[发明专利]热作模具钢材料及其制作工艺

说明书

技术领域

本发明属于金属材料及加工技术领域，特别是模具制造及使用范围，涉及一种热作模具钢及其制作工艺。

背景技术

模具，是工业生产的基础工艺装备，在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯等产品中，60～80％的零部件都依靠模具成型，因此模具被称为“百业之母”。随着模具市场逐年的发展扩大，生产模具的材料-模具钢的用量也在显著增加，其中热作模具钢的消耗量约占模具钢产品的30％以上。随着模具工业的迅速发展，对热作模具的使用寿命、加工精度提出了更高要求。热作模具钢性能的好坏和使用寿命的长短，将直接影响加工产品的质量和生产的经济效益。所以世界各国都在不断的研究和开发新型热作模具材料，鉴于我国的常用热作模具如而5CrNiMo，5CrMnMo耐热性差，3Cr2W8V(H21)钢存在碳化物偏析严重，塑性、韧性、导热性、抗冷热疲劳性能和抗溶蚀性能较差等问题，现用的H13钢(4Cr5MoSiV1)新型热作模具钢，模具前期使用时开裂性倾向大，模具修复率低，而进口材料存在造价偏高等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种热作模具钢材料及其制作工艺，使制备的热作模具钢材料，具有热稳定性好，抗热疲劳性能高、耐磨损、淬透性好、变形小；工艺过程简单，操作易控制。

本发明热作模具钢材料，其特征在于热作模具钢材料化学成分的重量百分组成为：C0.38～0.42、Mn 0.35～0.45、Si 0.55～0.65、Cr 5.0～5.5、Mo 0.2～0.25、V 1.0～1.5、S≤0.025、P≤0.025，余量为Fe。

优选的热作模具钢材料化学成分的重量百分组成为：C 0.40、Mn 0.38、Si 0.60、Cr 5.2、Mo 0.22、V 1.2、S≤0.025和P≤0.025，余量为Fe。

上述各微量元素量的误差为±0.05％。

上述热作模具钢材料的制作工艺，包括如下步骤：

(1)冶炼工艺：炼钢原料选择碳含量在0.44wt.％以下的废钢，如优质废钢T3、T4作为炉料，钢水冶炼过程中，当钢液在电炉中熔化1/3时，放入铬、钼合金熔化，在钢水出炉10～15分钟前，投入锰、硅、钒合金，然后投入脱氧剂，净化钢水的纯净度，取样化学分析；

(2)钢水铸造成钢锭：钢锭模在200℃～300℃时预热，注入钢水，保温45～80分钟，脱模后保温缓冷，48小时后出炉，钢锭进行退火处理：加热850℃～880℃，保温4～5个小时，随炉冷却，冷却速度≤30℃/小时，至500～550℃，出炉空冷，清理表面缺陷；

(3)锻造或轧制成型材：隧道窑炉加热，加热至1100℃～1150℃并透烧完全始锻，850℃终锻，锻造比3～4∶1，碳化物4～5级；

(4)型材球化退火工艺：电炉加热至850℃，升温速度60～80℃/小时，保温8个小时，随炉冷却至730～750℃，再保温4～6个小时，随炉冷却至500～550℃，出炉空冷，表面精整。

冶炼工艺中步骤(1)所述的脱氧剂为硅钙合金。

本发明所用的合金原料，其元素的含量为：铬合金的铬为65wt.％，钼合金的钼为60wt.％，锰铁合金的锰为65wt.％，钒合金的钒为70wt.％，硅合金的硅为75wt.％，脱氧剂为硅钙合金，含硅70wt.％和钙26wt.％。

各元素的作用机理：

(1)硅在钢中的作用：提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度，使钢的韧性和塑性降低。硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比。硅的质量分数为15％～20％的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层SiO₂薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。一般合金钢中的Si含量不会高于3.5％，在Si含量为4.8～6.5％时，钢具有很高的脆性。因此本发明中Si的含量取为0.55～0.65％，既发挥了Si的作用，又避免钢易变脆。

(2)锰在钢中的作用：锰提高钢的淬透性。锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用，锰对钢的高温瞬时强度有所提高。含锰较高时，有较明显的回火脆性现象。锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感，在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：当锰的质量分数超过1％时，会使钢的焊接性能变坏，锰会使钢的耐锈蚀性能降低，本发明Mn的含量选择0.35～0.45％减小了钢的过热敏感性(粗晶回火脆性)，避免形成带状纤维组织。