[发明专利]高硅高锰型高热稳定性热作模具钢及其热处理工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种高硅高锰型高热稳定性热作模具钢及其热处理工艺，该模具钢充分利用硅和锰的合金化作用特点，保证钢中高的硅和锰含量，并且两种元素的含量相同，不仅可以降低合金成本（相对于H13系钢），而且具有比H13钢高的热稳定性和良好的韧性和热疲劳性能，属合金钢制造工艺技术领域。

背景技术

热作模具钢中起到高温热强性和热稳定性的合金元素通常是Cr、Mo、V等元素，因此目前的一些研究工作主要是对这些合金元素的调整。最近课题组的研究发现，一定量的锰元素的加入可以增加钢的基体强化作用并能推迟马氏体组织的转变，提高钢的抗回火软化性，其成功案例是课题组开发的DM系列高热强性热锻模用钢。另外，硅元素是提高回火抗力的有效元素，提高钢中硅元素的含量可以使钢在回火的过程中马氏体的分解减缓，延迟了ε-碳化物向θ-碳化物的转变，减小钢中碳化物在回火过程中的长大速率，提高碳化物的稳定性，其成功案例是课题组开发的高硅低钼型热作模具钢SDH3钢。

我国目前广泛应用的热作工模具钢包括钨系3Cr2W8V、铬系H13以及应用于热锻模的5CrNiMo、5CrMnMo等。钨系的3Cr2W8V虽然具有较高的回火抗力和高的热强性，但其塑韧性、导热性以其热疲劳性能较差；H13钢是现在使用最广泛的热作模具钢，但是它的高温强度不是很高，一般使用温度不能超过540℃；5CrNiMo和5CrMnMo的热强性较低，容易造成模具工作部分的塌陷。我国目前使用的热挤压模具钢采用的是国家标准GB/T1299-2000中钢号为4Cr5MoSiV1。这种热挤压模具钢的化学成分采用C 0.32-0.45wt%、Cr 4.75-5.50wt%、Mo 1.20-1.75 wt%、V 0.80-1.20 wt%、Si 0.80-1.2wt%、Mn 0.20-0.5wt%、P≤0.03wt%、S≤0.03wt%。由于这种热挤压模具钢的化学成份含有较高的钼、铬和钒元素及一定量的碳元素，属于过共析钢，因此其材料电渣锭的偏析严重，成材后的组织中存在大量的大块液析碳化物，使得材料的韧性不足，容易出现早期开裂失效。由于这种材料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和发生类型转变，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，从而降低钢的高温性能。这种钢的性能指标为：经1030℃淬火+590－610℃回火后洛氏硬度值为44－46HRC，冲击韧性值（“V”型缺口）Ak为≥8J，这些在淬火加回火状态下的硬度值和冲击韧性值等性能指标是热挤压模用钢的关键技术指标，是衡量热挤压模用钢质量好坏的主要技术参数指标。另外，抗回火软化能力和热疲劳抗力是热作模具钢的重要性能指标。

上述热作模具钢的冶金制造工艺是采用电炉熔炼加电渣重熔，然后锻造成材的工艺。在其制造工序中，电炉熔炼加电渣重熔工序完成之后获得500Kg－3000Kg的电渣锭，径锻机锻造成材。这种制造工艺存在如下问题：1）电渣锭型较小，小锭型降低了产品的成材率和制造产能；2）电渣锭的原始组织存在大量的大颗粒或大块状液析碳化物和组织偏析，降低了钢锭锻造成材后的性能指标；3）锻后材料晶粒粗大，导致淬回火后材料的冲击韧性低，产品档次低，无法满足市场对高韧性热作模具钢的需要。

在目前国内外可持续、经济型的发展模式下，本发明从经济的角度出发打破传统的高钼的研究方向，采用经济的硅、锰作为主要的合金化元素，充分利用硅、锰合金元素的固溶强化和对碳化物回火稳定性等作用，而尽量降低铬、钼和钒等贵合金元素的含量，从而开发了硅、锰比为1：1的具有高热稳定性、良好冲击韧性和热疲劳性能的热作模具钢。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本铬 钼钒系热作工模具钢及其热处理工艺。

本发明热作工模具钢的特征在于钢的化学成分中高含量的硅元素和锰元素的比例保持为1：1不变，各主要合金元素的质量百分比为：

C          0.25～0.45%，                 Si                  0.8～2.0%，

Mn        0.8～2.0%，                     Cr                 3.5～4.5%，

Mo        0.8～1.2%，                     V                  0.4～0.8%，

P       ＜0.02%，                  S               ＜0.02%

Fe           余量。