一种高温合金模具材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高温合金模具材料，包括以下质量百分比的合金化学成分：C：0.02~0.05％、Cr：17.00～20.00％、Mo：2.00～3.00％、Al：1.50～2.50％、Ti：1.50～2.50％、Fe：8.00～10.00%、B：0.01~0.05%、S：≤0.01%，其余为Ni，合金中Al元素和Ti元素的质量分数之和不小于3.50%。本发明专利技术还公开了一种高温合金模具材料的制备方法及其在模具钢中的应用。本发明专利技术解决了现有商用高温合金作为有色金属热加工模具材料时表面耐磨性不足的问题，并将时效处理、离子渗氮过程相融合，明显缩短工艺流程，同时离子渗氮技术对环境友好。离子渗氮技术对环境友好。离子渗氮技术对环境友好。

A superalloy die material and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种高温合金模具材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种高温合金模具材料及其制备方法和应用，属于金属加工


技术介绍

[0002]在有色金属热加工，特别是热挤压生产过程中，模具处于高温、高摩擦、高载荷等苛刻的服役环境中，模具质量和寿命对生产质量、成本和效率起关键作用。传统的有色金属热挤压模具主要为模具钢，如3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1(H13)等，该类铁基材料的主要问题是高温下力学性能不足，如红硬性和高温韧性等。近年来，高温合金开始用于制造有色金属热挤压模具，该类合金以镍为基体，具有比钢更优秀的耐高温能力，由于镍基高温合金的设计初衷是用于高温下长期使用的承载件，并未考虑模具材料所需的表面硬度，因此使用商用高温合金制造有色金属热加工模具时热强性过剩而耐磨性不足，且过高的合金度使材料导热性较差，在模具材料冷热交替的服役过程中容易产生热应力，甚至导致开裂。
[0003]氮化处理是提高钢材表面硬度和耐磨性的常用方法，但对于镍基高温合金，氮原子在镍中几乎不固溶，在高温下也无法形成稳定的氮化物，且镍基合金面心立方晶体结构的原子堆垛较为紧密，不利于氮原子扩散，大量合金元素的加入进一步降低了氮在合金中的扩散能力，使高温合金的氮化较为困难，采用气体氮化的渗氮时间一般在100小时以上，且渗氮层深度不足。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种高温合金模具材料，该材料具有优异的热强性和高温韧性。
[0005]同时，本专利技术提供一种高温合金模具材料的制备方法，该法通过设计镍基高温合金的Al、Ti成分，使其在高温下形成γ
’
强化相，并通过加入Mo、Cr元素形成固溶强化，共同提供材料服役所需热强性；本专利技术通过离子渗氮处理，提供表面硬度与耐磨性；通过合金成分与渗氮工艺的联合设计，提高材料的渗氮能力，并使离子渗氮过程与γ
’
相时效过程融合，通过渗氮工艺使材料同时获得所需的表面和整体性能，缩短生产流程，降低能耗，环境友好。
[0006]同时，本专利技术提供一种高温合金模具材料在模具钢中的应用。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种高温合金模具材料，包括以下质量百分比的合金化学成分：C：0.02～0.05％、Cr：17.00～20.00％、Mo：2.00～3.00％、Al：1.50～2.50％、Ti：1.50～2.50％、Fe：8.00～10.00％、B：0.01～0.05％、S：≤0.01％，其余为Ni，合金中Al元素和Ti元素的质量分数之和不小于3.50％。
[0009]所述高温合金模具材料的Ni基体中弥散分布有γ
’
强化相。
[0010]所述γ
’
强化相的质量百分数大于15％。
[0011]所述高温合金模具材料的Ni基体的晶界处分散有(Cr,Mo)
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C6相。
[0012]一种高温合金模具材料的制备方法，包括以下步骤：
[0013]S01，合金熔炼：按所述合金化学成分配比进行配料，对各原料进行真空感应熔炼与保护气氛电渣重熔；
[0014]S02，开坯：对重熔所得合金铸锭进行热轧开坯，热轧温度范围为：950℃～1110℃；
[0015]S03，固溶处理：将热轧后坯料加热至1050℃～1100℃，保温4～6小时，空冷至室温；
[0016]S04，机加工与清洗：将固溶处理后材料加工至模具所需尺寸，去除表面氧化膜并使表面粗糙度低于Ra0.5μm，在有机溶剂中超声清洗去除油污；
[0017]S05，离子渗氮处理：将清洗后材料置入离子渗氮炉，抽真空至10Pa以下，通入氢气至炉内气压达100～150Pa，打开电源、起辉升温，温度达到680～700℃时通入氮气，调节氮气和氢气的流量比为1:3～1:4，保持炉内气压为300～400Pa，开始离子渗氮，渗氮时间为28～30h，渗氮结束后，切断电源，随炉冷至室温。
[0018]S02中铸锭热轧开坯后空冷至室温。
[0019]S05中渗氮过程中电压为500～700V。
[0020]S04中超声清洗时间为至少20min。
[0021]一种高温合金模具材料在模具钢中的应用。
[0022]本专利技术具有以下有益效果：
[0023](1)本专利技术通过Al、Ti元素成分设计，使材料在有色金属热加工所需的模具温度范围内(低于700℃)具有γ
’
强化相，通过固溶处理和渗氮过程的保温(相当于时效处理)，该相弥散分布于基体，有效钉扎晶界和位错，阻碍晶界与位错在高温下的滑动，提高材料的热强性。
[0024](2)本专利技术中Mo、Cr元素的原子能够固溶于Ni基体，并造成局部晶格畸变，起到固溶强化作用，提高材料在工作温度范围内的热强性。同时，Mo、Cr元素与C元素结合形成碳化物，其回溶温度高于模具材料的工作温度，进一步钉扎晶界，补充提高材料高温强度。本专利技术中Fe元素的加入能够起到一定的固溶强化效果，同时降低材料成本。本专利技术中B元素的加入能够强化晶界，提高材料的高温力学性能。本专利技术中对S元素含量的限制能够保障材料在开坯和服役过程中的高温韧性，防止热裂；
[0025](3)本专利技术通过离子氮化手段，使N元素微量溶入镍基合金表面的晶格，起到间隙固溶强化作用。同时N元素与Cr、Ti、Al等元素在合金表面形成CrN、TiN、AlN等氮化物硬质相，共同提高了材料的表面硬度。针对氮原子在镍中几乎不固溶，且无法形成稳定氮化物的问题，本专利技术采用离子渗氮方式，在渗氮过程中，N2被电离，产生辉光放电现象，氮离子在电场的作用下加速撞击材料表面，使一部分氮离子渗入合金内部。本专利技术中Cr、Ti、Al等元素可以与渗入的N元素结合形成氮化物，增强了合金吸收氮原子能力，提高渗氮层表面氮浓度。
[0026](4)本专利技术通过合金成分设计和渗氮温度设计，使材料的优选渗氮温度范围与γ
’
相时效温度范围一致，在离子氮化的保温过程中，材料在获得表面渗氮层的同时，整体析出γ
’
相，即以一个工艺同时获得表面和整体性能。合金中Al、Ti含量决定了γ
’
相的质量分数与回溶温度，Al、Ti含量过低时γ
’
相的质量分数过少，材料心部力学性能不足，同时γ
’
相
回溶温度下降，此时如果保持渗氮温度与时效温度一致，则温度过低导致渗氮效率下降，表面硬度不足，此时如果提高渗氮温度，则进一步导致γ
’
相回溶，降低心部性能，且额外增加了工艺时间与能耗。Al、Ti含量过高时，合金渗氮后表面大量氮化物产生，增大材料的表面脆性，导致渗氮层脱落。
[0027](5)本专利技术合金成分有效改变了现有商用高温合金作为有色金属热加工模具材料时热强性过剩而耐磨性不足的问题，并将时效处理、离子渗氮过程相融合，明显缩短工艺流程，同时离子渗氮技术对环境友好。
附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温合金模具材料，其特征在于，包括以下质量百分比的合金化学成分：C：0.02～0.05％、Cr：17.00～20.00％、Mo：2.00～3.00％、Al：1.50～2.50％、Ti：1.50～2.50％、Fe：8.00～10.00％、B：0.01～0.05％、S：≤0.01％，其余为Ni，合金中Al元素和Ti元素的质量分数之和不小于3.50％。2.根据权利要求1所述的一种高温合金模具材料，其特征在于，所述高温合金模具材料的Ni基体中弥散分布有γ
’
强化相。3.根据权利要求2所述的一种高温合金模具材料，其特征在于，所述γ
’
强化相的质量百分数大于15％。4.根据权利要求1所述的一种高温合金模具材料，其特征在于，所述高温合金模具材料的Ni基体的晶界处分散有(Cr,Mo)
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C6相。5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种高温合金模具材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S01，合金熔炼：按所述合金化学成分配比进行配料，对各原料进行真空感应熔炼与保护气氛电渣重熔；S02，开坯：对重熔所得合金铸锭...

【专利技术属性】
技术研发人员：王珏，成志路，顾晔林，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：