一种经济型细晶高强韧热作模具钢及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种经济型细晶高强韧热作模具钢GBL64及其制备方法，属合金钢制造技术领域。其成分配方包括如下重量百分比的元素：C：0.25％～0.40％；Si：0.15％～1.2％；Mn：0.2％～0.9％；Cr：3％～6％；Mo：1.0％～3.5％；W：0.6％～2.2％，余量为铁。制备方法包括：熔炼、电渣重熔、高温均质化、镦粗、拔长、去应力退火、超细化处理、调质处理。所获得的经济型热作模具钢晶粒尺寸细至约为0.5～3.5μm，具有优良的强韧性、高温摩擦磨损性能、热强性、热稳定性、热疲劳性能以及高的热导率。

An economical fine-grained high strength and toughness hot-working die steel and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种经济型细晶高强韧热作模具钢及其制备方法
本专利技术涉及一种经济型细晶高强韧热作模具钢GBL64及其制备方法，属合金钢制造

技术介绍
AISIH13钢是当前模具工业使用最为广发的模具钢之一，该产品的高温摩擦磨损性能，高温热强性，热稳定性，热疲劳性能以及热导率仍不能满足当前高强钢热冲压的苛刻条件，逐渐不能满足模具工业的需求，而相关替代产品如高强韧1.2367、8418/DIEVAR、3Cr2W8V适用于压铸模具，QRO90、HTCS-130和DHA-THERMO用于热冲压模具，5CrNiMo用于压铸和热锻模具，但各有劣势，如QRO90、1.2367、5CrNiMo和3Cr2W8V的韧性不足，8418/DIEVAR的热强行不足，HTCS-130虽然热导率很高，但热强性很低。为综合提升模具寿命，业界普遍思路是合金成分优化，并辅助于相对苛刻的生产装备和工艺条件，但仍然没有解决两个问题：(1)价格高昂的V元素仍没有找到合适的替代，因为VC在H13系列钢中起到二次硬化的作用；(2)成分优化普遍要求更为严格苛刻的生产装备条件，使得中低生产能力的特钢企业无法生产同类产品。普遍的合金化思路是降低铬含量，以提升热导率，并增加锰含量提升耐磨性，然而，铬元素是Cr5系列模具钢核心元素，降低铬将抗氧化性和耐蚀性难以保证；增加锰元素有增加大模块锰元素偏析的风险。另外，当前热作模具钢仍以大模块的自由锻造为主，辅助于超细化工艺，两者良性结合才能获得超细化析出组织，但决定冲击韧性和综合性能的本质晶粒度仍不受控制。另外，在晶粒细化的基础上，能否同时提升高强强度和热稳定性，且保持良好的冲击韧性，这是困扰当前模具材料研究工作者的一大难题。现有的解决方案有：(1)公布号为CN109518084A的专利文件公开了一种高热导率含Al、Nb渗氮热作模具钢及其制备方法。基于4Cr5MoSiV1钢合金成分，调整C与Cr、Mo、V比例，添加Al、Nb，合金含量比4Cr5MoSiV1钢少1.5～2.0％。该专利技术的钢成本低、韧性与4Cr5MoSiV1钢相当，具有高热导率和渗氮性、优良的耐磨性和回火抗力。但是Al的加热容易形成钢水中的Al2O3，增加夹杂物，另外Nb含量的范围太大，Nb的加入对晶粒细化效果仍不明显。(2)公布号为CN109136765A的专利文件提出了一种热作模具钢成分，还公开了一种热作模具钢的制备方法，包括配料、冶炼、浇涛，电渣重熔；高温扩散退火，多向锻造热加工；预备热处理；最终热处理。所制备的钢具有高的热稳定性、热强性及良好的韧性等优势，满足当前模具制造对其材料的高温性能要求。该专利技术的特殊是增加Mo含量至3.2％，提升了热强性和热导率，但V的含量仍较高，成本增加。(3)公布号为CN109023153A的专利文件提出了一种原位微量纳米TiC颗粒强韧化锻造热作模具钢，提出了相关的成分配方；其工艺是在锻造热作模具钢中以纳米TiC颗粒作为普通碳钢的组织调控剂和强化剂，提高其韧性和塑性。但是加入Ti元素易形成TiN，将明显降低钢的冲击韧性。(4)公布号为CN108950413A的专利文件提出了一种模具钢材料及其制备方法与用途。该方法通过添加微量Ti元素，并优化冶炼工艺，采用固溶处理，球化退火处理，淬火处理，回火处理对所制备的热作模具钢进行热处理，冶炼得到一种新型热作模具钢材料。本专利技术通过钛微合金化及后续热处理技术，使处理后的热作模具钢，热疲劳损伤因子显著降低，大幅度提高其热疲劳抗力。但是加入Ti元素易形成TiN，将明显降低钢的冲击韧性。(5)公布号为CN109280849A的专利文件提出了一种高性能热作模具钢成分及其制造工艺，低碳C0.20～0.30％，降低Cr至3.10～4.00％，添加W0.50～1.00％，降低V至0.10～0.30％。该专利技术采用降V增W的合金化思路，很好的提升了耐磨性，降低了成本，但Cr含量较低，使得该钢种热加工性能并不会太好。(6)公布号为CN109321826A的专利文件提出了一种高锰低铬型热作模具钢合金成分及其制备方法，添加Ni至0.80-3.00％，改善了模具钢的淬透性。该专利技术为高锰低铬型热作模具钢，Mn的提升会提高耐磨性，但也会明显增加Mn元素偏析，使得冲击功和冷热疲劳性能明显下降。(7)公布号为CN108265232A的专利文件采用优化原料配方、优化熔炼工艺、优化热处理工艺三管齐下，结合了H13的高稳定性，进一步提高了抗热疲劳性、抗回火性能，热强韧性，明显提高了模具的使用寿命。但是该专利技术未公布合金成分配比，因此很难判断其性能优劣。(8)公布号为CN107974637A的专利文件提出了一种热作模具钢合金成分配方，采用高Mo含量2.80％～3.20％，提升模具钢的热强性和冲击韧性。该专利技术采用高碳高Mo的合金思路，但仍没有较好的V替代方案，模具钢成本仍较高。(9)公布号为CN108220815A的专利文件提出了一种热锻用高热强性、高冲击韧性热作模具钢的成分配方，采用高C0.40～0.50％，低Cr:3.00～3.80％，并添加稀土元素0.002～0.008％。该专利技术通过加入稀土以净化晶界，冲击韧性会有提升，但稀土的加入方法仍没有清楚的方案和步骤。(10)公布号为CN107974632A的专利文件提出了一种奥氏体热作模具钢成分配方及其制备方法。该钢充分利用奥氏体形成元素Mn和C扩大奥氏体相区以获得稳定的奥氏体组织；利用定向凝固电渣工艺控制电渣锭中的碳化物和夹杂物行为；利用适当的热处理工艺来控制晶粒尺寸和碳化物的分解与析出行为。该专利技术制备得到的单一奥氏体组织热作模具钢固然可以充分提升模具钢的耐热性，热强性，但不能适用于当前市场上通用的H13钢热处理工艺，使其推广难度加大，再一个是奥氏体组织的屈服强度并没有马氏体组织好。(11)公布号为CN108070794A的专利文件，该专利技术提出了一种高耐磨热作模具钢成分配方及其制备方法，该钢加入纳米碳化钨1.8-2.5％，钼降低至0.8-1.0％，且添加氧化铈0.06-0.1％，充分改善热作模具钢的热强性、晶粒度和组织纯净度。该专利技术添加陶瓷复合粉体将有利于提升模具钢的耐磨性，但该专利的配方元素太复杂多样，生产难度加大。(12)公布号为CN107904510A的专利文件提出了一种高性能热作模具钢合金成分及其制备方法，加入Y0.01-0.03％和Ir0.02-0.05％以及Sr0.01-0.03％净化热作模具钢的钢质。该专利技术加入Y和Ir等稀土元素提升模具钢的高温强度，稀土冶金性质的掌控是该钢生产的一大难题。(13)公布号为CN107400838A的专利文件，该专利技术提出了一种高耐磨性热作模具钢及其制备方法，该热作模具钢通过添加碳纤维复合材料0.7-1.0％降低铬至1.0-1.5％，添加镍1.0-1.5％和钨0.1-0.2％达到提高淬透性，热强性的目的。该专利技术需加入碳纤维，成本较高，Ni也较多，成本增加，而且开裂倾向加大。(14)公布号为CN107557667A的专利文件，该专利技术提出了一种大型压铸模用高性能热作模具钢及其制造工艺，为实现大截面压铸模具的生产，提出低C0.20％～0.30％，添加W0.10％～0.20％，和Nb0.02％～0.04％％，实现高韧性和高热强性的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种经济型细晶高强韧热作模具钢，其特征在于，其成分配方包括如下重量百分比的元素：C：0.25％～0.40％；Si：0.15％～1.2％；Mn：0.2％～0.9％；Cr：3％～6％；Mo：1.0％～3.5％；W：0.6％～2.2％，余量为铁，以及微量残余元素S、P、N、O、H。

【技术特征摘要】
1.一种经济型细晶高强韧热作模具钢，其特征在于，其成分配方包括如下重量百分比的元素：C：0.25％～0.40％；Si：0.15％～1.2％；Mn：0.2％～0.9％；Cr：3％～6％；Mo：1.0％～3.5％；W：0.6％～2.2％，余量为铁，以及微量残余元素S、P、N、O、H。2.根据权利要求1所述的经济型细晶高强韧热作模具钢，其特征在于，配方包括以下重量百分比的元素：C：0.28％～0.35％；Si：0.20％～1.05％；Mn：0.25％～0.85％；Cr：3.5％～5.5％；Mo：1.2％～3.4％；W：0.8％～2％，余量为铁，以及微量残余元素S、P、N、O、H。3.根据权利要求1所述的经济型细晶高强韧热作模具钢，其特征在于，配方包括以下重量百分比的元素：C：0.28％；Si：1.05％；Mn：0.85％；Cr：3.6％；Mo：2.2％；W：2％，余量为铁，以及微量残余元素S、P、N、O、H。4.根据权利要求1～3任一项所述的经济型细晶高强韧热作模具钢，其特征在于，其中，S、P、N、O、H为含量可接受的杂质。5.根据权利要求1～4任一项所述的经济型细晶高强韧热作模具钢的制备方法，其特征在于，步骤包括：1)熔炼：将配料放入电弧炉中熔炼，熔炼合金成分达到指标后，将钢水控温至1520-1540℃浇铸到模具中形成电极钢棒，脱模后清除电极棒表面氧化皮和凹坑缺陷；2)电渣重熔：电极棒进行电渣重熔，使熔融的钢水经渣系过滤后，缓慢结晶凝固成圆形钢锭；3)高温均质化：将圆形钢锭加热到1230-1265℃，保温时间为(0.2～0.4)×D小时，D为钢锭直径尺寸cm，使钢内成分扩散均匀，然后冷却至锻造温度1180±10℃；4)镦粗：将1180℃±10℃钢锭在压机上沿钢锭高度方向进行镦粗至40％～50％高度，然后精...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴日铭，周菲，项少松，张宇航，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31