新型铸造热锻模具钢 【技术领域】
本发明涉及一种新型的热作模具用钢，特别是一种可直接用铸造方法制造热锻模具用钢。
背景技术
当前全世界的模具市场总产值约为600～650亿美元，在锻造工、模具钢市场中热作模具钢占20％左右。热锻模具钢占热作模具钢总产量的30％～50％左右。因此，热锻模具的寿命和成本决定了设备的生产率和产品的成本。
目前世界绝大多数国家热锻模具制造技术较为落后，主要为：由特钢厂提供热锻模具钢钢坯—根据加工模具最大尺寸，将钢坯改锻成实心模块—热处理—粗加工—热处理—精加工。其制造成本高，材料利用率较低，资源浪费大。
中国、前苏联、美国、日本等国家在铸造热作模具钢合金成分设计、微合金化方面开展了大量研究工作，并开发出一些铸造热作模具钢，如表1～4所示，但性能并不十分令人满意，限制了这些热作模具钢的应用。
表1中国铸造热作模具钢
化学成分(wt％) 钢号
C Cr W Mo V Ti Ni Mn Si S P5CrMnMo 0.56 0.92 - 0.19 - - - 1.48 0.25 0.02 0.025CrMnMoV 0.56 0.93 - 0.27 0.29 - - 1.58 0.36 0.02 0.0245CrWMoVTi 0.41 1.33 0.51 0.33 0.23 0.05 - 0.45 0.83 - -35CrNi3MoV 0.38 1.00 - 0.83 0.15 - 3.09 0.80 0.46 0.02 0.03
表2日本铸造热作模具钢
实际化学成分(wt％) 热处理℃ 性能 钢号
σb 延伸 硬度
C Si Mn Cr Mo V W 退火 淬火 回火
(MPa) 率(％) HRCSKD-61 0.4 1.0 0.3 5.0 1.2 1.0 1.0 850 1000 600 1470 7 51SKD-62 1.0 0.3 0.7 5.2 1.1 0.55 - 875 950 180 1760 3 61SKD-63 0.30 0.5 0.7 1.7 0.4 - - - 855 600 930 15 321
表3前苏联铸造热作模具钢 钢号 化 学 成 分 (wt％) CCrMo V Ni Mn Si Nb Ce B N Al 4Cr5MoVSiNi0.35 ～0.454.5 ～5.51.2 ～1.50.9 ～1.11.0 ～1.20.2 ～0.50.9 ～1.10.05 ～0.1 - - - - 5CrMoVSiNi0.20 ～0.305.0 ～6.01.2 ～1.50.2 ～0.51.0 ～1.20.5 ～1.00.9 ～1.1 -0.1 ～0.3 - - - 25Cr5Mo2VSi0.18 ～0.254.5 ～5.02.0 ～2.50.2 ～0.4 -1.5 ～2.00.5 ～1.0 -0.05 ～0.20.01 ～0.050.005 ～0.1 - 3Cr6MoNV0.25 ～0.355.0 ～7.00.9 ～1.20.6 ～0.9 -0.3 ～0.60.5 ～0.6 - - -0.07 ～0.09 - 5CrNiMoNV0.5 ～0.60.8 ～1.20.15 ～0.30.10 ～0.151.4 ～1.80.5 ～0.80.15 ～0.35 - - -0.02 ～0.026 ≤0.02
表4美国铸造热作模具钢 钢 号 铸造热锻模具钢的化学成分 (wt％) C Mn Si S P Cr Mo V Co W Ni CH-110.3～ 0.4＜0.75≤1.51 ≤0.025≤0.0254.75～ 5.51.10～ 1.750.2～ 0.5 - - - CH-110.3～ 0.4＜1.00≤1.50≤0.025≤0.0254.75～ 5.751.25～ 1.750.2～ 0.5 0.7 1.0～ 1.7 0.4～ 0.6 CH-130.3～ 0.4＜0.75≤1.50 ≤0.025≤0.0254.75～ 5.751.25～ 1.750.75～ 1.2 - - - CH-210.3～ 0.4＜0.75≤1.50≤0.025≤0.0253.0～ 4.0 -0.2～ 0.55 - 0.4～ 0.6 -
【发明内容】
本发明的目的是为解决热锻模具制造技术中存在的上述问题，通过优化合金成分设计、孕育、变质、微合金化等，发明出一种新型高强韧性、高寿命新型铸造热锻模具钢，实现“以铸代锻”，提高铸造热锻模具钢的抗热机疲劳、抗磨损、抗塑性变形等能力，提高其使用寿命，降低其制造成本。
热锻模具的主要失效形式为：热机疲劳裂纹、磨损、塑性变形等。本发明的技术方案：通过加入Cr、Mo、Ni、V、W等提高铸造热锻模具钢的红硬性、热稳定性、抗氧化性、抗热机疲劳性等；通过加入Ti、RE、Si-Ca细化晶粒、去除钢液中的O、S等有害元素与改善夹杂物形态及凝固组织，提高新型铸造热锻模具钢的强韧性。
本发明的新型铸造热锻模具钢含有以下合金成分(wt％)：
C：0.15～0.35，Cr：1.5～3.75，Mo：0.5～2.5，Ni：0.6～2.5，V：0.1～0.8，W：0.1～0.8，Mn：0.2～0.6，Si：0.2～0.5，S≤0.04，P≤0.04。
该热锻模据钢中还含有以下残留变质、孕育、净化剂成份(Wt％)：RE：0.001～0.05，Ti：0.005～0.20，Ca：0.001～0.05。
本发明铸造热锻模具钢的回火组织为高温回火马-贝复相组织，其性能如表5～6所示。本发明新型铸造热锻模具钢用于2～4万KN机械锤压机与30KN锤锻机的实施例，其寿命比分别用4Cr2MoVNi、5CrNiMo锻造热锻模具钢和俄罗斯(前苏联)5CrMoVSi铸造热作模具钢加工的热锻模具的寿命高80％与50％。实施例所选用新型铸造热锻模具钢地成分、性能如表7～12所示。
本发明采用RE-Ti-Si-Ca复合变质、孕育、净化剂处理的积极效果在于提高新型铸造热锻模具钢的强韧性。经RE(稀土)变质后，新型铸造热锻模具钢的硬度、强度变化不大，而常温冲击韧性、塑性、延伸率却随着RE变质剂的加入量的提高而增加，当残余稀土含量为0.020wt％时达到峰值。而后，随残留稀土量的增加，塑韧性又逐渐下降。RE变质还可以提高断裂韧性(KIC)和疲劳裂纹扩展门槛值(ΔKth)。
表5稀土复合变质对力学性能的影响Ce残留量(wt％)未加Ce 0.004 0.012 0.016 0.020 0.025 0.032 0.037 0.051 硬度/HRC 42.2 42.9 43.6 43.0 43.9 42.8 44.0 42.2 44.2 冲击韧性/ J·cm-2 14.6 18.3 22.7 24.6 30.2 26.2 17.6 17.8 11.3 σs/MPa 1310 1298 1350 1365 延伸率/％ 4.2 11.3 15.6 12.7 断面收缩率/％ 13.9 29.2 36.6 32.5 KIC/MPa·m-0.5 42.6 68.6 ΔKth/MPa·m-0.5 4.04 7.85
表6新型铸造热锻模具钢成分、力学性能试样号 化学成分(wt％) 力学性能 C Si Mn P S Cr Mo Ni V W Ti Ce Ca 硬度 冲击韧性 σb (HRC) (αKJ/cm2) (Mpa) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120.15 0.23 0.31 0.02 0.02 1.54 0.72 0.64 0.21 0.16 0.02 0.004 0.0030.18 0.28 0.38 0.02 0.02 1.82 0.54 1.27 0.26 0.21 0.04 0.001 0.0050.21 0.33 0.41 0.02 0.02 2.37 1.31 1.35 0.33 0.26 0.007 0.011 0.0090.24 0.41 0.46 0.02 0.02 2.42 1.37 1.41 0.14 0.14 0.03 0.014 0.0010.26 0.37 0.43 0.02 0.02 2.46 1.43 1.45 0.37 0.13 0.02 0.021 0.0020.28 0.26 0.54 0.02 0.02 2.49 1.23 1.26 0.31 0.22 0.005 0.027 0.0020.30 0.45 0.51 0.02 0.02 2.48 1.11 1.21 0.26 0.28 0.05 0.031 0.0060.31 0.46 0.52 0.02 0.02 2.51 1.58 1.86 0.42 0.32 0.06 0.037 0.0020.32 0.48 0.56 0.02 0.02 2.53 1.83 1.95 0.46 0.37 0.08 0.016 0.0310.33 0.47 0.51 0.02 0.02 2.55 2.12 2.06 0.53 0.54 0.12 0.019 0.0330.34 0.45 0.58 0.02 0.02 3.12 2.23 2.21 0.66 0.68 0.16 0.026 0.0380.34 0.46 0.55 0.02 0.02 3.71 2.46 2.47 0.78 0.77 0.18 0.048 0.046 36.0 26.3 1080.3 38.0 21.2 1130.2 40.0 16.7 1220.6 42.0 15.6 1263.8 42.0 22.4 1293.7 42.5 16.6 1288.6 42.5 15.1 1286.3 42.5 12.1 1268.5 42.5 18.7 1316.9 43.5 26.3 1338.5 43.0 19.4 1326.6 44.0 11.5 1332.3
注：(1)冲击韧性(αK)值为：3个带有“U”型缺口的试样的平均值；硬度为：6点平均值。
(2)试样的制备采用中频感应电炉，不氧化炼钢工艺。1600～1650℃出钢，在钢包内进行复合变质、孕育、净化处理，在水玻璃砂型中浇注30×60×180×300mm楔形试样，从楔形试样中制取各种性能测试试样。
采用新型铸造热锻模具钢，通过精密铸造，将模具复杂型腔直接铸出，得到热锻模具的近终形(Near net shape)毛坯—热处理—精加工。突破了上述目前传统落后的热锻模具制造技术。与目前传统的热锻模具加工技术相比，具有如下优点：
①取消改锻工序。节省改锻费用(约3000元/吨)，节省大量能源，同时改锻时有4～5％合金烧损和易产生开裂与过烧等锻造废品。
②材料利用率提高10～40％。与目前传统的将无型腔的实心模块加工成有型腔的模具的方法相比，材料利用率提高10～40％。
③大大缩短了加工周期。加工量减少15～80％，加工工时减少30～60％以上(因已将模具复杂型腔铸出，留0.5～2.0mm加工余量)，制造周期缩短30～70％，同时还可制造出机械加工难以加工或加工不出来的模具。
④失效模具可再资源化。失效铸造模具可作为回炉料重熔回用，贵重紧缺合金元素可最大限度再资源化，如Ni、Mo、Cr等元素的回收率高达95％以上，每吨可节省2500～4500元。而采用特钢厂模块加工的模具难以回收。
⑤用新型铸造热锻模具钢铸造的热锻模具的寿命比目前用传统锻造热锻模具钢加工的热锻模具的寿命提高80％以上。
【具体实施方式】
实施例
(1)新型铸造热锻模具钢合金成分如表7所示。
表7 实施例新型铸造热锻模具钢成分范围 化学成分(wt％)残留变质孕育净化剂成分(wt％)实施 C Si Mn P S Cr Mo Ni V W例 Ti Ce Ca1 0.18 0.41 0.52 0.02 0.02 2.53 0.87 0.82 0.66 0.652 0.30 0.45 0.56 0.02 0.02 3.51 2.2 2.0 0.23 0.213 0.34 0.42 0.55 0.02 0.02 3.63 2.32 2.2 0.68 0.66 0.11 0.021 0.004 0.02 0.024 0.003 0.16 0.018 0.002
(2)新型铸造热锻模具钢熔炼与热锻模具精密铸造。
采用250Kg中频感应电炉，不氧化法炼钢工艺。生铁、废钢熔清后，加入各种铁合金(Cr-Fe、Mo-Fe、Ni、W-Fe)，出钢前加入V-Fe，在1600～1650℃插Al出钢，采用包内冲入法进行复合变质、孕育、净化处理，包内复合变质剂组成为：Ti-Fe、RE-Si、Si-Ca，其粒度为5～10mm。采用V法铸造((V-Process)，又称真空密封铸造)精密铸造热锻模具与30×60×180×300mm楔形试样。(3)新型铸造热锻模具钢性能(实施例2成分)。新型铸造热锻模具钢具有较高的热传导系数和较低的线膨胀系数，如表8-11所示。
表8 新型铸造热锻模具钢的比热容(J/kg·℃)
100℃ 300℃ 450℃ 600℃
0.428 0.581 0.669 0.735
表9 新型铸造热锻模具钢的热扩散率(cm2/S)
100℃ 300℃ 450℃ 600℃
0.065 0.060 0.054 0.048
表10 新型铸造热锻模具钢的热传导系数(w/m·K)
100℃ 300℃ 450℃ 600℃
28.6 33.8 34.7 33.5
表11 新型铸造热锻模具钢的线膨胀系数(10-6/℃)
25～100℃ 25～300℃ 25～450℃ 25～600℃
12 12.2 12.7 14.1
实施例新型铸造热锻模具钢具有良好的强韧性和热稳定性，在室温下，硬度在HRC40以上，冲击韧性均超过15J·cm-2，室温的抗拉强度在1400MPa以上，特别是具有良好的高温强度，甚至在600℃，其抗拉强度仍然能保持在1000MPa以上，如表12所示。
表12 新型铸造热锻模具钢的力学性能
冲击韧 屈服强 弹性模 延伸温度 性 硬度 度 抗拉强度 量 断面收缩 率(℃) (J.cm-2)(HRC) (MPa) (MPa) (GPa) 率(％) (％)20 21.6 44.3 1185 1515 205.9 15.1 8.0300 1068 1480 190.2 12.8 7.6400 998 1404 171.2 10.3 6.4600 801 1019 139.2 33.5 8.8700 264 344 75.6 77.6 27.0
(4)新型铸造热锻模具生产性试验。
采用实施例新型铸造热锻模具钢加工的热锻模具用于2～4万KN机械锤压机与30KN锤锻机上。工况条件与目前现场使用的锻造热锻模具钢加工的热锻模具相同。工作前模具预热至150～200℃，毛坯料加热温度1200℃左右，终锻温度不低于1100℃，先预热后终锻，每锻一件，坯料与模具接触时间2～3秒左右，脱模后对模具表面喷洒水胶基石墨冷却润滑剂或树脂润滑剂一次。对比模具分别由4Cr2MoVNi和5CrNiMo锻造热锻模具钢加工的热锻模具或由俄罗斯5CrMoVSi铸造热作模具钢加工的热锻模具。现场使用报告及结果如表13所示。
应用结论：
(1)用新型铸造热锻模具钢加工的热锻模具的寿命分别比用4Cr2MoVNi与5CrNiMo锻造热作模具钢加工的热锻模具和俄罗斯5CrMoVSi铸造热作模具钢加工的热锻模具的寿命提高80％以上与50％以上。
(2)用新型铸造热锻模具钢加工的热锻模具与用锻造热作模具钢(4Cr2MoVNi、5CrNiMo)加工的热作模具相比，具有良好的抗热机械疲劳性、抗氧化性、红硬性、热稳定性和耐磨性；型腔表面热机械疲劳龟裂纹少，脱模性好，易操作，受操作者欢迎。
(3)用新型铸造热锻模具钢加工的热锻模具与用锻造热作模具钢加工的热锻模具相比，由于热锻模具型腔直接铸出，加工量小，材料利用率高；取消热锻模具模块改锻工序，节省能源：制造周期短；失效模具可再生回用，重熔铸造出新的热锻模具，循环利用，节省大量贵重合金(Ni、Mo、Cr等)资源，热锻模具价格低15％以上，寿命提高80％以上，经济效益显著，可用于产业化生产。
表13 新型铸造热锻模具现场生产使用结果 模具 名称 模具钢种 设备名称 使用寿命(锻造件 数) 失效形式平均相对寿命(铸造模平均寿命/锻造模具平均寿命) 五速 齿轮 模 4Cr2MoVNi锻 造热作模具钢 2-4万KN机械 锤压机2500-3000变形、开裂、磨损 1.0 新型铸造热锻 模具钢5289-5700下模具塌陷及磨损 1.82 倒车 齿轮 模具 4Cr2MoVNi锻 造热作模具钢 2～4万KN机械 锤压机2500-3000变形、开裂、磨损 1.0 新型铸造热锻 模具钢5970-6200磨损、齿根裂纹 1.95 俄罗斯 5CrMoVSi铸造 热作模具钢 3793磨损 1.38 半轴 法兰 盘 5CrNiMo锻造 热作模具钢 30KN锤锻机2500-3000型腔堆塌、龟裂 1.0 新型铸造热锻 模具钢 5800型腔龟裂 2.11