一种抗热疲劳的热作模具钢及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种抗热疲劳的热作模具钢，其包括以下组分及其质量百分数：C 0.38～0.42％，Si 0.8～1.1％，Mn 0.2～0.5％，Cr 2.8～3.3％，Mo 1.2～1.5％，V 1.2～1.5％，Mg 0.0005～0.003％，Zr 0.01～0.3％，Nb 0.001～0.03％，杂质P<0.03％，S<0.03％，Fe余量。本发明专利技术对各组分进行合理组配，其中Mg微合金化，能够使合金在热疲劳过程中抑制Mo、V和Cr等碳化物形成元素在晶界的析出作用，使基体析出细小均匀分布的碳化物颗粒，阻碍疲劳裂纹的萌生，Zr微合金化使合金生成细小弥散分布的稳定析出相ZrN，具有钉扎位错，提高合金抗疲劳软化的能力，Nb微合金化的生成的析出相NbC能够提高钢的强度和抗疲劳软化能力。与通用型H13钢相比，本发明专利技术中的热作模具钢，具有更高的热稳定性、抗热疲劳性能以及高温强度。

【技术实现步骤摘要】
一种抗热疲劳的热作模具钢及其制备方法
本专利技术涉及钢铁
，尤其涉及一种抗热疲劳的热作模具钢及其制备方法。
技术介绍
热作模具钢对硬度要求适当，侧重于红硬性，导热性以及耐磨性，其含碳量低，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性和红硬性为主。热作模具工作条件的主要特点是与热态金属相接触，这是与冷作模具工作条件的主要区别。目前最广泛应用的热作模具钢是引进ASTM标准的通用型H13钢，等同于GB/T1299-2000标准的钢号4Cr5MoSiV1。H13钢强韧兼备，具有良好的综合力学性能，是一种冷热兼用的模具钢，但H13钢的热稳定性不足，当使用温度超过600℃时，力学性能将不能满足使用需要。如H13钢用于热锻模时，模具表面软化严重，易发生塌陷和龟裂现象，表明H13钢的高温强度和抗热疲劳性能的不足。因此，开发具有高的高温强度和高的抗热疲劳性能的热作模具钢具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题是针对现有技术而提供一种耐高温、抗热疲劳性能强的热作模具钢。本专利技术所要解决的第二个技术问题是针对现有技术而提供一种上述热作模具钢的制备方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种抗热疲劳的热作模具钢，其特征在于包括以下组分及其质量百分数：C0.38～0.42％，Si0.8～1.1％，Mn0.2～0.5％，Cr2.8～3.3％，Mo1.2～1.5％，V1.2～1.5％，Mg0.0005～0.003％，Zr0.01～0.3％，Nb0.001～0.03％，杂质P<0.03％，S<0.03％，Fe余量。作为优选，上述组分中V和C的质量比V/C与Mo和C的质量比Mo/C满足以下关系式：V/C+0.53×Mo/C≥4.68。作为优选，上述组分中V和C的质量比V/C与Mo和C的质量比Mo/C满足以下关系式：V/C+0.27×Mo/C≤4.25。本专利技术解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述的热作模具钢的制备方法，其包括以下步骤：(1)冶炼不同成分配方的热作模具钢；(2)感应熔炼加精炼加电渣重熔：用中频感应炉冶炼，经精炼后浇铸成电极棒，电渣重熔成钢锭并退火，工艺按H13钢现行工艺执行；(3)锻造：将上述钢锭按H13工艺锻造成不同规格的锻板；(4)热处理：按H13钢热处理工艺执行，经1030℃±5℃油淬处理，并通过多次充分回火，使模具钢硬度达到HRC45～49。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术对各组分进行合理组配，其中Mg微合金化，能使合金在热疲劳过程中抑制Mo、V和Cr等碳化物形成元素在晶界的析出，使基体析出细小均匀分布的碳化物颗粒，阻碍疲劳裂纹的萌生，Zr微合金化使合金生成细小弥散分布的稳定析出相ZrN，具有钉扎位错、提高合金抗疲劳软化的作用，Nb微合金化生成的析出相NbC能够提高钢的强度和抗疲劳软化能力。与通用型H13钢相比，本专利技术中的热作模具钢，具有更高的热稳定性、抗热疲劳性能以及高温强度。附图说明图1为本专利技术中的热作模具钢(钢号为4Cr3MoSiV)与H13钢在600℃和650℃的热稳定性曲线；图2为本专利技术中的热作模具钢(钢号为4Cr3MoSiV)热疲劳后表面和截面的裂纹形貌图；图3为H13钢热疲劳后表面和截面的裂纹形貌图；图4为本专利技术中的热作模具钢(钢号为4Cr3MoSiV)与H13钢热疲劳后截面上硬度随深度的变化曲线图。具体实施方式以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术中的抗热疲劳的热作模具钢，其包括以下组分及其质量百分数：：C0.38～0.42％，Si0.8～1.1％，Mn0.2～0.5％，Cr2.8～3.3％，Mo1.2～1.5％，V1.2～1.5％，Mg0.0005～0.003％，Zr0.01～0.3％，Nb0.001～0.03％，杂质P<0.03％，S<0.03％，Fe余量。热作模具钢是高温固溶态FCC奥氏体，通过淬火得到马氏体组织，FCC结构中的基础团簇是中心一个Fe原子，周围12个Fe原子构成的立方八面体结构，团簇可以表示为：FeFe12。合金中的元素与Fe元素具有负混合焓的，说明合金中的元素与Fe具有较强的相互作用，固溶到团簇心部位置，而弱相互作用的合金元素固溶到连接原子位置，合金元素Cr、Mo、V和Si与Fe具有负混合焓，固溶到团簇心部原子位置，Mn与Fe的混合焓值为0，固溶到连接原子位置，所以合金的平均成分可以表示成团簇式：[(CrMoVSi)Fe12](FeMn)3，共包含16个原子，这个基础团簇在奥氏体结构中可以排列成BCC结构，合金成分可以表示成一个大的团簇式形式：[(CrMoVSi)Fe12]16[(FeMn)3]16，即基础团簇式放大16倍，放大的团簇式包含256个原子。现有的H13钢经完全退火后，基体中处于固溶态的合金含量为Si0.93、Mn0.25、V0.33、Mo0.69、Cr3.10和C0.12(质量百分比)，按大团簇式256个原子计算，转化为合金原子个数，约为Si5Mn1V1Mo1Cr9C1.5，即为H13钢基体中固溶合金元素的原子含量。H13钢中超出大团簇式的原子则以碳化物形态析出，主要是强碳化物形成元素Cr、Mo、V及C，而Cr的球状Cr23C6碳化物粗化是H13钢在热疲劳过程中软化并降低疲劳抗性的主要原因。本专利技术为了避免过多的Cr形成球状Cr23C6，Cr元素含量不超过Cr9(质量百分比约为3.3％)，而只增加热稳定性更高的碳化物形成元素Mo和V，与C形成Mo2C、MoC和VC。本专利技术在原子个数Si5Mn1V1Mo1Cr9C1.5的基础上，再增加Mo1个和V2.5个原子,相应增加C3.5个，从而得到本专利技术热作模具钢的原子含量为Si5Mn1V3.5Mo2Cr9C5，换算为质量百分比含量为Si1.0％，Mn0.4％，V1.25％，Mo1.35％，Cr3.3％，C0.42％。因此，本专利技术中，优选地，上述组分中V和C的质量比V/C与Mo和C的质量比Mo/C满足以下关系式：V/C+0.53×Mo/C≥4.68，V/C+0.27×Mo/C≤4.25。实施例1～10的化学成分组成如表1所述，实施例1～10中V/C与Mo/C的关系如表2所述。上述热作模具钢的制备过程如下：(1)按上述组分及其质量百分数，冶炼不同成分配方的热作模具钢；(2)感应熔炼加精炼加电渣重熔：用中频感应炉冶炼，经精炼后浇铸的电极棒，电渣重熔成3吨钢锭并退火，工艺按H13钢现行工艺执行；(3)锻造：将上述钢锭按H13工艺锻造成不同规格的锻板；(4)热处理：按H13钢热处理工艺执行，经1030℃±5℃油淬处理，并通过多次充分回火，使模具钢硬度达到HRC45～49。对各实施例以及H13钢分别进行测试，3000次热疲劳性能、600℃高温强度以及600℃热稳定性如表3所述。由表3可见，本专利技术的热作模具钢疲劳表面硬度≥39HRC，疲劳软化深度≤1.0mm，截面裂纹深度≤76mm，表面裂纹宽度≤38um，600℃高温强度≥1100MPa，600℃保温20小时，硬度比H13钢高2.5HRC以上，热疲劳性能，高温强度，热稳定性都优于通用性H13钢。热稳定性测试：本专利技术中的热作模具钢和H13钢经热处理调质后硬度均为49HRC，并进行600℃和650℃热稳定性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗热疲劳的热作模具钢，其特征在于包括以下组分及其质量百分数：C 0.38～0.42％，Si 0.8～1.1％，Mn 0.2～0.5％，Cr 2.8～3.3％，Mo 1.2～1.5％，V 1.2～1.5％，Mg 0.0005～0.003％，Zr 0.01～0.3％，Nb 0.001～0.03％，杂质P<0.03％，S<0.03％，Fe余量。

【技术特征摘要】
1.一种抗热疲劳的热作模具钢，其特征在于包括以下组分及其质量百分数：C0.38～0.42％，Si0.8～1.1％，Mn0.2～0.5％，Cr2.8～3.3％，Mo1.2～1.5％，V1.2～1.5％，Mg0.0005～0.003％，Zr0.01～0.3％，Nb0.001～0.03％，杂质P<0.03％，S<0.03％，Fe余量。2.如权利要求1所述的热作模具钢，其特征在于，上述组分中V和C的质量比V/C与Mo和C的质量比Mo/C满足以下关系式：V/C+0.53×Mo/C≥4.68。3.如权利要求2所述的热作模具钢，其特征在于，上述组...

【专利技术属性】
技术研发人员：任美康，罗灵杰，
申请(专利权)人：宁波禾顺新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33