[发明专利]一种高性能耐磨热作模具钢及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型高性能耐磨热作模具钢及其制备工艺。新型的高性能耐磨模具钢钢充分利用铁基体中氮碳元素作用的异同，通过加入微量的合金元素氮，适当减少碳元素含量，经过热处理之后，发挥氮元素固溶强化，细化晶粒，抑制碳化物析出的作用，具有比普通H13钢更优秀的性能，而且氮属于绿色元素，拥有很大的发展前景。属于合金钢制造工艺技术领域。

背景技术

H13模具钢是一种应用非常广泛的热作模具钢。目前使用的H13模具钢普遍存在耐磨性差，使用寿命偏低的现象，使得金属热加工产品生产成本居高不下。高硬度和高韧性是提高模具钢寿命的必要前提。改善模具钢性能，可以从两个方向着手，一是改变合金成分和冶炼工艺，二是优化热处理工艺。热作模具钢中起高温热强性和热稳定性的合金元素通常是Cr、V等元素，因此目前的许多研究工作主要是对这些合金元素的调整。然而，模具钢是通过回火过程中碳化物析出时的二次硬化作用来实现其强韧化的，可见在不降低模具钢性能的前提下，改变碳含量，寻求代碳元素亦可能调整热作模具钢性能，在追求低碳经济未来中更是如此。

目前在北美压铸标准NADCA#207-2003中优质H13钢的化学成分采用C 0.37~0.42wt%，Cr 5.00~5.50wt%，V 0.80~1.20wt%，Mo 1.20~1.75wt%，Si 0.80~1.20wt%，Mn 0.20~0.50wt%，P≤0.025wt%，S≤0.005wt%，，由于含有大量的二次硬化元素，其回火态二次碳化物容易在服役条件下长大粗化，而且回火马氏体中的合金元素也容易析出而降低钢的强度，从而使模具钢的高温性能也随之降低。在NADCA#207-2003中，优质H13钢的性能指标为：经1030℃淬火+590回火后洛氏硬度值为44HRC~46HRC，夏比V型缺口的冲击韧性值aK≥10J/cm²，以上硬度值和冲击韧性值是关键技术指标，是衡量热挤压模具用钢质量好坏的主要技术参数。

发明内容最近我们发现，微量的氮合金元素的加入，可以细化H13钢回火之后的原奥氏体晶粒，而且回火之后，氮元素被碳元素置换固溶于基体，从而起到提高硬度，细化碳化物的作用，以上都有助于在保证模具钢硬度技术上，改善钢的韧性。因此，在追求低碳经济的发展模式下，高性能耐磨热作模具钢应运而生。

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种通过加入微量的氮合金元素的，可以细化H13钢回火之后的原奥氏体晶粒，而且回火之后，氮元素被碳元素置换固溶于基体，从而起到提高硬度，细化碳化物的作用，以上都有助于在保证模具钢硬度技术上，改善钢的韧性的高性能耐磨热作模具钢及其热处理工艺。

本发明的技术方案是：一种高性能耐磨热作模具钢，热作模具钢的特征在于建立新的合金成份范围和热处理工艺制度，获得高强高韧长寿命热作模具钢。各主要元素的质量百分比为：

C：0.30~0.37%；N：0.02~0.07%；Si：0.8~1.20%；Mn：0.2~0.5%；Cr：5.00~5.50%；Mo：1.20~1.75%；V：0.80~1.20%；P＜0.025%，S＜0.005%，Fe，余量。

进一步，该钢的化学成分中各主要合金元素的质量比为：C：0.37%，N：0.03%，Si：0.93%，Mn：0.39%，Cr：5.23%，Mo：1.58%，V：1.06%，P＜0.025%，S＜0.005%，Fe，余量。

本发明的另一目的是提供针对上述高性能耐磨热作模具钢的制备工艺步骤如下：

A、冶炼：按照高性能耐磨热作模具钢的化学成分质量百分比：C：0.30~0.37%；N：0.02~0.07%；Si：0.8~1.20%；Mn：0.2~0.5%；Cr：5.00~5.50%；Mo：1.20~1.75%；V：0.80~1.20%；P＜0.025%，S＜0.005%，Fe，余量进行配料，感应熔炼，然后进行电渣重熔；

B、去应力退火：电渣重熔之后，得到钢锭，将钢锭随炉升温到800℃，然后降至740℃保温3~6h后随炉缓冷；

C、锻造：将经上述步骤处理过的钢锭以≤50℃/h的加热速度缓慢升温到850℃预热3h，保证均匀烧透，然后继续加热到1100℃以上保温2h，出炉进行六面锻造，各工序镦粗比≥2，总锻造比≥4，终锻温度控制在850℃以上，停锻后及时转入热砂中进行缓慢冷却；

D、等温球化退火：将上述步骤处理过的钢锭随炉升温至890℃~930℃保温，后快冷至730℃恒温，保温3-6小时，再以小于50℃/h的速率降到450℃以下，出炉空冷；