體基體，提高模具鋼的熱強性；C:0.72%?0.80%，本設計提高了碳的含量能夠擴大奧氏體區域，在時效處理時碳元素形成合金碳化物，提高模具鋼的基體強度，同時提高碳元素含量能夠相應減少模具鋼配方中氮、錳的含量從而降低模具鋼的原料成本;Cr:0.60%?0.90%，本設計通過降低鉻元素的含量來抑制Cr23C6的析出，有效防止晶粒粗化，提高了模具鋼的高溫熱穩定性，降低了原料成本；Mo: 0.80%?1.20%，本設計的鉬元素以Mo2C的形式析出，增強模具鋼的高溫強度和高溫耐磨性，同時減少鉬的含量，降低原料成本;Mn: 11.0%?15.0%，猛是奧氏體形成元素，猛元素含量大于11%是本設計模具鋼固溶處理后獲得奧氏體基體的重要條件，若本設計的錳元素含量大于15%，會導致模具鋼加工硬化強烈，機械加工變得困難;本設計的合金元素添加總量較少，能夠在提高奧氏體模具鋼性能與質量的同時有效降低生產成本。因此，本設計在降低原料成本的同時顯著提高模具鋼的高溫抗氧化性和高溫熱穩定性。
[0012]2、本發明一種奧氏體熱作模具鋼的熱處理工藝中固溶處理:固溶溫度為12500C?1400°C，保溫時間為0.5?I小時，由于本設計模具鋼含有0.02%?0.10%的釔，需要采用更高的固溶處理溫度，使合金元素盡可能多的溶解到固溶體中，本設計將合金元素溶入奧氏體的比率提高到98%以上，使合金元素更加均勻的分布于奧氏體內，極大增強了后續的時效強化效果。時效處理:時效處理溫度控制在750°C?800°C，時效時間為2?6小時，由于固溶處理中合金元素溶解充分，導致在時效處理時能夠大量彌散析出第二相，從而增強沉淀強化效果，有效提高奧氏體模具鋼的高溫熱穩定性和抗氧化性。因此，本設計的固溶處理能夠將絕大部分合金元素溶入奧氏體鋼中，有效增強了時效處理的強化效果，有效提高模具鋼的高溫熱穩定性。
[0013]3、本發明一種奧氏體熱作模具鋼的熱處理工藝中鋼錠均勻化退火:均勻化退火溫度為13000C?14000C，保溫時間為8小時?10小時，本設計采用較高的溫度進行均勻化退火，使模具鋼的化學成分和組織均勻化，有效防止晶內偏析，為后續固溶處理和時效處理提供了基礎。因此，本設計的鋼錠均勻化退火步驟能夠使模具鋼的化學成分和組織均勻化。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明實施例1的組織SEM照片。
[0015]圖2是本發明實施例1的熱穩定性變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0016]以下結合【附圖說明】和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0017]參見圖1、圖2，一種奧氏體熱作模具鋼，所述模具鋼的成分及質量百分比為:
C:0.72%?0.80%，S 1:0.90%?1.10%,Mn:11.0%?15.0%，Cr:0.60%?0.90%，Mo:0.80%?1.20%, V: 1.40% ?1.80%,N: 0.030% ?0.050%，Y: 0.02% ?0.10%，P〈0.020%，S〈0.008%，余量為
Fe0
[0018]所述模具鋼的成分及質量百分比為:C: 0.76%，S1:1.0%，Mn: 13.0%，Cr: 0.75%，Mo:1.0%，V:1.60%，N:0.040%，Y:0.06%，P:0.010%，S:0.004%，余量為 Fe。
[0019]一種奧氏體熱作模具鋼的熱處理工藝，包括以下步驟:
a、將所述模具鋼的鋼錠進行均勻化退火，對鋼錠鍛造成的毛坯進行毛坯退火；
b、將上述毛坯固溶處理:固溶溫度為12500C?1400V，保溫時間為0.5小時?I小時；
c、將固溶處理后的毛坯時效處理:時效溫度為750°C?800°C，時效時間為2小時?6小時，此時模具鋼熱處理完成。
[0020]所述a步驟中，所述模具鋼的鋼錠進行均勻化退火是指:將鋼錠在1300°C?1400°C保溫8小時?10小時，所述毛坯退火是指:將鋼錠鍛造成的毛坯在900°C?950°C保溫4小時?6小時。
[0021]本發明的原理說明如下:
奧氏體熱作模具鋼的性能取決于奧氏體基體晶粒的尺寸及奧氏體基體上析出相的種類、形態、大小和分布。本發明的奧氏體模具鋼的化學元素的選擇與控制原因如下:
C:0.72%?0.80%，碳元素能夠擴大奧氏體區域，提高碳含量可降低配方中氮和錳含量、降低原料成本。同時增加碳含量可提高基體的強度，形成的不同的合金碳化物，達到強化基體的效果。但碳含量過高，會降低模具鋼的韌性和高溫抗疲勞性能。
[0022]S1: 0.90%?1.10%，硅固溶于奧氏體能固溶強化模具鋼、增強加工硬化效果，高溫時效可有效抑制合金滲碳體的析出，提高合金碳化物的彌散度，增強基體抗軟化能力和抗氧化能力。本發明成分模具鋼的硅含量超過1.1%，上述效果不明顯。
[0023]Mn: 11.0%?15.0%，錳是奧氏體形成元素，錳大于11%是本發明模具鋼固溶處理后獲得奧氏體基體的重要條件。錳大于15%后，加工硬化強烈，機械加工變得困難。
[0024]Cr: 0.60%?0.90%，鉻溶入奧氏體，對奧氏體基體起固溶強化作用，時效處理時析出的合金碳化物起沉淀強化作用。根據本發明模具鋼的碳含量，將鉻的含量控制在0.60%?
0.90%，能夠有效抑制Cr23C6的析出，防止晶粒粗化的同時降低原料成本。
[0025]Mo: 0.80%?1.20%，鉬溶入奧氏體，對奧氏體基體起固溶強化作用。時效處理時析出碳化物起沉淀