[发明专利]抗氧化抗热疲劳热作模具钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合金钢及其制造方法，尤其是涉及一种抗氧化抗热疲劳热作模具钢及其制造方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

热作模具钢在高温复杂环境下工作，承受很大的冲击力，模腔和高温金属接触后，局部温度达到500-800℃，还经受着反复的加热和冷却，要求具有高的高温强度和抗氧化、抗热疲劳性能。目前，常用的热作模具钢材料有3Cr2W8V和4Cr5MoSiV (H13钢)等。用这些模具钢材料制造热锻模、压铸模和热挤压模时，由于高温强度低，抗氧化和抗热疲劳性能差，在使用过程中产生氧化和变形，在型腔的内表面出现热疲劳裂纹（龟裂），不仅降低模具的使用寿命，而且还降低成型件的表面质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷、工作性能优良的抗氧化抗热疲劳热作模具钢及其制造方法，其技术方案为：

一种抗氧化抗热疲劳热作模具钢，其特征在于其化学组成以质量百分比计为：碳0.02~0.15，硅0~1.2，锰0~0.6，磷0~0.030，硫0~0.015，铬8.0~12.0，钼0.2~0.6，钨1.5~2.3，钒0.8~1.2，氮0.01~0.15，铌0.05~0.20，钴1.0~4.0，硼0.005~0.015，余量为铁和不可避免的杂质。

一种如权利要求1所述的抗氧化抗热疲劳热作模具钢的制造方法，包括以下步骤：1）将构成元素的原料组成物经熔炼浇注制得模具钢钢锭；2）锻造或轧制；3）退火；4）最终热处理，其特征在于退火工艺为：800-850℃保持1-2h，空冷；最终热处理工艺为：1030-1150℃保持0.5-2h油冷，600-700℃保持1-2h空冷。

上述发明技术方案的原理是：通过提高铬的质量百分数到8-12%提高钢的高温抗氧化性，调整碳含量和添加氮元素形成碳氮化物弥散强化相保证高温强度，并通过优化合金元素的配比提高钢的临界温度A_c1。经最终热处理后，钢的组织由板条状回火马氏体，其上均匀分布着稳定的高密度碳氮化物弥散相，因而具有高的高温强度。高的高温强度和高的临界温度，使本发明钢具有良好的抗热疲劳性能。

下面对本发明钢各构成元素含量范围的选择理由进一步解释如下：

碳：降低临界温度A_c1，促进M₂₃C₆（M指Cr、Fe等金属元素）型碳化物析出，抑制碳氮化物以弥散形式析出，不利于高温强度和抗热疲劳性能的提高。因此，本发明钢中，碳的质量百分数控制在0.02~0.15％之间；

氮：与碳、铌、钒元素结合形成MX（M指V、Nb等金属元素，X指C和N）型碳氮化物强化相。氮含量过高，易于形成粗大碳氮化物相，不利于提高高温强度，过低又不足以形成足够的碳氮化物强化相。因此，本发明钢中氮的的质量百分数控制在0.01~0.15%。

铬：提高耐蚀性和抗氧化性，但过高的铬含量会导致最终热处理加热时形成大量δ-铁素体，不利于高温强度的提高。因此，本发明钢中铬的质量百分数控制在8~12％之间。

钴：奥氏体形成元素，起抑制δ-铁素体形成的作用，但又不降低钢的临界温度。但因钴的价格昂贵，尽量少用。因此，本发明钢中钴的质量百分数控制在1~4％之间。

钼和钨：固溶强化元素，提高钢的高温强度，同时还有提高钢的淬透性和防止第二类回火脆性的作用。但含量过高，会促进δ-铁素体的形成。因此，本发明钢中钼和钨的质量百分数分别控制在0.2~0.6％和1.5~2.3％之间。

钒和铌：是MX型碳氮化物强化相形成元素。含量过低，不足以形成足够的MX型碳氮化物强化相，含量过高，又会在熔炼和凝固过程中容易形成粗大碳氮化物相，在最终热处理的加热过程中难以溶入奥氏体。热疲劳裂纹容易在残留的粗大碳氮化物相与基体的界面处形核，从而降低钢的抗热疲劳性能。因此，本发明钢中，钒和铌质量百分比分别控制在0.8~1.2％和0.05~0.20％之间。

硅、锰、磷和硫：作为杂质元素，其质量百分含量分别控制在Si≤1.2%，Mn:≤0.6%，P:≤0.030%，S:≤0.015%。

本发明热作模具钢的制造方法中的退火处理的目的是为了降低硬度，便于模具制造过程中的切削加工，锻造后的模具钢经800-850℃保持1h后空冷退火，硬度在20-35HRC之间。最终热处理的目的是为获得板条状回火马氏体，使钢的组织中含有均匀分布的高密度碳氮化物弥散相，从而获得高的高温强度和抗热疲劳性能。