專利名稱：熱沖壓模具用材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型熱沖壓模具用鋼材，適用于高耐磨性和良好抗冷熱疲勞性能要求的熱沖壓模具，屬熱沖壓模具材料制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
節(jié)能、環(huán)保、安全是當(dāng)今汽車技術(shù)發(fā)展的總趨勢，降低油耗、節(jié)約能源、減少汽車排放是當(dāng)今迫切解決的問題之一，其中汽車輕量化是解決這一問題的重要途徑。目前，鋼鐵公司推出了一系列具有超高強(qiáng)度的淬火硼鋼系列，如知名的Arcelor公司推出的22MnB5、 30MnB5，以及專門為汽車零件用生產(chǎn)的Usiborl500。這些淬火硼鋼的特點(diǎn)是在軋制成形后， 材料組織為均勻的鐵素體+珠光體，屈服強(qiáng)度為280 - 400Mpa,抗拉強(qiáng)度為大于450Mpa ；而經(jīng)過熱處理后，其組織為均勻的馬氏體，屈服強(qiáng)度可達(dá)1200Mpa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1600Mpa。采用此種鋼板生產(chǎn)的汽車零件可以使同等強(qiáng)度、剛度的零件減重50%以上。但是由于超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度時普通鋼板強(qiáng)度的2-3倍，所需的成形力極大，成形時往往會因此而導(dǎo)致模具損壞、設(shè)備震動，并且還易產(chǎn)生破裂、起皺、尺寸和形狀不良等問題。因此，原有的冷沖壓成形工藝不能再滿足技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展的需要，需要一種新的加熱成形工藝方式。熱沖壓成形工藝主要是利用金屬在高溫狀態(tài)下，其塑性和延展性迅速增加，屈服強(qiáng)度迅速下降的特點(diǎn)， 通過模具使零部件成形的工藝。采用熱加工的方法，一般是將板料加熱到再結(jié)晶溫度以上某個適當(dāng)?shù)臏囟?對于鋼鐵材料，加熱至奧氏體狀態(tài))時進(jìn)行沖壓成形，使板料成形時的流動應(yīng)力降低、提高板料的成形性、降低成形件的回彈，并且降低所需設(shè)備的噸位。與板料冷沖壓相比，板料的熱沖壓成形具有變形抗力小、塑性好、成形極限高等優(yōu)點(diǎn)。對于硼鋼，通過熱成形不僅具有以上所描述的熱成形的優(yōu)點(diǎn)，并且配以合適的后繼熱處理方式，還可以使板料發(fā)揮其最佳的性能，為汽車提供高質(zhì)量的零部件，從而不但降低了汽車零部件的重量， 還提高了其抗沖擊性能及疲勞性能，提高了汽車的安全性。目前國內(nèi)外尚無專門的適合熱沖壓成形的模具材料。德國企業(yè)采用的是CR7V和1.2379，日本企業(yè)采用的是SKD61。從目前的生產(chǎn)情況來看，這些材料都是從現(xiàn)有的模具材料中選取的，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但都不是最好的適合熱沖壓成形用的材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種專門用于熱沖壓成形模具的模具材料。本發(fā)明一種熱沖壓模具用材料，其特征在于具有以下的化學(xué)組成及其質(zhì)量百分比
C
Mn Mo P
Fe
0. 4-0. 5%, 0. 65-0. 85%, 2. 1-2. 4%, < 0. 025%,
余量
Si0. 7-0. 9%,
Cr2. 5-2. 7%,
V0. 8-1. 0%,
S< 0.005%,本發(fā)明熱沖壓模具用材料的制備方法，其特征在于具有以下的制備過程和步驟
a.感應(yīng)熔煉將配料置于中頻感應(yīng)爐中，在1500 1700°C溫度下進(jìn)行熔煉，然后澆注鋼錠；
b.電渣重熔將鋼錠放于電渣重熔裝置中，進(jìn)行二次精煉，以獲得成分均勻、組織致密的鋼錠；
c.退火在850 860°C下保溫7h，而后緩冷至300°C進(jìn)行空冷；
d.高溫均勻化將上述鋼錠加熱到1220 1250°C，并保溫8 10小時，使鋼成分均勻化，防止成分偏析，改善材料的凝固組織，隨后置于空氣中冷卻；
e.鍛造將上述經(jīng)處理的鋼錠再加熱到1200 1230°C，隨后進(jìn)行粗鍛，終鍛溫度為 980°C，得到鋼鍛件毛坯；
f.退火將上述鋼鍛件毛坯放入加熱爐中，加熱到830°C，保溫8h，然后爐冷至300°C 后再空冷至室溫；最終得到新型耐熱耐磨熱沖壓模具用合金鋼材料。本發(fā)明設(shè)計鋼種材料成分的理論依據(jù)
(I)C的含量決定淬火鋼的基體硬度。對工具鋼而言，鋼中的碳一部分進(jìn)入鋼的基體中引起固溶強(qiáng)化。另外一部分碳將和合金元素中的碳化物形成元素結(jié)合成合金碳化物。對熱沖壓模具用鋼，這種合金碳化物除少量殘留的以外，還要求它在回火過程中在淬火馬氏體基體上彌散析出產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象，從而由均勻分布的殘留合金碳化物和回火馬氏體的組織來決定熱沖壓模具鋼的性能。因此，熱沖壓模具材料中的含C量在0. 45、. 48%為宜。(2) Si是一個對鐵素體進(jìn)行置換固溶強(qiáng)化非常有效的元素，但同時在一定程度上降低鋼的韌度和塑性。Si是提高回火抗力的有效元素，但是，Si加入量過多，會使碳化物聚集的過時效速度增大，以至于難以控制。Si含量控制在0. 7 0. 9%。(3) Mn具有固溶強(qiáng)化作用，從而提高鐵素體和奧氏體的強(qiáng)度和硬度。錳是弱碳化物形成元素，它可溶入滲碳體中形成合金滲碳體，其形成可降低系統(tǒng)的自由能。錳溶圖奧氏體中能強(qiáng)烈增加鋼的淬透性，同時強(qiáng)烈降低鋼的Ms點(diǎn)。但是錳含量過高，會使脆性增加，綜合考慮將其控制在0. 65、. 85%。(4) Cr是合金工具鋼中最普遍含有的和廉價的合金元素。鉻對鋼的耐磨損性、高溫強(qiáng)度、熱態(tài)硬度、韌度和淬透性都有有利的影響，同時它溶入基體會顯著改善鋼的耐蝕性能。目前的H13改進(jìn)型熱作模具鋼一般有Cr5.0%和Cr2.6%型。熱沖壓模具材料中選定為 Cr2. 5 2. 7%ο(5) Mo溶入Fe中也具有固溶強(qiáng)化的作用，Mo溶解于奧氏體中能提高鋼的淬透性。 Mo是作為使鋼具有二次硬化的主要合金元素加入的，Mo會提高鋼的脫碳氧化敏感性，因此 Mo含量控制在2. Γ2. 4%比較合適。(6)V是置換固溶強(qiáng)化鐵素體和形成奧氏體圈的元素。V在工具鋼中的主要作用是細(xì)化鋼的晶粒和組織，增加鋼的回火穩(wěn)定性和增強(qiáng)二次硬化效應(yīng)。一般來說，V加入0. 05% 可細(xì)化晶粒，隨加入量增加，細(xì)化效果加強(qiáng)。因?yàn)榧词箿囟融吔?00°C，V的碳化物穩(wěn)定性仍高，仍能保持細(xì)小，所以V是有效阻止奧氏體晶粒粗化的元素，也是在高溫下服役的鋼的重要合金化元素。因此，控制在0.8 1.0%。(7) S和P為有害元素，其含量均應(yīng)控制在最低限度，以免產(chǎn)生惡化熱沖壓模具材料的性能，產(chǎn)生不良后果，應(yīng)使p<0. 025%, S<0. 005%。


圖1為本發(fā)明鋼與其他鋼種的熱穩(wěn)定性對比圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的具體實(shí)施例敘述于后。 實(shí)施例本實(shí)施例一種新的熱沖壓模具材料，其化學(xué)成分按重量百分比計包括
C0.48%, Si 0. 7%,
Mn0.67%, Cr 2.6%,
Mo2. 2%, V0.95%,
P<0.013%, S < 0. 005%,
Fe余量
制備工藝過程如下
a.感應(yīng)熔煉將配料置于中頻感應(yīng)爐中，在1500 1700°C溫度下進(jìn)行熔煉，然后澆注鋼錠；
b.電渣重熔將鋼錠放于電渣重熔裝置中，進(jìn)行二次精煉，可降低夾雜物的含量，并獲得成分均勻、組織致密、質(zhì)量好的鋼錠。重熔時合金通過渣洗和在熔池中的上浮去除夾雜物，得到進(jìn)一步精煉，合金的持久性能和塑性都得到提高，消除或減輕了各種宏觀和顯微缺陷；
c.退火在850 860°C下保溫7h，而后緩冷到300°C進(jìn)行空冷；
d.高溫均勻化將上述鋼錠加熱到1220 1250°C，并保溫8 10小時，使鋼成分均勻化，防止成分偏析，改善材料的凝固組織，然后置于空氣中冷卻；
e.鍛造將上述鋼錠加熱到1200 1230°C，隨后進(jìn)行粗鍛，終鍛溫度為980°C，得到鋼鍛件毛坯；
f.退火把鋼鍛件毛坯放入加熱爐中，加熱到830°C，保溫8h，然后爐冷至300°C左右后再空冷至室溫。最終得到熱沖壓模具用鋼材。性能測試
將上述熱沖壓模具鋼樣品做性能測試，結(jié)果如下
(1)退火態(tài)硬度204HB，經(jīng)過1020°C淬火+550°C回火處理后硬度為54HRC ；
(2)經(jīng)過1020°C淬火+550°C回火處理后，7*10*55mm沖擊試樣的沖擊功為198J ；
(3)經(jīng)過1020°C淬火+550°C回火處理后，抗拉強(qiáng)度為2017MPa ；
(4)經(jīng)過1020°C淬火+550°C回火處理后，在200°C時的線膨脹系數(shù)為12. 47*10_6/ K，導(dǎo)熱系數(shù)為27.3 W/(m*K)。本發(fā)明的熱沖壓模具鋼與H13鋼及CR7V鋼在620°C條件下，做熱穩(wěn)定性試驗(yàn)，H13 鋼及CR7V鋼成分如下表1所示，本發(fā)明鋼、H13、CR7V鋼的熱穩(wěn)定性對比如附圖1所示。表1 Hl3及CR7V的成分
成分(wt%) C |SiMnCrMoVPS
5H130. 370. 990. 275. 481. 230. 990. 0160. 005CR7V0. 4480. 4830. 3576. 451. 290. 770. 0160.0004
用于對比的鋼種熱處理工藝
H13 :1200°C淬火+ 600°C回火2小時(2次)。CR7V :1020°C淬火+ 550°C回火 2 小時(2 次)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果
由附圖1試驗(yàn)曲線可看出，在620°C條件下，本發(fā)明鋼的硬度明顯高于H13和CR7V。 將本發(fā)明鋼(本發(fā)明鋼的代號為SDCM2)應(yīng)用于熱沖壓模具，能顯著提高模具的使用壽命。
權(quán)利要求
1.一種新型熱沖壓模具用材料，其特征在于具有以下的化學(xué)組成及其質(zhì)量百分比 C 0.4-0. 5%,Si0. 7-0.9%,Mn 0.65-0.85%,Cr 2. 5-2. 7%,Mo 2. 1-2.4%,V 0.8-1.0%,P< 0.025%,S < 0.005%,Fe余量。
2.權(quán)利要求1中熱沖壓模具用材料的制備方法，其特征在于具有以下的制備過程和步驟感應(yīng)熔煉將配料置于中頻感應(yīng)爐中，在1500 1700°C溫度下進(jìn)行熔煉，然后澆注鋼錠；電渣重熔將鋼錠放于電渣重熔裝置中，進(jìn)行二次精煉，以獲得成分均勻、組織致密的鋼錠；退火在850 860°C下保溫7h，而后緩冷至300°C進(jìn)行空冷； 高溫均勻化將上述鋼錠加熱到1220 1250°C，并保溫8 10小時，使鋼成分均勻化， 防止成分偏析，改善材料的凝固組織，隨后置于空氣中冷卻；鍛造將上述經(jīng)處理的鋼錠再加熱到1200 1230°C，隨后進(jìn)行粗鍛，終鍛溫度為 980°C，得到鋼鍛件毛坯；退火將上述鋼鍛件毛坯放入加熱爐中，加熱到830°C，保溫8h，然后爐冷至300°C后再空冷至室溫；最終得到熱沖壓模具用鋼材。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型熱沖壓模具用鋼材，適用于高耐磨性、高抗冷熱疲勞性能要求的熱沖壓模具，屬熱沖壓模具材料制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供一種熱沖壓模具用材料，其化學(xué)成分(重量%)是C0.40~0.50，Si0.7~0.9，Mn0.65~0.85，P<0.025，S<0.005，Cr2.5~2.7，Mo2.1~2.4，V0.8~1.0，其余為Fe及微量雜質(zhì)。經(jīng)過感應(yīng)熔煉→電渣重熔→退火→高溫均勻化→鍛造→退火后，具有良好的機(jī)加工性能；經(jīng)過1020℃淬火+550℃回火后，材料具有良好的熱強(qiáng)度、熱硬度，高的耐磨性和抗疲勞性能，優(yōu)良的可焊接性，并具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)和較小的熱膨脹系數(shù)，適用于熱沖壓成形模具。
文檔編號C22C38/24GK102212754SQ20111000737
公開日2011年10月12日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者吳曉春, 邵嚴(yán) 申請人:上海大學(xué)