一种高镍高冲击功热作模具钢及其制备方法与流程

1.本发明涉及热作模具钢技术领域，具体涉及一种高镍高冲击功热作模具钢及其制备方法。


背景技术：

2.模具加工成型具有生产效率高、质量好、节约材料和成本低等一系列优点，广泛用于家电、汽车、3c等领域。目前使用最广泛的热作模具钢为h13，化学成分为c 0.32～0.45wt％，si 0.80～1.20wt％，mn 0.20～0.50wt％，cr 4.75～5.50wt％，mo 1.10～1.75wt％，v 0.80～1.20wt％，p≤0.030wt％，s≤0.03wt％。
3.然而h13的硬度偏低，冲击功相比较差，性能有待提升。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种高镍高冲击功热作模具钢及其制备方法，本发明提供的热作模具钢具有较高的硬度和冲击功。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种高镍高冲击功热作模具钢，按重量百分比计，包括以下化学成分：c 0.3～0.5％、si 0.1～0.5％、mn 0.25～1.0％、cr 3.0～5.0％、mo 2.0～3.0％、ni 0.2～0.5％、v 0.2～0.6％、p≤0.03％、s≤0.01％和余量fe。
7.优选地，c 0.35～0.5％、si 0.2～0.4％、mn 0.3～0.8％、cr 3.5～4.5％、mo 2.5～3.0％、ni 0.2～0.4％、v 0.4～0.6％、p≤0.03％、s≤0.01％和余量fe。
8.本发明提供了上述技术方案所述高镍高冲击功热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
9.将合金原料进行熔炼，得到钢坯；所述合金原料的组成与上述技术方案所述高镍高冲击功热作模具钢的化学成分一致；
10.将所述钢坯进行钢包精炼，得到精炼钢液；
11.将所述精炼钢液进行真空脱气和浇注，得到钢锭；
12.将所述钢锭进行电渣重熔，得到重熔锭；
13.将所述重熔锭进行锻造，得到锻造钢；
14.将所述锻造钢进行退火热处理，得到高镍高冲击功热作模具钢。
15.优选地，所述锻造的始锻温度为1100～1200℃，总锻比≥6，终锻温度≥820℃。
16.优选地，在进行所述锻造前，先将所述重熔锭加热至1180～1250℃进行保温，保温时间为10～20h。
17.优选地，所述重熔锭加热至1180～1250℃的升温速率为80～100℃/h。
18.优选地，所述退火热处理的温度为700～850℃，保温时间≥15h。
19.优选地，所述退火热处理后，将所得钢材炉冷至400～300℃以下出炉。
20.本发明提供了一种高镍高冲击功热作模具钢，按重量百分比计，包括以下化学成
分：c 0.3～0.5％、si 0.1～0.5％、mn 0.25～1.0％、cr 3.0～5.0％、mo 2.0～3.0％、ni 0.2～0.5％、v 0.2～0.6％、p≤0.03％、s≤0.01％和余量fe。本发明通过提高ni含量配合其他元素，一方面能够保证材料具有较高的硬度，另一方面能够显著提高材料的冲击功，能够满足复杂的服役环境对材料更高的要求。另外，本发明提供的高镍高冲击功热作模具钢具有良好的抗回火软化性能。
附图说明
21.图1为实施例1制备的高镍高冲击功热作模具钢的晶粒大小图片。
具体实施方式
22.本发明提供了一种高镍高冲击功热作模具钢，按重量百分比计，包括以下化学成分：c 0.3～0.5％、si 0.1～0.5％、mn 0.25～1.0％、cr 3.0～5.0％、mo 2.0～3.0％、ni 0.2～0.5％、v 0.2～0.6％、p≤0.03％、s≤0.01％和余量fe。
23.在本发明中，以重量百分比计，所述高镍高冲击功热作模具钢包括c0.3～0.5％，优选为0.35～0.5％。
24.在本发明中，以重量百分比计，所述高镍高冲击功热作模具钢包括si 0.1～0.5％，优选为0.2～0.4％。在本发明中，si能够提升材料的热稳定性。
25.在本发明中，以重量百分比计，所述高镍高冲击功热作模具钢包括mn 0.25～1.0％，优选为0.3～0.8％，更优选为0.4～0.6％。在本发明中，mn能够提升材料的强度。
26.在本发明中，以重量百分比计，所述高镍高冲击功热作模具钢包括cr 3.0～5.0％，优选为3.5～4.5％。在本发明中，cr能够增加材料的淬透性。
27.在本发明中，以重量百分比计，所述高镍高冲击功热作模具钢包括mo 2.0～3.0％，优选为2.5～3.0％。在本发明中，mo能够增加材料的红硬性。
28.在本发明中，以重量百分比计，所述高镍高冲击功热作模具钢包括ni 0.2～0.5％，优选为0.3～0.4％。在本发明中，ni的含量较高，能够增加材料的塑性、硬度和冲击功。
29.在本发明中，以重量百分比计，所述高镍高冲击功热作模具钢包括v 0.2～0.6％，优选为0.4～0.5％。在本发明中，v的作用是细化晶粒。
30.在本发明中，以重量百分比计，所述高镍高冲击功热作模具钢包括p≤0.03％，优选为p≤0.15％。
31.在本发明中，以重量百分比计，所述高镍高冲击功热作模具钢包括s≤0.01％，优选为s≤0.006％。
32.在本发明中，所述高镍高冲击功热作模具钢包括余量的fe。
33.本发明还提供了上述技术方案所述高镍高冲击功热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
34.将合金原料进行熔炼，得到钢坯；所述合金原料的组成与上述技术方案所述高镍高冲击功热作模具钢的化学成分一致；
35.将所述钢坯进行钢包精炼，得到精炼钢液；
36.将所述精炼钢液进行真空脱气和浇注，得到钢锭；
37.将所述钢锭进行电渣重熔，得到重熔锭；
38.将所述重熔锭进行锻造，得到锻造钢；
39.将所述锻造钢进行退火热处理，得到高镍高冲击功热作模具钢。
40.本发明将合金原料进行熔炼，得到钢坯。在本发明中，所述合金原料优选包括废钢和铁合金原料。在本发明中，所述熔炼优选包括转炉熔炼、电炉熔炼或感应熔炼。本发明对所述熔炼的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的熔炼过程即可。在本发明中，所述熔炼的温度优选为1530～1800℃，更优选为1534～1750℃；所述熔炼的时间优选为2h。
41.本发明优选在所述熔炼后，进行挡渣并加入脱氧剂进行出钢，得到钢坯。在本发明中，所述脱氧剂优选包括ca-al脱氧剂、硅铝钡钙铁、硅钙包芯线、铝线、铝锰铁、钢芯铝、电石和碳化硅中的一种或多种。本发明对所述脱氧剂的用量没有特殊要求，按照本领域熟知的用量进行添加即可。
42.得到钢坯后，本发明将所述钢坯进行钢包精炼，得到精炼钢液。
43.在本发明中，所述钢包精炼优选通过钢包精炼炉(lf)精炼调整合金成分。本发明优选在所述钢包精炼过程中加入脱氧剂和精炼渣，进行脱氧和脱硫，得到精炼钢液。在本发明中，所述脱氧剂优选包括al；所述脱氧剂的加入量优选为25kg/t。在本发明中，所述精炼渣优选为cao；所述精炼渣的用量优选为25kg/t。
44.得到精炼钢液后，本发明将所述精炼钢液进行真空脱气和浇注，得到钢锭。在本发明中，所述真空脱气优选在vd真空脱气设备中进行，所述真空脱气的工艺参数优选为在67pa真空度保持20～25min。本发明通过真空脱气降低精炼钢液中n、h、o气体元素含量。
45.在本发明中，所述浇注优选采用下注法；所述浇注的温度优选为1530～1540℃，更优选为1536℃；所述浇注的气氛优选为ar气氛。
46.得到钢锭后，本发明将所述钢锭进行电渣重熔，得到重熔锭。本发明对所述电渣重熔的具体工艺没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的电渣重熔方法即可。在本发明中，所述电渣重熔优选在氩气气氛中进行；所述电渣重熔过程中优选加入al/ca包芯线(成分al：70％，ca0:30％)，作用是脱氧去硫。在本发明中，所述al/ca包芯线的成分优选为：al 70wt％，ca0 30wt％。在本发明中，所述al/ca包芯线加入量优选为0.8～1.2kg/t，更优选为1.12kg/t。
47.本发明利用电渣重熔对钢锭进行进一步提纯，从而提高钢的纯净度，使硫含量降低至0.001％以下。
48.得到重熔锭之后，本发明将所述重熔锭进行锻造，得到锻造钢。在本发明中，所述锻造的始锻温度优选为1100～1200℃，更优选为1160～1180℃；总锻比优选≥6，更优选为6～7；终锻温度优选≥820℃，更优选为830～840℃。本发明通过控制始锻温度和终锻温度在确保顺利锻造的情况下可以防止锻裂以及晶粒长大。
49.本发明在进行所述锻造前，优选先将所述重熔锭加热至1180～1250℃进行保温，保温时间优选为10～20h。在本发明中，所述保温的温度更优选为1200℃，所述保温时间更优选为10～15h。本发明在锻造前将重熔锭在1180～1250℃保温，有利于使组织充分均匀化。
50.在本发明中，所述重熔锭加热至1180～1250℃的升温速率优选为80～100℃/h，更优选为90℃/h。本发明控制该升温速度能够保证加热均匀性。
51.本发明在所述锻造后，进行空冷，得到锻造钢。
52.得到锻造钢后，本发明将所述锻造钢进行退火热处理，得到高镍高冲击功热作模具钢。在本发明中，所述退火热处理的温度优选为700～850℃，更优选为760～800℃；保温时间优选≥15h，更优选为15～16h。本发明控制该退火热处理的温度和时间能够使硬度降低至机加工规定硬度。
53.在本发明中，所述退火热处理后，优选将所得钢材炉冷至400～300℃以下出炉，更优选为350℃。
54.下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。
55.实施例1
56.本实施例制备的高镍高冲击功热作模具钢的化学成分为：c 0.35％、si 0.3％、mn 0.5％、cr4.0％、mo 2.5％、ni 0.3％、v 0.5％、p 0.012％、s 0.006％和fe余量。
57.s1、配料熔炼：将废钢和铁合金原料按照上述化学成分进行配料，采用转炉进行熔炼，熔炼的温度为1750℃，时间为2h；熔炼结束后进行挡渣并加入ca-al脱氧剂进行出钢，得到钢坯；
58.s2、钢包精炼：将所述钢坯通过lf精炼调整合金成分，加入脱氧剂al和精炼渣cao，脱氧剂al的用量为25kg/t，精炼渣cao的用量为25kg/t，进行脱氧和脱硫，得到精炼钢液；
59.s3、真空脱气与浇注：采用vd真空脱气设备进行真空脱气，然后采用下注法将精炼钢液浇注为目标锭型，得到钢锭；
60.s4、电渣重熔：将钢锭进行电渣重熔，所述电渣重熔在氩气保护下进行，重熔过程中加入al/ca包芯线(al 70wt％，ca030wt％)，加入量为1.12kg/吨，得到重熔锭；
61.s5、锻造：将重熔锭加热至1200℃进行保温，保温时间10h，始锻温度1160℃，总锻比为6，终锻温度为830℃，锻后进行空冷，得到锻造钢；
62.s6、退火：将所述锻造钢在760℃保温15h，然后炉冷至350℃出炉，得到高镍高冲击功热作模具钢。
63.实施例2
64.本实施例制备的高镍高冲击功热作模具钢的化学成分为：c 0.38％、si 0.3％、mn 0.55％、cr4.5％、mo 2.56％、ni 0.35％、v 0.55％、p 0.016％、s 0.006％和fe余量。。
65.s1、配料熔炼：将废钢和铁合金原料按照上述化学成分进行配料，采用转炉进行熔炼，熔炼的温度为1750℃，时间为2h；熔炼结束后进行挡渣并加入ca-al脱氧剂进行出钢，得到钢坯；
66.s2、钢包精炼：将所述钢坯通过lf精炼调整合金成分，加入脱氧剂al和精炼渣cao，脱氧剂al的用量为25kg/t，精炼渣cao的用量为25kg/t，进行脱氧和脱硫，得到精炼钢液；
67.s3、真空脱气与浇注：采用vd真空脱气设备进行真空脱气，然后采用下注法将精炼钢液浇注为目标锭型，得到钢锭；
68.s4、电渣重熔：将钢锭进行电渣重熔，所述电渣重熔在氩气保护下进行，重熔过程中加入al/ca包芯线(al 70wt％，ca030wt％)，加入量为1.12kg/吨，得到重熔锭；
69.s5、锻造：将重熔锭加热至1200℃进行保温，保温时间15h，始锻温度1180℃，总锻比为7，终锻温度为840℃，锻后进行空冷，得到锻造钢；
70.s6、退火：将所述锻造钢在760℃保温16h，然后炉冷至350℃出炉，得到高镍高冲击功热作模具钢。
71.测试例1
72.图1为实施例1制备的高镍高冲击功热作模具钢的晶粒大小图片，由图1可以看出，本发明制备的高镍高冲击功热作模具钢的晶粒度可达到8级或更佳。
73.测试例2
74.实施例1制备的高镍高冲击功热作模具钢的硬度为209.08hb，平行锯切面的冲击功为350.3j，垂直锯切面的冲击功为355.95j；实施例2制备的高镍高冲击功热作模具钢的硬度为203.6hb，平行锯切面的冲击功为290.95j，垂直锯切面的冲击功为252.1j。作为对比，热作模具钢h13的硬度为182.50hb，平行锯切面的冲击功为258j，垂直锯切面的冲击功为265j。
75.其中，硬度的检测标准为gb/t231-2002；平行锯切面的冲击功和垂直锯切面的冲击功的检测标准为nadca-207-2003。
76.由检测结果可以看出，本发明提供的高镍高冲击功热作模具钢具有更高的硬度和冲击功。
77.测试例3
78.实施例2制备的高镍高冲击功热作模具钢在不同温度时的性能如表1所示。
79.表1实施例2制备的高镍高冲击功热作模具钢的性能
80.温度20℃400℃600℃密度，kg/m3789077007600弹性模量，n/mm2210000180000140000热膨胀系数，10-6
m/(m
×
k)1112.613.2导热系数，w/(m
·
℃)3031.633
81.测试例4
82.实施例2制备的高镍高冲击功热作模具钢在不同工作硬度条件下的力学性能如表2所示。
83.表2实施例2制备的高镍高冲击功热作模具钢的力学性能
84.硬度48hrc45hrc40hrc抗拉强度rm，mpa162014701250屈服强度r
p0.2
，mpa140012701100
85.由表2可以看出，在工作硬度48hrc抗拉强度及屈服强度最佳。
86.测试例5
87.实施例1制备的高镍热作模具钢不同温度下的屈服强度及断面伸长率数据如表3所示。
88.表3实施例1制备的高镍热作模具钢不同温度下的屈服强度及断面伸长率数据
89.温度/℃100200300400500600700
断面收缩率51％52％55％58％62％71％87％抗拉强度，mpa13951168110411881090805432屈服强度，mpa1205108510501000855625385
90.测试例6
91.将实施例1制备的高镍高冲击功热作模具钢依次进行淬火和回火，得到的模具钢的硬度如表4所示。
92.表4不同淬火温度下随回火时间延长的硬度结果
[0093][0094]
表4中以“1030℃30min 500℃”为例，表示在1030℃淬火30min，然后在500℃回火。
[0095]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。