[发明专利]热作模具钢、其热处理方法及热作模具

说明书

本发明涉及一种热作模具钢、其热处理方法及热作模具。具体地，本发明公开了一种热作模具钢材，其合金成分以重量百分比计包括Cu：2~8%，Ni：0.8~6%，且Ni:Cu≥0.4，C:0~0.2%，Mo:0~3%，W:0~3%，Nb:0~0.2%，Mn:0~0.8%，Cr:0~1%，其余为Fe和其它合金元素及杂质。本发明还公开了一种对所述热作模具钢材进行的热处理方法。本发明还公开了一种对所述热作模具钢材经过所述热处理方法热处理之后用做的热作模具。

技术领域

本发明涉及一种热作模具钢、其热处理方法及热作模具。

背景技术

热作模具钢是在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类合金工具钢。热作模具钢常被用作压铸、锻造、挤压时材料成形的模具。而近年来，能够同时满足汽车轻量化和安全性要求的汽车用先进高强钢板的成形技术—热冲压成形技术，对模具钢提出了新的要求和挑战，模具的导热能力直接关系到模具的抗热裂纹能力、使用寿命和生产的循环时间。

用于许多制造过程的热作模具钢经常承受很高的热机械载荷。这些负载通常会导致热冲击或热疲劳。对于大多数这些工具来说，主要的失效机理包括热疲劳和/或热冲击，通常也包括其他退化机制，其中，如机械疲劳，磨损（磨蚀，粘结，腐蚀甚至空洞），断裂，下沉或塑性变形。在除了上述工具之外的许多其他应用中，使用的材料也需要很高的抗热疲劳性和抵抗其它失效机理的性能。

热冲击和热疲劳是由热梯度引起的，而热梯度的产生是因为在大多数生产应用过程中，由于曝光以及能量源能量有限而导致温度有一定的衰减，因此热量无法稳定传输。在这种情况下，只要给定热通量密度函数，材料热导率越高，热梯度越低（因为热梯度与热导率成反比例），材料承受的表面载荷越低，产生的热冲击和热疲劳也就越低，因而可以提高材料的使用寿命。

一种具有高热导率的模具钢不仅可以缩短生产过程中的循环时间，而且因其高热导率的特性增强了模具的抗热裂纹强度从而提高模具的使用寿命。现在常用的模具钢，其室温下的热导率接近18~24W/mK，其热导率随温度的升高而降低。由于热导率低，在服役过程中，因材料的温度差导致的热膨胀差使模具形成热疲劳裂纹的机会高，致使模具使用寿命缩短。并且高温下保证模具钢耐磨性的碳化物析出相硬度降低，导致高温下模具抗磨性低的问题。

专利US09689061B2公布了一种高热导率合金工具钢，其合金化学成分以重量百分比计，C：0.26~0.55%，Cr：＜2%， Mo：0~10%，W：0~15%，Mo+W：1.8~15%，Ti+Zr+Hf+Nb+Ta：0~3%，V：0~4%，Co：0~6%，Si：0~1.6%，Mn：0~2%，Ni：0~2.99%，S：0~1%。该专利认为，经固溶处理和硬化处理后，C元素与Mo和W形成Mo、W碳化物取代Cr的碳化物，提高合金工具钢的热导率。

但是，该专利的工具钢将Cr的碳化物使用Mo、W的碳化物替代，虽然提高了热导率，但碳化物的尺寸不易控制。该专利中给出了其在经过固溶处理后，一次碳化物无法完全溶解后固溶于基体，而且未溶解的一次碳化物尺寸在~3μm左右，在材料服役过程中，大尺寸的碳化物将成为疲劳裂纹源，严重影响材料的疲劳寿命，而且大尺寸的碳化物也会严重恶化材料的韧性。国内研究者发现其最大热导率室温下~47 W/mK，随温度升高热导率降低，高于300℃时，热导率低于39 W/mK，硬度值达到50HRC以上时，冲击功（7×10mm无缺口试样）＜210J。该材料的热导率随温度的升高而降低，当其在高温使用环境下，其高热导率的优势丧失。该发明的材料无法获得高热导率-高韧性-高硬度的良好性能匹配。