[发明专利]一种高性能低成本热作模具钢

说明书

技术领域

本发明涉及高性能低成本近净成形用热作模具钢领域。

背景技术

高性能低成本近净成形用热作模具材料是实现制造业现代化的基础与核心之一，其发展水平是衡量一个国家制造业水平高低的主要指标，是推动先进近净成形发展的主要技术。因此，发展以高技术含量、高附加值、高智力密集型为表征的上述材料的核心技术对促进模具材料行业技术进步，提高模具材料产品的国际竞争力，均具有十分重大的经济意义和社会公益效果。

近净成形制件的精度与使用寿命主要取决于模具的红硬性、耐磨性和热疲劳性。在一定化学成分下，钢的耐磨性主要随着钢的硬度、强度和红硬性的增大而提高，要具有较高的红硬性即马氏体在高温下长期回火时具有较高的稳定性；热疲劳抗力是表征材料热疲劳裂纹萌生前的工作寿命和萌生后的扩展速率，随着材料高温屈服强度和断裂韧性的提高，其萌生疲劳裂纹抗力、疲劳裂纹临界扩展抗力以及裂纹失稳扩展抗力亦随之增加。

发明内容

本发明在创制净终成形新一代热作模具钢的合金化及其强化方法与下列几个过程密切相关。

1.C、N间隙原子的固溶强化：碳的过饱和度越低，则基体硬度降低越多，即钢的强度与耐磨性能越差，但过多的碳进入固溶体，使M₂C原子比例减少，从而使高温下抗回火稳定性降低并引起脆性与热疲劳裂纹。根据计算与试验，本发明钢中的含碳量0.30～0.55较为合适。氮的加入可起到兼有增强的固溶强化以及形成高稳定性的碳氮化合物的析出强化，可延缓M₂₃C₆类型碳化物析出的作用，明显提高其热强性和耐磨性。

2.合金碳化物(或其他起同样作用的第二相)的析出：第二相熔点越高，产生沉淀硬化硬度越高，硬化作用比较稳定，越不易受温度升高或回火时间的延长而弱化，越具有高的回火稳定性。本发明中加入适量V、N元素所形成的VC、V₄C₃和M(C、N)等细小弥散颗粒，能与基体保持共格性联系，提高了它的抗聚集能力和抗滑移变形能力，增加了钢的高温强度和热稳定性。

3.回火马氏体中合金含量对钢的抗回火稳定性也起着不可忽视的作用。钢的再结晶温度越高，则α相在淬火及脱溶分解时产生的硬化能保持到更高的温度。因此，在本发明钢中含有足够能提高再结晶温度的合金元素相；此外，钼还能增加淬透性、提高抗热疲劳性能，但过高的钼含量也促进了脱碳倾向性并增加了热处理的敏感性。诚然，钨、钼都能增强铁的原子结合键，并对碳的扩散能起到很大阻碍作用，但钨的缺点是降低冷热疲劳抗力且随着钨含量的提高增加淬火钢的铁素体含量。为此，本发明钢通过实验采用单加钼的方法。根据试验结果，Mo含量为1.8～2.6％时最为合适。

4.关于铬对热作模具钢热稳定性能的影响，目前还没有一致的看法，但铬能提高钢的高温抗氧化性能且能增加热塑性，这种作用在强度大于1400Mpa的高强模具钢中尤为显著。不同铬含量对模具钢强度和韧性的影响如附图。试验表明Cr含量为2.7～3.5％时最为合适。

5.在模具钢中加入V元素可以起到细化组织和晶粒的作用。V加入0.05％可细化晶粒，在一定的元素含量范围内，随加入量增加，细化效果趋强。即使温度趋近700℃时，V的碳化物稳定性仍高，仍能保持细小，同时V溶入基体中提高α-Fe的自扩散激活能，有效阻止奥氏体晶粒粗化。考虑到模具钢的经济性，在大量试验的基础上，本发明选择V的含量为0.6～1.2％。

附图说明

附图1是铬含量对模具钢冲击韧性(无缺口)的影响。

附图2是铬含量对模具钢力学性能的影响。

此外，加入钢中的合金元素不仅要提高钢的红硬性、耐磨性和抗冷热疲劳能力，还要求有良好的工艺性能，其中在模具工作温度范围内不发生相变仍具有很大意义，这就要求加入的合金元素能显著提高Ac₁温度，缩小Ac₁与Ac₃温度间距离，从而使本发明钢具有高的热稳定性能的同时还减弱热处理工艺的敏感性。

根据上述目的和整体技术方案，本发明具体的技术方案为：

本发明钢按照重量百分比由以下元素组成：C：0.30～0.55％，Si：0.4～1.0％，N：0.005～0.05％，S≤0.03％，P≤0.03％，Mn：0.55～1.0％，Cr：2.7～3.5％，Mo：1.8～2.6％，V：0.6～1.2％，其余为Fe及不可避免的杂质。

本发明钢已通过某高速模锻压力机用模具的使用考核，并可应用于压铸铝镁合金、铝合金挤压等模具。本发明的钢具有以下优点：