[发明专利]一种低成本且高温下具有高热导率的模具钢及其制备方法

说明书

本发明公开了一种低成本且高温下具有高热导率的模具钢及其制备方法，其中模具钢的成分按质量百分比构成如下：C0.28‑0.34％，Cr0.38‑0.45％，Si0.68‑0.74％，Mn0.40‑0.48％，Mo1.05‑1.15％，V≤0.08％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明通过调整钢中常见合金元素Cr、Si、Mn、Mo、V等的含量来提高其热导率；此外，本发明钢中贵金属Mo含量低，且不含贵元素W，具有成本低的优点。本发明钢制备工艺简单，是一种在高温下仍具有高热导率，且具有良好力学性能的模具钢。

技术领域

本发明涉及一种低成本且高温下具有高热导率的模具钢及其制备方法，通过配置合金成分和采用合适的热处理来改善模具钢的热导率。

背景技术

对各种材料进行加工，需要采用各种模具。随着加工工业的飞速进步，模具负荷不断加大，要求越来越高。模具工业水平已经成为衡量一个国家工业制造水平高低的重要指标之一。模具产业已经成为建设制造业大国的“排头兵”。冷冲压成形工艺存在冲击压力大，模具寿命短，且易产生破裂，精度不良等一系列问题；而热冲压成形工艺，有效利用了高温金属的特性，已经成为汽车，船舶等零部件生产中主流的成形工艺。仅2015年全球统计热冲压零部件年产量已达4.5亿件。并且这一数字每年预计还会以2.8％甚至更高的速度增长。热冲压成形工艺则离不开热作模具钢。

热作模具钢是用于制造使加热金属或热态金属所需形状的模具。这种模具是在反复受热和冷却条件下进行的。变形加工过程完成得越慢，模具受热的时间就越长，受热程度就越严重。许多模具还要承受比较大的冲击力，因此模具的苛刻工作条件要求模具钢具有高的热导率高，高抗热塑性变形能力，高韧性，高抗疲劳强度。其中热冲压模具在工作时需要较长时间与被加工金属和炽热金属接触，其受热温度往往更高。此外热冲压模具还承受很大的应力和摩擦力，因此对热冲压模具还需要有良好的耐磨性及耐蚀性以及一定的高温强度等。

目前我国模具产业中使用最多的热作模具钢仍然是H13(GB/T1299-2000中钢号为4Cr5MoSiV1)。这种模具钢的化学成分组成以质量百分比(wt.％)表示为：C0.32～0.45％，Cr4.75～5.50％，Si0.80～1.20％，Mn0.20～0.50％，Mo1.10～1.75％，V0.80～1.20％。H13钢具有比较优良的综合性能，韧性好，耐磨性高，热疲劳好，但是一旦工作温度比较高，超过600℃时，H13钢的强度和热稳定性就会明显下降，与此同时热导率不足，在600℃时热导率仅为28W/(m·K)，导致模具受热程度高，容易产生热塑性变形和热疲劳从而导致模具的失效，大大降低了模具的寿命周期。目前国外一种热导率表现优异，由西班牙Rovalma公司生产的HTCS-130钢，该钢在低温下的热导率很高，但是在高温时的热导率下降的很快，在600℃时为36W/(m·K)，700℃时为32W/(m·K)，这也就限制了这种钢在高温时的使用效率。因此，提高钢的高温热导率是开发高导热模具钢的核心问题。

H13钢的主要问题是模具的温度随着操作循环次数的增加而增加，这是由于从模腔到表面的传热不足所导致的，即热导率太低。虽然可以通过提供附加的冷却系统来克服上述问题，但是这会导致更高的生产成本并且使模具设计复杂化。HTCS-130钢中昂贵金属Mo和W的含量高，这使得该钢的成本也比较高；同时高温条件下该钢的热导率也有待进一步提高。