一种奥氏体热作模具钢及其制备方法技术

本发明专利技术属于合金钢制造技术领域，具体涉及一种奥氏体热作模具钢及其制备方法。所述方法包括电极棒熔炼、定向凝固电渣重熔、高温均匀化热处理、锻造、固溶处理和时效处理。本发明专利技术钢中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，制备得到的奥氏体热作模具钢基体组织组成为单一奥氏体组织+富钼、钒类共晶碳化物，其适用温度范围为650~850℃，可替代目前模具服役温度高于650℃时不再适用的马氏体型热作模具钢。

An Austenitic Hot Working Die Steel and its preparation method

The invention belongs to the technical field of alloy steel manufacturing, in particular to an Austenitic Hot Working Die Steel and a preparation method thereof. The methods include electrode rod melting, directional solidification electroslag remelting, high temperature homogenization heat treatment, forging, solid solution treatment and aging treatment. The austenite phase region is expanded by the austenite forming elements Mn and C in the steel to obtain stable austenite structure; the behavior of carbide and inclusions in the electroslag ingot is controlled by the directional solidification electroslag process, and the grain size and the segregation and precipitation behavior of carbides are controlled by proper heat treatment process, and the obtained austenite is prepared. The body structure of the body heat die steel is composed of single austenite and eutectic carbide with rich molybdenum and vanadium. The suitable temperature range is 650~850 C, which can replace the martensitic hot working die steel which is no longer applicable when the service temperature of the mold is higher than 650.

【技术实现步骤摘要】
一种奥氏体热作模具钢及其制备方法
本专利技术属于合金钢制造
，具体涉及一种奥氏体热作模具钢及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着制造业的不断进步，连续挤压技术得到了快速发展。基于制造业对低成本高效率成形制备的需求，被挤压型材材质也由熔点较低的铝和铝合金转向熔点较高的铜及铜合金，从而对挤压用模具钢提出了更严苛的性能要求。因此，开发一种高强度、高韧性、低成本的热作模具钢并掌握其生产工艺是亟待解决的问题。目前，国内外普遍使用的热作模具钢大多为马氏体型热作模具钢，如3Cr2W8V、H13、THG2000和QRO90等，都是利用淬火过程得到的马氏体基体和回火过程在基体上析出的二次碳化物进行强化。这类热作模具钢主要适用于650℃以下服役环境，如铝及铝合金等低熔点金属的压铸和挤压用模具。这是由于模具钢中的马氏体基体在温度超过650℃时开始发生分解，即相当于发生累积回火效应，基体开始软化，强度、硬度大幅度下降导致模具早起失效。然而，奥氏体热作模具钢可有效避免这一问题。奥氏体型热作模具钢不论在常温和高温服役环境下，其基体始终保持奥氏体状态，不发生相变，故具有良好的高温热稳定性。奥氏体钢的类型主要有Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-Mn、Fe-Mn-Al及Fe-Mn-C等系列，这类钢都是采用金属间化合物、碳化物和氮化物等进行沉淀析出强化，其成分组成上都包含部分镍元素，而我国镍资源稀少，价格昂贵，若采用镍作为奥氏体稳定化元素设计钢成分与开发研制低成本热作模具钢初衷不符。专利CN101942606B公开了一种含氮奥氏体热作模具钢及其制备方法，其具有以下的成分及质量百分比为C：0.3～0.7％，Si：0.5～1.1％，Mn：10.0～15.0％，Cr：2.0～6.0％，Mo：1.5～3.5％，V：0.5～2.0％，P<0.02％，S<0.005％，N：0.15～0.30％，Fe余量。其采用锰代替镍扩大钢中奥氏体相区，获得常温下稳定的奥氏体热作模具钢，同时添加Cr、Mo、V等碳化物形成元素，提高奥氏体热作模具钢的强度和硬度以及耐磨性能。然而，针对合金含量高的钢液在凝固过程中由共晶反应生成的碳化物、氮化物以及碳氮化物的尺寸、数量、形貌及其分布特征，专利CN101942606B并没有描述如何进行精细化控制，用以避免后期热加工和热处理过程均无法消除的粗大的共晶碳化物对最终模具产品性能所造成的危害。
技术实现思路
针对上述问题，本申请提供一种奥氏体热作模具钢及其制备方法。本申请奥氏体热作模具钢中Cr含量更低，杂质元素S和P含量更低；电渣工艺采用定向凝固技术，可以更有效的控制电渣锭铸态组织，减小枝晶间距，细化碳化物尺寸、数量、形貌及其分布，减少新生成夹杂物数量及其尺寸，获得更高的强度，硬度等力学性能。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种奥氏体热作模具钢的制备方法，所述方法包括电极棒熔炼、电渣重熔、高温均匀化热处理、锻造、退火、固溶处理和时效处理；所述电渣重熔过程中通过调整电渣电流、电压及抽锭后冷却水喷射流量，来控制金属熔池形貌、凝固界面前沿液相温度梯度分布和热流传导方向，从而保证电渣锭内部获得沿轴向平行生长的柱状晶组织。进一步地，在锻造后和固溶处理前还包括退火处理，所述退火处理为对经锻造后的钢锭需进行850～890℃的退火热处理，其保温时间为8～12小时。进一步地，所述高温均匀化热处理为先将电渣锭以≤180℃/h的加热速度加热到950～980℃，保温2～4小时，达到分解M2C型碳化物目的，然后在以180～300℃/h的加热速度加热到1150～1200℃，保温8～12小时，最后以≤180℃/h的速度降温到650℃，出炉空冷。进一步地，所述电极棒熔炼中利用真空感应炉进行熔炼，在1500～1650℃温度范围内调整合金组成成分，继续熔炼5～10分钟，直接浇铸成电极棒；所述合金组成成分以质量百分数计如下：C：0.55～0.75％，Si：0.45～0.85，Mn：13.5～18.5，Cr：3.00～4.50％，Mo：1.00～3.00％，V：1.00～2.00％，P≤0.01％，S≤0.003％，T.[O]≤0.002，Als≤0.020，其余为Fe。进一步地，所述锻造为将经所述高温均匀化热处理所得的电渣锭加热到1150～1200℃，保温2～4小时，然后利用空气锤进行多次六面锻造，锻造温度为1150～950℃，锻造比≥4，锻后采用空冷。进一步地，所述固溶处理的加热温度为1150～1200℃，保温时间为0.5～2小时，然后进行水韧处理以获得单一的奥氏体组织。进一步地，所述时效处理的时效温度为650～800℃，保温时间2～6小时，然后出炉空冷。一种奥氏体热作模具钢，所述奥氏体热作模具钢的以质量百分数计合金组成成分如下：C：0.55～0.75％，Si：0.45～0.85，Mn：13.5～18.5，Cr：3.00～4.50％，Mo：1.00～3.00％，V：1.00～2.00％，P≤0.01％，S≤0.003％，T.[O]≤0.002，Als≤0.020，其余为Fe；所述的奥氏体热作模具钢基体组织组成为单一奥氏体组织+富钼、钒类共晶碳化物，其适用温度范围为650～850℃。该奥氏体热作模具钢采用上述方法制备。进一步地，所述奥氏体热作模具钢应用于铜合金挤压。本专利技术的有益技术效果：本专利技术钢中利用奥氏体形成元素Mn和C扩大奥氏体相区获得稳定的奥氏体组织；利用定向凝固电渣重熔技术控制电渣锭中合金元素偏析、碳化物和夹杂物；利用合适的热处理工艺控制晶粒尺寸和碳化物的分解与析出行为，制备得到的奥氏体热作模具钢基体组织为单一奥氏体组织+富钼、钒类共晶碳化物。该奥氏体热作模具钢适用温度范围为650～850℃，可替代目前模具服役温度高于650℃时不再适用的马氏体型热作模具钢。附图说明图1本专利技术实施例3电渣锭轴向低倍组织；图2本专利技术实施例3电渣锭轴向显微组织；图3a本专利技术实施例3电渣锭深腐蚀碳化物形貌；图3b本专利技术实施例3电渣锭中萃取碳化物形貌；图4a本专利技术实施例3电渣锭锻造前高温扩散退火组织图；图4b本专利技术实施例3电渣锭锻造后退火组织图；图5a本专利技术实施例3奥氏体热作模具钢固溶热处理组织电解腐蚀(光镜图)；图5b本专利技术实施例3奥氏体热作模具钢固溶热处理组织电子背散射衍射EBSD图；图6本专利技术实施例3奥氏体热作模具钢时效热处理组织(扫描电镜SEM图)；图7本专利技术实施例3奥氏体热作模具钢与H13热作模具钢在高温保温不同时间后硬度的对比；图8本专利技术实施例3奥氏体热作模具钢在不同温度条件下的抗高温压缩屈服强度曲线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。相反，本专利技术涵盖任何由权利要求定义的在本专利技术的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本专利技术有更好的了解，在下文对本专利技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本专利技术。实施例1一种奥氏体热作模具钢的制备方法包括电极棒熔炼、电渣重熔、高温均匀化热处理、锻造、固溶处理和时效处理；具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种奥氏体热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述方法包括电极棒熔炼、定向凝固电渣重熔、高温均匀化热处理、锻造、固溶处理和时效处理；所述电渣重熔过程中通过调整电渣电流、电压及抽锭后冷却水喷射流量，来控制金属熔池形貌、凝固界面前沿液相温度梯度分布和热流传导方向，从而保证电渣锭内部获得沿轴向平行生长的柱状晶组织。

【技术特征摘要】
1.一种奥氏体热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述方法包括电极棒熔炼、定向凝固电渣重熔、高温均匀化热处理、锻造、固溶处理和时效处理；所述电渣重熔过程中通过调整电渣电流、电压及抽锭后冷却水喷射流量，来控制金属熔池形貌、凝固界面前沿液相温度梯度分布和热流传导方向，从而保证电渣锭内部获得沿轴向平行生长的柱状晶组织。2.如权利要求1所述方法，其特征在于，在锻造后和固溶处理前还包括退火处理，所述退火处理为对经锻造后的钢锭需进行850~890℃的退火热处理，其保温时间为8~12小时。3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述高温均匀化热处理为先将电渣锭以≤180℃/h的加热速度加热到950~980℃，保温2~4小时，达到分解M2C型碳化物目的，然后在以180~300℃/h的加热速度加热到1150~1200℃，保温8~12小时，最后以≤180℃/h的速度降温到650℃，出炉空冷。4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述电极棒熔炼中利用真空感应炉进行熔炼，在1500~1650℃温度范围内调整合金组成成分，继续熔炼5~10分钟，直接浇铸成电极棒；所述合金组成成分以质量百分数计如下：C：0.55~0.75%，Si：0.45~0.85，Mn：13.5~18.5，Cr：3.00~4.50%，Mo：1.00~3.00%，V：1.00...

【专利技术属性】
技术研发人员：史成斌，李晶，祁永峰，王昊，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11