[发明专利]一种奥氏体热作模具钢

说明书

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种奥氏体热作模具钢。

背景技术

传统热作模具钢均为马氏体型钢，这些材料虽具有高硬度与耐磨性能，但存在一点致命缺陷，其使用温度大多都在650℃以下，即无法在高温条件下工作。当温度超过650℃时，马氏体基体分解，发生回复软化，导致材料失效。与马氏体型钢的此点不足相比较，奥氏体型热作模具钢不论在常温或是高温工作条件下，基体始终保持单一奥氏体状态，可避免基体分解、回复软化的问题。奥氏体作为基体，具有良好韧性，但硬度偏低。一般通过加入诸如Cr、Mo、V等合金元素，使其在热处理过程中形成稳定、细小碳化物，依靠这些碳化物的弥散析出强化基体、提高硬度。当在高温条件下工作时，奥氏体钢仍可依靠碳化物保持自身强度和硬度。

CN101942606A公开了一种含氮奥氏体型热作模具钢及其制备方法，其具有以下的成分及重量百分比：C 0.3～0.7％，Si0.5～1.1％，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。虽然其相比现有技术有所改进，但其过分注重了N的作用，其硬度偏低，强韧性特别是高温的强韧性不是十分理想。因此，仍有改进的余地。

发明内容

本发明的目的在于提出一种奥氏体热作模具钢，该模具钢硬度比现有技术高，并且强韧性好。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种奥氏体热作模具钢，该模具钢以重量百分数计由下列组份组成：C0.3～0.7％，Si0.5～1.1％，Mn 7.0～8.0％，Cr 6.5～7.5％，Ni3.5～4.5％，Mo 0.6～0.8％，V 0.5～2.0％，Zr 0.1～0.2％，P＜0.02％，S＜0.005％，N 0.15～0.30％，Fe余量。

优选，该模具钢以重量百分数计由下列组份组成：C 0.4～0.6％，Si0.7～0.9％，Mn 7.3～7.7％，Cr 6.8～7.2％，Ni 3.8～4.2％，Mo 0.65～0.75％，V 0.8～1.7％，Zr 0.13～0.17％，P＜0.02％，S＜0.005％，N 0.20～0.25％，Fe余量。

最优选，该模具钢以重量百分数计由下列组份组成：C 0.5％，Si0.8％，Mn 7.5％，Cr 7.0％，Ni 4.0％，Mo 0.70％，V 1.3％，Zr 0.15％，P＜0.02％，S＜0.005％，N 0.22％，Fe余量。

本发明对现有技术进行改进，调整Mn、Cr、Mo的含量，并添加稳定奥氏体相并提高强韧性的Ni元素，并添加适量的Zr元素，从而改善热作模具钢的性能。具体为：

在本发明钢中添加N元素，目的有以下几点：1.稳定奥氏体组织：氮原子占据面心立方体的八面体位置，能提供较大体积。这个位置上间隙导致的变形不改变立方对称。氮原子半径比碳原子小，然而氮在铁的面心立方体与碳相比晶格膨胀大，金属特性强。晶格的膨胀提高了奥氏体的强度，因此氮可减缓面心结构向体心和密排六方结构马氏体的转变。2.氮对韧性的作用：氮在基体中的出现，给基体提供了更多的自由电子，在晶格上的置换元素宁可形成含氮化合物，也不愿把它排斥到晶界上，因此氮的弱晶界偏析对韧性有利；另外，氮的加入还会降低铬在奥氏体中的扩散系数，使铬的扩散变慢，从而减少晶界碳化物的析出，提高材料韧性。3.氮对硬度的作用：以固溶形式存在于奥氏体钢中的氮元素，通过后续时效处理期间有利的二次硬化使钢具有较好的性能，当有稳定合金化的元素时，诸如Ti、V或Nb，形成细小稳定的碳氮化物提供弥散析出强化，提高材料的强硬度。4.氮对热稳定性的作用：氮对材料的热力学稳定性有显著影响，根据化学成分、热处理温度以及时效时间的不同，可在含氮钢中发现不同类型、大小的碳氮化物，氮会使碳氮化物的沉淀析出的时效时间变得更长，从而推迟析出相的形核。碳氮化物中的氮会减小析出相与奥氏体基体的失配，从而降低界面能，抑制析出相的粗化，氮也可降低碳原子与碳化物形成元素的扩散能力，推迟碳化物的过时效，提高材料的高温稳定性。

本发明钢中Mn和Ni配合起到稳定奥氏体组织的作用，0.15～0.30％含量的N元素起到固溶强化作用，并在时效后与V结合形成二次析出相起到析出强化作用，提高本发明钢的强韧性。添加适量的Zr元素以及适量的Mo元素可提高模具钢的高温性能。

本发明具有如下有益效果：