本發(fā)明涉及一種新型高強(qiáng)高韌性熱作模具鋼及其制備方法，屬于材料制備。

背景技術(shù)：

1、熱作模具鋼是模具鋼中的重要分支，其工作條件比起其它種類的模具要更為惡劣，不僅要承受高壓和沖擊負(fù)荷、金屬對(duì)模具型腔的熱磨損，還要反復(fù)受到冷熱循環(huán)交替的作用。

2、目前廣泛應(yīng)用的熱作模具鋼雖然在一定程度上滿足了工業(yè)生產(chǎn)的需要，但在高溫穩(wěn)定性、韌性方面還存在一定的缺陷。在高溫環(huán)境下，模具鋼易發(fā)生軟化和氧化，導(dǎo)致模具發(fā)生變形失效。很多模具的韌性較差，在承受沖擊載荷時(shí)容易產(chǎn)生開裂，嚴(yán)重影響模具鋼的使用壽命，熱作模具鋼在高強(qiáng)度和高韌性的方面的平衡一直是一個(gè)技術(shù)難題。同時(shí)，隨著近幾十年來工業(yè)的快速發(fā)展，要求熱作模具鋼朝著大型化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的方向發(fā)展，而目前主流的模具鋼能滿足這一需求的僅是少數(shù)。因此，開發(fā)一種既具有高溫?zé)岱€(wěn)定性又具備高強(qiáng)韌性的熱作模具鋼對(duì)于提升模具的耐高溫性能、延長(zhǎng)使用壽命、提高加工效率具有重要意義。

3、為得到上述性能，中國發(fā)明專利cn?115747612?b公開了一種復(fù)相h13熱作模具鋼制備方法，該方法利用馬氏體預(yù)處理+等溫處理的方式在h13中引入殘余奧氏體提升了h13鋼的沖擊韌性，但由于h13成分的限制，其提升后的沖擊韌性仍然不算優(yōu)異。中國發(fā)明專利cn111593257b公開了一種高韌性、高熱穩(wěn)定性熱作模具鋼及其制備方法，采用了電爐冶煉、鋼包精煉爐精煉、真空精煉爐精煉、電極坯澆鑄、保護(hù)氣氛電渣爐重熔、鍛造、超細(xì)化處理、球化退火生產(chǎn)等工藝。得到的最終成品存在較高沖擊韌性情況下其硬度較低的問題，同時(shí)該方法對(duì)冶煉設(shè)備要求高，成本投入較大。為此，如何在確保強(qiáng)度的前提下提升模具鋼的沖擊韌性，使其達(dá)到組織與性能的統(tǒng)一調(diào)控是目前熱作模具鋼領(lǐng)域丞待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有熱作模具存在的問題，本發(fā)明的目的之一是提供一種高強(qiáng)韌性熱作模具鋼，所述熱作模具鋼包括以下重量百分比的元素：c：0.25％～0.45％，si：0.35％～0.65％，mn：0.34％～0.56％，ni：0.72％～0.96％，cr：2.35％～2.89％，mo：2.28％～2.56％，co：0.95％～1.25％，v：0.86％～1.26％，nb：0.25％～0.48％，p≤0.015％，s≤0.01％，其余為fe及不可避免的雜質(zhì)，所有元素總的重量百分比為100％。

2、本發(fā)明的目的之二是提供一種高強(qiáng)韌性熱作模具鋼的制備方法，包括以下步驟：

3、(1)熔煉澆鑄：按照鋼件成分設(shè)計(jì)要求，在真空感應(yīng)爐中熔煉并澆鑄成鋼錠。

4、(2)熱鍛：將鋼錠進(jìn)行均勻化處理，隨后先冷卻再進(jìn)行熱鍛處理，熱鍛完成后空冷至室溫。

5、(3)球化退火：將步驟(2)得到的鋼進(jìn)行球化退火，處理完成后隨爐冷卻至一定溫度，之后取出空冷至室溫。

6、(4)固溶-淬火-配分處理：將步驟(3)得到的鋼進(jìn)行固溶處理，之后在鹽浴爐中進(jìn)行等溫淬火后立即取出進(jìn)行保溫，隨后淬火至室溫，淬火介質(zhì)為水。

7、(5)回火處理：將步(4)得到的工件進(jìn)行第一次保溫之后空冷至室溫，隨后再將工件進(jìn)行第二次保溫，隨后空冷至室溫。

8、優(yōu)選的，步驟(2)中均勻化處理的條件為：升溫速率為4～6℃/min，保溫溫度為1230℃～1280℃，保溫時(shí)間為2h。

9、優(yōu)選的，步驟(2)中冷卻條件為：以10℃/s的冷卻速率冷卻至1160℃～1180℃。

10、優(yōu)選的，步驟(2)中熱鍛條件為：始鍛溫度為1140℃～1160℃，鍛造比為4～6，終鍛溫度不低于980℃。

11、優(yōu)選的，步驟(3)中球化退火條件為：以4～6℃/min的加熱速率加熱至830℃～860℃，保溫2h；隨爐冷卻至的一定溫度為640～660℃。

12、優(yōu)選的，步驟(4)中固溶處理?xiàng)l件為：瞬時(shí)加熱至1040～1060℃，保溫45min。

13、優(yōu)選的，步驟(4)中等溫淬火條件為：320～340℃保溫5～10min，等溫淬火介質(zhì)為：工業(yè)淬火鹽。

14、優(yōu)選的，步驟(4)中保溫溫度為380～400℃，保溫時(shí)間為30～50min。

15、優(yōu)選的，步驟(5)中第一次保溫溫度為600～620℃，保溫時(shí)間為1.5～2.5h；第二次保溫溫度為550～570℃，保溫時(shí)間為1.5～2.5h。

16、本發(fā)明適當(dāng)提高v、nb元素的含量可提高模具鋼在回火過程中碳化物的析出數(shù)量，提高模具鋼的強(qiáng)度和硬度；在通用性熱作模具鋼的常規(guī)熱處理的基礎(chǔ)上引入淬火配分的熱處理工藝，在其組織中引入機(jī)械穩(wěn)定性高的薄膜狀殘余奧氏體，可使模具鋼在遭受大沖擊或應(yīng)變時(shí)發(fā)生相變誘發(fā)塑性效應(yīng)(殘余奧氏體發(fā)生相變轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，提升強(qiáng)度、韌性和延伸率)顯著提升其塑韌性；雖然組織中殘余奧氏體的引入會(huì)適當(dāng)降低模具鋼的強(qiáng)度，但通過化學(xué)成分的優(yōu)化使其產(chǎn)生大量的彌散析出相及鍛造的控制細(xì)化晶粒，即利用沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化可使本發(fā)明中的模具鋼強(qiáng)度不低于通用熱作模具鋼的同時(shí)，具有優(yōu)異的沖擊韌性。co元素的添加結(jié)合熱處理工藝可以顯著阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，并為m2c型碳化物的析出提供形核位置，從而提高熱作模具鋼的抗高溫強(qiáng)度和硬度，此外co元素的添加還可以提高模具鋼的抗氧化性和抗腐蝕性，并具有抑制裂紋擴(kuò)展的作用。

17、本發(fā)明的有益效果

18、(1)本發(fā)明采用nb-v復(fù)合合金化技術(shù)結(jié)合配套的鍛造及熱處理工藝，在通用性熱作模具鋼的基礎(chǔ)上優(yōu)化了化學(xué)成分，將高溫均質(zhì)化后的鋼胚于單相奧氏體區(qū)進(jìn)行鍛造，鍛造比大于4，大量的變形促使其發(fā)生反復(fù)多次的回復(fù)再結(jié)晶，細(xì)化組織中的晶粒并消除了鑄造缺陷，大變形還可使nbc、vc形變誘導(dǎo)析出，在后續(xù)的熱處理過程中，這些碳化物還可為其他類型碳化物提供異質(zhì)形核點(diǎn)，促進(jìn)碳化物的彌散強(qiáng)化效果。

19、(2)本發(fā)明在常規(guī)的熱作模具鋼的熱處理工藝中創(chuàng)新地引入淬火配分工藝，顯著提升模具鋼的沖擊韌性。

20、(3)本發(fā)明提供的熱作模具鋼具有較高的熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的沖擊韌性，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到1760～1850mpa，屈服強(qiáng)度達(dá)到1580～1650mpa，伸長(zhǎng)率達(dá)到18％～26％，沖擊韌性達(dá)到32～38j/cm2，同時(shí)還適用于較大尺寸的模具制造。

技術(shù)特征：

1.一種新型高強(qiáng)高韌性熱作模具鋼，其特征在于，包括以下重量百分比的元素：c：0.25％～0.45％，si：0.35％～0.65％，mn：0.34％～0.56％，ni：0.72％～0.96％，cr：2.35％～2.89％，mo：2.28％～2.56％，co：0.95％～1.25％，v：0.86％～1.26％，nb：0.25％～0.48％，p≤0.015％，s≤0.01％，其余為fe及不可避免的雜質(zhì)，所有元素總的重量百分比為100％。

2.權(quán)利要求1所述新型高強(qiáng)高韌性熱作模具鋼的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述新型高強(qiáng)高韌性熱作模具鋼的制備方法，其特征在于：步驟(2)中均勻化處理的條件為：升溫速率為4～6℃/min，保溫溫度為1230℃～1280℃，保溫時(shí)間為2h。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述新型高強(qiáng)高韌性熱作模具鋼的制備方法，其特征在于：步驟(2)中冷卻條件為：以10℃/s的冷卻速率冷卻至1160℃～1180℃。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述新型高強(qiáng)高韌性熱作模具鋼的制備方法，其特征在于：步驟(2)中熱鍛條件為：始鍛溫度為1140℃～1160℃，鍛造比為4～6，終鍛溫度不低于980℃。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述新型高強(qiáng)高韌性熱作模具鋼的制備方法，其特征在于：步驟(3)中球化退火條件為：以4～6℃/min的加熱速率加熱至830℃～860℃，保溫2h；隨爐冷卻至的一定溫度為640～660℃。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述新型高強(qiáng)高韌性熱作模具鋼的制備方法，其特征在于：步驟(4)中固溶處理?xiàng)l件為：瞬時(shí)加熱至1040～1060℃，保溫45min。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述新型高強(qiáng)高韌性熱作模具鋼的制備方法，其特征在于：步驟(4)中等溫淬火條件為：320～340℃保溫5～10min，等溫淬火介質(zhì)為：工業(yè)淬火鹽。

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述新型高強(qiáng)高韌性熱作模具鋼的制備方法，其特征在于：步驟(4)中保溫溫度為380～400℃，保溫時(shí)間為30～50min。

10.根據(jù)權(quán)利要求2所述新型高強(qiáng)高韌性熱作模具鋼的制備方法，其特征在于：步驟(5)中第一次保溫溫度為600～620℃，保溫時(shí)間為1.5～2.5h；第二次保溫溫度為550～570℃，保溫時(shí)間為1.5～2.5h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種新型高強(qiáng)高韌性熱作模具鋼及其制備方法，屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域。含化學(xué)成分按質(zhì)量百分比：C：0.25％～0.45％，Si：0.35％～0.65％，Mn：0.34％～0.56％，Ni：0.72％～0.96％，Cr：2.35％～2.89％，Mo：2.28％～2.56％，Co：0.95％～1.25％，V：0.86％～1.26％，Nb：0.25％～0.48％，P≤0.015％，S≤0.01％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明在通用性熱作模具鋼的基礎(chǔ)上，添加Co以提升其高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，降低Cr元素提高模具鋼的回火抗性，Mo、V、Nb元素有利于回火過程中二次碳化物的析出以增加強(qiáng)韌性。制備過程中的淬火配分工藝在其組織中引入彌散分布的機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)的薄膜狀殘余奧氏體，使模具鋼材料在具有高強(qiáng)度的同時(shí)兼具較高的韌性可用于工況復(fù)雜的工作環(huán)境。

技術(shù)研發(fā)人員：山泉,黃謝東
受保護(hù)的技術(shù)使用者：昆明理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6