[发明专利]一种高强度高韧性热作模具钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于模具钢领域，特别涉及一种高强度高韧性热作模具钢及其制备方法。适用于制造热挤压、芯棒、锻模、精锻机用模具镶块、压铸等热作模具，特别适用于需要高强度、高韧性、高疲劳抗性的铜、铝及其合金的压铸模。 

背景技术

模具是制造业的重要工艺装备，用模具生产的制件所达到的高精度、高复杂程度、高一致性、高效率和低消耗是其他加工制造方法所不能比拟的，随着工业技术的迅速发展，为了降低生产成本，提高生产效率和产品质量，提高材料的利用率，国内外制造业广泛采用无切削、少切削的加工工艺。在模具的服役过程中，模具会由于以下三种原因失效，第一，由于冲击载荷和反复的加热与冷却而导致的冲击断裂和热疲劳裂纹；第二，由于高温金属流动而导致模控热蚀磨损；第三，在机械应力和热应力交互作用下而引起的模腔尺寸磨损。在使用中，每个热作模具都会出现热疲劳裂纹，它是由每次冲击时温度周期性变化引起反复的变形所造成的模具中空表面的疲劳，它对模具寿命的限制被认为是正常的，但经一定次数的冲击后，裂纹变粗，使得铸件表面光洁度不能满足要求，这个时候模具就报废了。高的热硬性、强度、抗回火软化性、热导率及较低的热膨胀系数对提高热作模具钢的抗热裂性能有较大作用。因此，使用高硬度、强度的模具材料可以延缓热疲劳裂纹的出现时间，但硬度、强度过高，模具容易出现大裂纹及整体断裂，这个时候模具完全报废，甚至会发生工业事故。较高的韧性可以阻止热疲劳裂纹向模具内部延伸，因此为了减少热裂倾向和增强产生粗裂纹的抗力，高而各向同性的塑性和韧性是非常重要的。传统的H13钢是一种使用范围较广的热作模具钢，该钢强、韧性高，但使用温度范围有限制，并不一定适合所有的热作模具应用场合，如果在保持相当的热强性的同时能提高韧性，就可以扩展该模具材料的使用范围，同时提高模具的使用寿命。 

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度高韧性热作模具钢及其制备方法，能替代传统H13钢，热强性和韧性、回火稳定性均超过H13钢的热作模具钢。 

根据上述目的，本发明钢参照美国的S7等钢种，在H13(4Cr5MoSiV1)的基础上适当降低合金元素Si、V的含量，加入少量的Mo及Co，使该钢种综合性能超越H13钢。本发明采用的技术方案是：(1)降低Si和V含量，减小材料中一次碳化物数量，使材料具有更高的韧性；(2)适当增加碳化物形成元素Mo、W、Nb含量，以弥补V含量降低带来的高温强度缺失，同时也改善淬火过程中的晶粒级别，提高二次硬化效果，回火过程析出纳米级Mo₂C，提高材料高温强度；(3)适量增加Co的含量，增加Co元素的固溶量，以弥补低Si含量的强化作用缺失，同时进一步提高材料的高温强度。虽然本发明钢中所添加的合金元素为热作模具钢中经常加入的合金元素，但各元素变动范围是经过大量的实验数据得出的，本发明钢的最终成分为相同合金含量的热作模具钢中综合性能最优的成分配比。 

根据上述目的和整体技术方案，本发明具体的技术方案为： 

本发明钢的具体化学成分(重量％)为：碳C:0.30～0.40％，硅Si:0.20～0.40％，硫S≤0.006％，磷P≤0.01％，锰Mn:0.40～0.6％，钼Mo:1.50～2.20％，铬Cr:5.00～5.40％，钒V:0.50～0.60％，钴Co:0.50～0.60％，其余为Fe及不可避免的不纯物。 

作为优选，按重量百分比计该模具钢包括：碳C:0.34～0.39％，硅Si:0.20～0.40％，硫S≤0.006％，磷P≤0.01％，锰Mn:0.40～0.6％，钼Mo:1.70～2.20％，铬Cr:5.00～5.40％，钒V:0.50～0.60％，钴Co:0.50～0.60％，其余为Fe及不可避免的不纯物。 

作为优选，该模具钢还包括：0.2％以下的铌。 

作为优选，该模钢还包括0～1％的钨W，并且化学成分含量还应满足：1.5％≤W+Mo≤2.5％。 

上述各元素的作用及配比依据如下，以下说明中“％”表示“质量百分比”： 

C：钢中含碳量决定淬火钢的基体硬度，对热作模具钢而言，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化。另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。对热作模具钢，这种合金碳化物除少量残留的以外，还要求它在回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生二次硬化现象，从而由均匀分布的残留合金碳化物和回火马氏体组织来决定热作模具钢的性能。国内外关于低碳马氏体的大量研究表明：若要获得较好的综合机械性能，钢中碳量要控制在0.34-0.39％。