一种高红硬性热挤压模具钢及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种高红硬热挤压模具钢及其制备方法，属合金钢制造技术领域。


背景技术：

2.近年来，钼铁价格攀升。依据mysteel统计数据，钼铁femo60在2016年均价为68350元/吨，2022年均价172000元/吨，2023年1月30日价格为336000元/吨。相比2022年，h13钢成本将上涨约2000元/吨，8418钢成本将上涨约4000元/吨。在工模具钢领域，钼作为提升热强性关键元素，其重要性始终未被钴和钨替代(钴的持续高价和钨的惯性偏析)。
3.aisi h13钢是当前模具工业使用最为广发的模具钢之一，该产品的高温摩擦磨损性能，高温热强性，热稳定性，热疲劳性能以及热导率仍不能满足当前高强钢热冲压的苛刻条件，逐渐不能满足模具工业的需求，而相关替代产品如高强韧1.2367、8418/dievar、3cr2w8v适用于压铸模具，qro90、htcs-130和dha-thermo用于热冲压模具，5crnimo用于压铸和热锻模具，但各有劣势，如qro90、1.2367、5crnimo和3cr2w8v的韧性不足，8418/dievar的热强行不足，htcs-130虽然热导率很高，但热强性很低。
4.为综合提升模具寿命，业界普遍思路是合金成分优化，并辅助于相对苛刻的生产装备和工艺条件，但仍然没有解决两个问题：(1)价格高昂的mo元素仍没有找到合适的替代，因为mo在h13系列钢中起到提升高温硬度的作用；(2)成分优化普遍要求更为严格苛刻的生产装备条件，使得中低生产能力的特钢企业无法生产同类产品。
5.普遍的合金化思路是降低铬含量，以提升热导率，并增加锰含量提升耐磨性，然而，铬元素是热作模具钢核心元素，降低铬将抗氧化性和耐蚀性难以保证；当前热作模具钢仍以大模块的自由锻造为主，辅助于超细化工艺，两者良性结合才能获得超细化析出组织，但超细化工艺的球化时间太长，提升设备负载、且严重影响产品交付进度。
6.现有的解决方案有：
7.(1)公布号为cn114855071a的专利文件公开了一种h13合金模具钢及其制备方法。该发明明显大幅度降低mo含量至～0.2wt.％，cr含量降低至1.35wt.％，添加少量al元素，其测试冲击功很高，因为cr类碳化物明显减少，因此低倍组织也良好。然而，该成分钢种在高温下必然抗氧化能力不足，高强硬度也会迅速下降。
8.(2)公布号为cn109136765a的专利文件提出了一种热作模具钢成分，还公开了一种热作模具钢的制备方法，包括配料、冶炼、浇涛，电渣重熔；高温扩散退火，多向锻造热加工；预备热处理；最终热处理。所制备的钢具有高的热稳定性、热强性及良好的韧性等优势，满足当前模具制造对其材料的高温性能要求。该发明的特殊是增加mo含量至3.2％，提升了热强性和热导率，但高mo在当前市场环境下非常不可取。
9.(3)公布号为cn109280849a的专利文件提出了一种高性能热作模具钢成分及其制造工艺，低碳c 0.20～0.30％，降低cr至3.10～4.00％，添加w0.50～1.00％，降低v至0.10～0.30％。该发明采用降v增w的合金化思路，很好的提升了耐磨性，降低了成本，但cr含量较低，使得该钢种热加工性能并不会太好。
10.(4)公布号为cn108265232a的专利文件采用优化原料配方、优化熔炼工艺、优化热处理工艺三管齐下，结合了h13的高稳定性，进一步提高了抗热疲劳性、抗回火性能，热强韧性，明显提高了模具的使用寿命。但是该发明未公布合金成分配比，因此很难判断其性能优劣。
11.(5)公布号为cn107974637a的专利文件提出了一种热作模具钢合金成分配方，采用高mo含量2.80％～3.20％，提升模具钢的热强性和冲击韧性。该发明采用高碳高mo的合金思路，但仍没有较好的v替代方案，模具钢成本仍较高。
12.(6)公布号为cn108220815a的专利文件提出了一种热锻用高热强性、高冲击韧性热作模具钢的成分配方，采用高c 0.40～0.50％，低cr:3.00～3.80％，并添加稀土元素0.002～0.008％。该发明通过加入稀土以净化晶界，冲击韧性会有提升，但稀土的加入方法仍没有清楚的方案和步骤。
13.(7)公布号为cn107974632a的专利文件提出了一种奥氏体热作模具钢成分配方及其制备方法。该钢充分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。该发明制备得到的单一奥氏体组织热作模具钢固然可以充分提升模具钢的耐热性，热强性，但不能适用于当前市场上通用的h13钢热处理工艺，使其推广难度加大，再一个是奥氏体组织的屈服强度并没有马氏体组织好。
14.(8)公布号为cn108070794a的专利文件，该发明提出了一种高耐磨热作模具钢成分配方及其制备方法，该钢加入纳米碳化钨1.8-2.5％，钼降低至0.8-1.0％，且添加氧化铈0.06-0.1％，充分改善热作模具钢的热强性、晶粒度和组织纯净度。该发明添加陶瓷复合粉体将有利于提升模具钢的耐磨性，但该专利的配方元素太复杂多样，生产难度加大。
15.(9)公布号为cn107557667a的专利文件，该发明提出了一种大型压铸模用高性能热作模具钢及其制造工艺，为实现大截面压铸模具的生产，提出低c 0.20％～0.30％，添加w 0.10％～0.20％，和nb 0.02％～0.04％％，实现高韧性和高热强性的目的。通过增加少量的w和nb提升模具钢的热强性，但w的含量偏低，而且nb的晶粒细化作用有限。
16.(10)公布号为cn107699789a的专利文件提出一种高韧性、高热稳定性zw866压铸用热作模具钢，其思路是添加一定量的nb 0.005％-0.08％，改善晶粒度，实现提高综合性能的目的。其中添加微量的nb元素，对高温热加工工艺的控制难度加大，否则将很难达到晶粒细化的效果。
17.因此需要对现有技术加以改进，以获得一种高红硬热挤压模具钢，降低成本，方便加工。


技术实现要素：

18.本发明目的在于提供一种高红硬热挤压模具钢。
19.本发明的另一目的在于提供上述高红硬热挤压模具钢的制备方法。
20.本发明提供一种高红硬热挤压模具钢，其成分配方包括如下重量百分比的元素：c：0.17％～0.24％；si：0.10％～0.45％；mn：0.20％～0.45％；cr：7.00％～9.50％；w：0.80％～1.25％；v：0.20％～0.40％；b：0.004％～0.009％，余量为铁，以及微量残余元素s、p、n、o、h。
21.其中，s、p、n、o、h为含量可接受的杂质。
22.更为优选的，配方包括以下重量百分比的元素：
23.c：0.18％～0.21％；si：0.15％～0.25％；mn：0.25％～0.35％；cr：8.05％～8.50％；w：1.00％～1.15％；v：0.25％～0.30％；b：0.006％～0.008％，余量为铁，以及微量残余元素s、p、n、o、h。
24.本发明的一个优选实施例中，配方包括以下重量百分比的元素：
25.c：0.20％；si：0.18％；mn：0.28％；cr：8.65％；w：1.10％；v：0.28％，b：0.006％，余量为铁，以及微量残余元素s、p、n、o、h。其中，s、p、n、o、h为含量可接受的杂质，含量分别为1～200ppm。
26.上述高红硬热挤压模具钢的制备方法，采用以下的工艺过程和步骤：
27.1)熔炼：将配料放入电弧炉中熔炼，熔炼合金成分达到指标后，将钢水控温至1520-1540℃浇铸到模具中形成电极钢棒，脱模后清除电极棒表面氧化皮和凹坑缺陷；
28.2)电渣重熔：电极棒进行电渣重熔，使熔融的钢水经渣系过滤后，缓慢结晶凝固成圆形钢锭；
29.3)高温均质化：高温均质化：将圆形钢锭加热到1200-1245℃，保温时间为(0.4～0.6)
×
d小时，d为钢锭直径尺寸cm，使钢内成分扩散均匀，然后冷却至锻造温度1150
±
10℃；
30.4)镦粗：将1160℃
±
10℃钢锭在压机上沿钢锭高度方向进行镦粗至30％～40％高度，然后精整，回炉加热4-6小时；再进行第二次镦粗，精整，回炉保温6-8小时，再进行第三次镦粗，精整，始终保持终锻温度866℃以上；
31.5)拔长：对三次反复镦粗后的钢锭进行拔长和锻打至最终尺寸获得模块，保持终锻温度860℃～900℃以上，拔长后坑冷至300
±
10℃；
32.6)淬火：将模块加热至1030
±
10℃保温8-12小时，然后风冷淬火；
33.7)回火：将淬火模块加热至560℃保温(0.1～0.2)
×
d小时，d为锻件有效尺寸cm，空冷至室温；
34.8)等温球化退火：将回火后锻件升温至740
±
10℃，等温(0.6～0.9)
×
d小时，d为锻件有效尺寸cm，然后随炉冷至室温。
35.优选的，步骤3)高温均质化时将圆形钢锭加热到1200～1225℃，保温时间为(0.5～0.6)
×
d小时，d为钢锭直径尺寸(cm)，使钢内成分扩散均匀，然后冷却至锻造温度1150
±
10℃。
36.优选的，步骤7)回火时，将模块加热至560℃保温(0.15～0.2)
×
d小时，d为锻件有效尺寸cm，空冷至室温。
37.步骤2)中，通过电渣重熔，通过冶金渣系过滤去除电极棒中大部分不纯净杂质后，钢水缓慢结晶凝固形成圆形钢锭。
38.本发明所涉及的一些术语解释如下。
39.电极棒：用于电渣重熔的母材，用电弧炉熔炼后浇铸成型。
40.电渣重熔：利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。其目的是提高金属纯度，改善铸锭结晶。
41.钢锭：钢水经盛钢包注入铸模凝固形成一定形状的钢锭。
42.高温均质化：在高温下通过扩散消除或减小实际结晶条件下晶内成分不均匀和偏离于平衡的组织状态，改善合金材料的工艺性能和使用性能的热处理工艺。
43.偏析：合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象。
44.镦粗：使坯料高度减小而横截面增大的锻造工序。提高锻件的横向力学性能和减少各向异性；反复镦粗和拔长以打碎合金工具钢中的碳化物，使其分布均匀。
45.拔长：指凡是使横截面积减小，长度增长的锻造工序。
46.红硬性：热作模具钢在高温工作环境中，硬度维持缓慢下降的能力。
47.w、v是综合提升耐磨性、高温热强性和强韧性的有效元素，且b的加入能大幅度提升淬透性和硬度，本发明在4cr5mosiv1钢成分的基础上，用w完全替代mo元素，降c增cr加b，形成球形的crxc耐磨析出相，这一类析出相密集的钉扎在晶粒周围，阻碍晶粒的长大，且去除成本相对高昂的mo元素；因此，这类热挤压模具钢将比h13钢具有更低的成本，更好的耐磨性、高温热强韧性。
48.本发明高红硬热挤压模具钢在600℃回火后硬度仍能保持在48-52hrc，具有优良的强韧性、高温摩擦磨损性能、热强性、热稳定性、热疲劳性能。
49.本发明的有益效果在于：
50.(1)该发明钢种的冲击韧性超越h13优异水平，具有优良的高温摩擦磨损性能，高温热强性，热稳定性，热疲劳性能。
51.(2)由于从成分角度通过b元素实现了淬透性的提升，将有利于常规大生产实现该发明钢的稳定试制。
52.(3)本发明将提升热挤压模具钢硬度48-52hrc范围，7
×
10
×
55无缺口式样冲击功大于280j。
附图说明
53.图1为实施例1模具钢的1000倍金相组织图；
54.图2为600℃回火实施例1模具钢和h13钢热稳定性的测试对比图；
55.图3为实施例1模具钢和h13钢摩擦磨损系数的测试对比图。
具体实施方式
56.以下结合具体的实施例来对本发明的技术方案加以说明。
57.实施例1
58.高红硬热挤压模具钢成分配方含有如下重量百分比元素：
59.c：0.20％；si：0.18％；mn：0.28％；cr：8.65％；w：1.10％；v：0.28％，b：0.006％，余量为铁，以及微量残余元素s、p、n、o、h。
60.本实施例中，钢的工艺过程和步骤如下：
61.1)熔炼：将配料按配比放入电弧炉中熔炼，冶金成分达到要求后，控温至约1520-1540℃浇铸成φ290mm
×
2050mm电极棒，电极棒脱模后清除氧化皮和凹坑等缺陷。
62.2)电渣重熔：将电极棒进行电渣重熔精炼，通过冶金渣系过滤去除电极棒中大部分不纯净杂质，然后钢水缓慢结晶凝固成1吨圆形钢锭(直径约320mm)。
63.3)高温均质化：将1吨钢锭加热到1225
±
10℃，保温11小时，然后缓冷至1150
±
10
℃准备锻造加工。
64.4)镦粗：将1150℃钢锭沿着钢锭高度方向镦粗至35％高度，然后精整(即用压机将不规则的边沿压平整)，回炉1150
±
10℃加热5小时，再进行第二次镦粗，精整，回炉1150
±
10℃保温5小时，再进行第三次镦粗，精整，保持终锻温度860℃以上。
65.5)拔长：对三次反复镦粗后的钢锭进行锻打拔长至最终尺寸165mm
×
520mm
×
1550mm(厚度
×
宽度
×
长度)，有效尺寸165mm，保持终锻温度860℃以上，拔长后坑冷至350℃左右。
66.6)淬火：将模块加热至1030
±
5℃保温3小时，然后淬火(水冷介质)。
67.7)回火：将模块加热至560
±
5℃回火12小时，然后空冷。
68.8)等温球化：将模块加热至740
±
10℃保温20小时，随炉冷。
69.所得到的模具钢金相组织图(1000倍)如图1所示。
70.性能测试
71.将上述钢进行性能测试，结果如下：
72.(1)调质后硬度51hrc；
73.(2)无缺口7
×
10
×
55的式样冲击功大于280j；
74.开u型缺口的冲击功32j；
75.(3)热稳定性：此处的热稳定性表达方式为：钢在600℃保温不同的时间，其硬度的下降趋势为热稳定性的好坏判断。同时与h13钢进行热稳定性的比较试验。成分比较如表1所示(wt.％)，热稳定性数据比较如表2(单位：hrc)和图2所示。
76.(4)专利钢与h13钢进行摩擦磨损系数的测试，结果如图3所示。
77.表1h13和钢成分比较
78.钢号csimncrmowvbsph130.421.050.855.21.25-0.90-0.0020.006专利钢0.200.180.288.65-1.10.280.0060.0020.009
79.表2 600℃回火不同时间h13和专利钢硬度比较
80.钢号5h10h15h20h25h30h35h40hh134645423937363428专利钢5452494642403936

技术特征：
1.一种高红硬热挤压模具钢，其特征在于，其成分配方包括如下重量百分比的元素：c：0.17％～0.24％；si：0.10％～0.45％；mn：0.20％～0.45％；cr：7.00％～9.50％；w：0.80％～1.25％；v：0.20％～0.40％；b：0.004％～0.009％，余量为铁，以及微量残余元素s、p、n、o、h。2.根据权利要求1所述的高红硬热挤压模具钢，其特征在于，配方包括以下重量百分比的元素：c：0.18％～0.21％；si：0.15％～0.25％；mn：0.25％～0.35％；cr：8.05％～8.50％；w：1.00％～1.15％；v：0.25％～0.30％；b：0.006％～0.008％，余量为铁，以及微量残余元素s、p、n、o、h，该成分中，w完全替代传统热作模具钢中的mo元素。3.根据权利要求1所述的高红硬热挤压模具钢，其特征在于，配方包括以下重量百分比的元素：c：0.20％；si：0.18％；mn：0.28％；cr：8.65％；w：1.10％；v：0.28％，b：0.006％，余量为铁，以及微量残余元素s、p、n、o、h。4.根据权利要求1～3任一项所述的高红硬热挤压模具钢，其特征在于，其中，s、p、n、o、h为含量可接受的杂质。5.根据权利要求1～4任一项所述的高红硬热挤压模具钢的制备方法，其特征在于，步骤包括：1)熔炼：将配料放入电弧炉中熔炼，熔炼合金成分达到指标后，将钢水控温至1520-1540℃浇铸到模具中形成电极钢棒，脱模后清除电极棒表面氧化皮和凹坑缺陷；2)电渣重熔：电极棒进行电渣重熔，使熔融的钢液经渣系过滤后，缓慢结晶凝固成圆形钢锭；3)高温均质化：将圆形钢锭加热到1200-1245℃，保温时间为(0.4～0.6)
×
d小时，d为钢锭直径尺寸cm，使钢内成分扩散均匀，然后冷却至锻造温度1150
±
10℃；4)镦粗：将1160℃
±
10℃钢锭在压机上沿钢锭高度方向进行镦粗至30％～40％高度，然后精整，回炉加热4-6小时；再进行第二次镦粗，精整，回炉保温6-8小时，再进行第三次镦粗，精整，始终保持终锻温度866℃以上；5)拔长：对三次反复镦粗后的钢锭进行拔长和锻打至最终尺寸获得模块，保持终锻温度860℃～900℃以上，拔长后坑冷至300
±
10℃；6)淬火：将模块加热至1030
±
10℃保温8-12小时，然后风冷淬火；7)回火：将淬火模块加热至560℃保温(0.1～0.2)
×
d小时，d为锻件有效尺寸cm，空冷至室温；8)等温球化退火：将回火后锻件升温至740
±
10℃，等温(0.6～0.9)
×
d小时，d为锻件有效尺寸cm，然后随炉冷至室温。6.根据权利要求5所述的高红硬热挤压模具钢的制备方法，其特征在于，步骤3)将圆形钢锭加热到1200-1245℃，保温时间为(0.4～0.6)
×
d小时，d为钢锭直径尺寸cm，使钢内成分扩散均匀，然后冷却至锻造温度1150
±
10℃。7.根据权利要求5所述的高红硬热挤压模具钢的制备方法，其特征在于，步骤2)电渣重熔后埋入沙坑冷却至室温。8.根据权利要求5所述的高红硬热挤压模具钢的制备方法，其特征在于，步骤6)和步骤
7)是等温球化的前期准备阶段，为充分球化预备细小弥散的合金碳化物，作为步骤8)等温球化过程中碳化物球化的形核点。

技术总结
本发明涉及一种高红硬性热挤压模具钢及其制备方法，属合金钢制造技术领域。其成分配方包括如下重量百分比的元素：C：0.17％～0.24％；Si：0.10％～0.45％；Mn：0.20％～0.45％；Cr：7.00％～9.50％；W：0.80％～1.25％；V：0.20％～0.40％；B：0.004％～0.009％，余量为铁，以及微量残余元素S、P、N、O、H。制备方法包括：电炉熔炼、LF炉精炼、真空炉VOD脱气、电渣重熔、高温均质化、镦粗、拔长、淬火、回火和等温球化退火。所获得的高红硬热挤压模具钢球化组织在AS4级以上，调质硬度为48-52HRC，具有优良的强韧性、耐磨性、热强性和热疲劳性能。疲劳性能。疲劳性能。


技术研发人员：任志刚
受保护的技术使用者：苏州沃泰尔精密模具机械有限公司
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/9