高导热率大截面压铸模具钢及其制备和热处理方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103334061 A (43)申请公布日 2013.10.02 CN 103334061 A *CN103334061A* (21)申请号 201310241373.3 (22)申请日 2013.06.18 C22C 38/46(2006.01) C21D 8/00(2006.01) (71)申请人 上海大学 地址 200444 上海市宝山区上大路 99 号 (72)发明人 吴晓春 左鹏鹏 章哲 (74)专利代理机构 上海上大专利事务所 ( 普通 合伙 ) 31205 代理人 陆聪明 (54) 发明名称 高导热率大截面压铸模具钢及其制备和热处 理方法 (57) 摘要。

2、 本发明涉及一种高导热率大截面压铸模具 钢及其制备和热处理方法， 其特征在于该钢的各 主要合金元素质量百分比为 ： C0.30 0.45%， Mn0.200.30%， Si0.100.30%， Cr2.00 3.50%， Ni2.00 6.00%， W2.50 4.00%， Mo1.00 1.50%， V0.35 0.65%， P 0.025%， S 0.025%， Fe 余量。本发明钢制备过程如下 ： 配料、 冶炼、 浇 涛 ； 然后电渣重熔及退火 ； 高温匀质化处理 ； 接着 多向锻造 ； 再进行超细化处理 ； 最后淬火和回火 热处理。其导热率、 淬透性、 高温强度及抗热裂性 能均远优于 。

3、H13 钢， 为我国大型、 复杂、 精密压铸 模用钢的国产化迈出了关键的一步。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103334061 A CN 103334061 A *CN103334061A* 1/1 页 2 1. 一种高导热率大截面压铸模具钢， 其特征在于， 该钢的化学成分与 H13 钢相比， 降低 了 Si、 Cr、 Mo、 V 元素含量， 同时加入了 Ni 元素和 W 元素， 各主要合金元素的质量百分比为 ： C 0.30。

4、 0.45%， Mn 0.200.30%， Si 0.100.30%， Cr 2.00 3.50%， Ni 2.00 6.00%， W 2.50 4.00%， Mo 1.00 1.50%， V 0.35 0.65%， P 0.025%， S 0.025%， Fe 余量。 2. 一种高导热率大截面压铸模具钢的制备及其热处理方法， 用于制备和热处理权利要 求 1 所述的高导热率大截面压铸模具钢， 其特征在于， 该方法具有以下步骤 ： A.冶炼 ： 按高导热率大截面压铸模具钢的化学成分及重量百分比为 ： C 0.300.45%， Mn 0.200.30%， Si 0.100.30%， Cr 2.00。

5、 3.50%， Ni 2.00 6.00%， W 2.50 4.00%， Mo 1.00 1.50%， V 0.35 0.65%， P 0.025%， S 0.025%， Fe 余量， 进行配料、 感应熔 炼或电弧炉熔炼， 然后浇注钢锭待用 ； B. 电渣重熔 ： 将浇涛后的钢锭作为自耗电极放置于电渣重熔装置中， 进行电渣重熔， 化渣电压 5460V， 电流 32005200A， 电制度电压 5557V， 电流 1000011000A， 封顶电压 5961V， 电流时间 3752min， 电渣重熔成 1000mm 电渣锭 ； 电渣重熔时合金得到进一步精 炼， 夹杂物去除是通过渣洗和在熔池中上浮。

6、 ； 合金的持久性能和塑性都得到提高， 消除或减 轻了各种宏观和显微缺陷， 获得高质量电渣锭 ； C. 电渣重熔后退火 ： 于 800 850保温 1012 小时后随炉冷却 ； D. 高温均质化处理 ： 均质化温度为 1230 1280， 均质化时间为 10 15h ； E. 锻造 ： 将经高温均质化处理的钢锭降温至 1150 1200温度范围内进行多向锻造 加工， 锻造比 6， 终锻温度 850900 ； F. 锻后退火 ： 于 850 900保温 1012 小时， 随炉冷却 ； G. 超细化处理 ： 固溶温度为 1080 1120， 超细化时间为 8 12h ； 然后油冷或水冷 至 200。

7、以下 ； 再热送热处理炉进行下一步工序 ； H. 两段式退火处理 ： 第一阶段退火温度为 850 870， 退火时间为 6 12h ； 第二阶 段退火温度为 750 780， 退火时间为 10 15h ； I.淬火及回火热处理 ： 加热至9401000， 采用油冷或水冷却至250以下 ； 随后进 行 600 660回火处理， 回火 2 次， 每次回火保温 2 4 小时。 权 利 要 求 书 CN 103334061 A 2 1/4 页 3 高导热率大截面压铸模具钢及其制备和热处理方法 技术领域 0001 本发明涉及一种高导热率大截面压铸模具钢及其制备和热处理方法， 属合金钢制 造工艺技术领域。。

8、 背景技术 0002 由于压力铸造可以铸出外形复杂、 精度高、 表面粗糙度小并且具有良好的力学性 能的零件， 因此， 用压铸法生产的铝、 锌、 铜、 镁、 铅及其它合金件日益增长， 压铸行业发展迅 速。但较长时间以来， 国内该行业尚未寻得最佳的模具材料， 均以通用型热作模具钢如 H13 （4Cr5MoSiV1） 、 H11（4Cr5MoSiV） 等替代， 但是效果不理想。一方面是在板材锻造加工过程 中容易出现表面微裂纹， 另一方面是压铸模具的使用寿命很短， 所压铸出的产品表面质量 不高。 0003 在压铸过程中， 为了使模具能很快地把钢板的热量带走和保证模具在服役过程中 的精度， 模具材料必需。

9、具有较大的导热系数和较小的热膨胀系数 ； 当金属件取出时， 型腔表 面由于急剧降温而受到拉应力和拉应变作用， 在这种交替变换温度的工况下模具极易产生 热疲劳 ； 并且压铸模具钢在服役过程中， 还要受到一定的冲击载荷， 因此模具需具备优良的 韧性。为防止模具表面在服役过程中产生拉毛， 模具还需具有较高的硬度。因此， 复杂的 工况要求压铸模具钢具有较高的导热率、 淬透性、 高温强韧性、 热稳定性和抗冷热疲劳性能 等。 0004 从理论上， 钢的组织中铁素体的热导率最高， 约为 7180W/mK， 回火马氏体热导 率为 35W/mK， 渗碳体的热导率最低为 7W/mK。现有 H13 或 H11 压铸。

10、模具钢属于中碳中 合金钢， 得到的回火马氏体中铁素体的比例不高。从导热机理来看， 对于纯金属， 通过自由 电子运动来导热是主要机制， 对于自由电子导热而言， 热传导的阻力主要是晶格振动声子 对自由电子的散射温度增加， 晶格振动加剧， 声子对自由电子运动的阻力增加， 导致其导热 能力下降。现有 H13 钢含有较多种类的合金元素， 合金元素的存在导致原子铁晶格畸变， 降 低热导率 ； 特别是化学成份中含有较高的 Si 元素， Si 的外层电子结构与 Fe 的差异较大， 会 严重降低钢的热导率。这些因素都使得现有压铸模具钢 H13 或 H11 的热导率不高。由于这 种材料含有大量的二次硬化元素， 其。

11、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。同时， 由于 H13 或 H11 钢合金化特点， 在制造 350mm 以上的大型模具钢时， 心部不能 完全淬透， 达不到优质钢的水平， 因此， 给当前压铸模具钢向大型化发展趋势带来了严重的 阻碍， 对我国当前大型、 复杂、 精密压铸模具的国产化带来了极大的影响。 发明内容 0005 针对现有的技术缺陷， 本发明的目的是提供一种高导热率大截面压铸模具钢及其 制备和热处理方法。 其目的是为了满足国内外压铸模具钢向大截面、 高导热率、 高的高温强 度方向发展的需要。

12、， 从创新性角度出发， 本发明压铸模具钢合金化特点结合了 H13 优良的 说 明 书 CN 103334061 A 3 2/4 页 4 韧性和 3Cr2W8V 较高的高温强度， 通过在 H13 钢基础上大大降低 Si、 Cr 元素提高本发明钢 的导热率， 降低V元素提高本发明钢的工艺性能， 但加入W元素保证了本发明钢的高温强度 和抗热裂性， 同时加入合理的Ni元素， 使其CCT曲线上无珠光体区及贝氏体区， 大大提高了 本发明钢的淬透性。 0006 为达到上述目的， 本发明采用如下技术方案 ： 一种高导热率大截面压铸模具钢各主要合金元素的质量百分比为 ： C 0.30 0.45% Mn 0.20。

13、0.30% Si 0.100.30% Cr 2.00 3.50% Ni 2.00 6.00% W 2.50 4.00% Mo 1.00 1.50% V 0.35 0.65% P 0.025% S 0.025% Fe 余量 一种用于上述高导热率大截面压铸模具钢的制备和热处理方法， 该方法具有以下的步 骤 ： A. 冶炼 ： 按大截面压铸模用新型热作模具钢的化学成分及重量百分比 ： C 0.30 0.45%， Mn 0.200.30%， Si 0.100.30%， Cr 2.00 3.50%， Ni 2.00 6.00%， W 2.50 4.00%， Mo 1.00 1.50%， V 0.35 0。

14、.65%， P 0.025%， S 0.025%， Fe 余量， 进行配料、 感应熔炼或电弧炉熔炼， 然后浇注钢锭待用 ； B. 电渣重熔 ： 将浇涛后的钢锭作为自耗电极放置于电渣重熔装置中， 进行电渣重熔， 化渣电压 5460V， 电流 32005200A， 电制度电压 5557V， 电流 1000011000A， 封顶电压 5961V， 电流时间 3752min， 电渣重熔成 1000mm 电渣锭 ； 电渣重熔时合金得到进一步精 炼， 夹杂物去除是通过渣洗和在熔池中上浮， 合金的持久性能和塑性都得到提高， 消除或减 轻了各种宏观和显微缺陷， 获得高质量电渣锭 ； C. 电渣重熔后退火 ： 。

15、于 800 850保温 1012 小时后随炉冷却 ； D. 高温均质化处理 ： 均质化温度为 1230 1280， 均质化时间为 10 15h ； E. 锻造 ： 将经高温均质化处理的钢锭降温至 1150 1200温度范围内进行多向锻造 加工， 锻造比 6， 终锻温度 850900 ； F. 锻后退火 ： 于 850 900保温 1012 小时， 随炉冷却 ； G.超细化处理 ： 固溶温度为10801120， 超细化时间为812h ； 然后快冷至200 以下 ； 再热送热处理炉进行下一步工序 ； H. 两段式退火处理 ： 第一阶段退火温度为 830 850， 退火时间为 6 12h ； 第二阶。

16、 段退火温度为 730 750， 退火时间为 10 15h ； I.淬火及回火热处理 ： 加热至9401000， 采用油冷或水冷却至250以下 ； 随后进 行 600 660回火处理， 回火 2 次， 每次回火保温 2 4 小时。 说 明 书 CN 103334061 A 4 3/4 页 5 0007 与现有技术相比， 本发明的有益效果是 ： 经合金优化设计以及推荐热处理工艺， 该高导热率大截面压铸模具钢将 H13 优良的韧 性和 3Cr2W8V 较高的高温强度完美结合在一起， 通过大大降低 Si、 Cr 元素提高本发明钢的 导热率， 降低V元素提高本发明钢的工艺性能， 但加入W元素保证了本发。

17、明钢的高温强度和 抗热裂性， 同时加入合理的Ni元素， 使其CCT曲线上无珠光体区及贝氏体区， 大大提高了本 发明钢的淬透性， 其综合性能， 尤其是导热率、 淬透性、 高温强度及抗热裂性能均远优于 H13 钢， 从而可以满足国内外压铸模具钢向大截面、 高导热率、 高的高温强度方向发展的需要， 为我国大型、 复杂、 精密压铸模的国产生产迈出了关键的一步。 附图说明 0008 图 1 为本发明高导热率大截面压铸模具钢回火特性曲线。 0009 图 2 为本发明高导热率大截面压铸模具钢和 H13 钢冲击韧性对比。 0010 图 3 为本发明高导热率大截面压铸模具钢和 H13 钢高温强度对比。 0011。

18、 图 4 为本发明高导热率大截面压铸模具钢和 H13 钢导热率对比。 0012 图 5 为本发明高导热率大截面压铸模具钢和 H13 钢热疲劳裂纹表面形貌图。 具体实施方式 0013 现将本发明的具体实施例叙述于下。 实施例 0014 本实例中， 采用高导热率大截面压铸模具钢的组成成分及其重量百分比如下 ： C 0.32% Mn 0.20% Si 0.15% Cr 3.50% Ni 5.00% W 3.00% Mo 1.10% V 0.48% P 0.017% S 0.016% Fe 余量 A 电炉冶炼 ： 按上述的合金元素配比在电弧炉中进行熔炼， 熔炼温度大于 1500， 浇 铸成 800mm。

19、-850mm 电极棒并空冷 ； B 电渣重熔 ： 将浇涛后的钢锭作为自耗电极放置于电渣重熔装置中， 进行电渣重熔， 化渣电压 5460V， 电流 32005200A， 电制度电压 5557V， 电流 1000011000A， 封顶电压 5961V， 电流时间 3752min， 电渣重熔成 1000mm 电渣锭 ； C 电渣重熔后于 800 850保温 1012 小时后随炉冷却 ； D 高温匀质化 ： 将电渣重熔后的钢锭加热至 1260进行高温均质化处理， 保温 15 小 说 明 书 CN 103334061 A 5 4/4 页 6 时， 均匀组织， 消除成分偏析和大块状液析碳化物 ； E 锻造。

20、 ： 将经过高温均质化热处理钢锭降温至 1150 1200温度范围内进行多向锻 造加工， 锻造比 6， 终锻温度 850900 ； F 锻后退火 ： 于 850 900保温 1012 小时， 随炉冷却 ； G 超细化 ： 超细化温度为 1080 1120， 超细化时间为 10 12h ； 然后快冷至 200 以下 ； 再热送回热处理炉， 待下一步工序 ； H 等温退火 ： 第一阶段等温退火温度为 830 850， 退火时间为 8h ； 第二阶段等温退 火温度为 730 750， 退火时间为 14h ； I 热处理 ： 950淬火， 采用油冷 ； 随后进行 650回火处理， 回火两次， 每次回火。

21、保温 2 小时。 0015 本发明高导热率大截面压铸模具钢经过上述冶炼及热加工和热处理后， 最终成品 规格为 430mm800mm4000mm 模块， 取样进行性能测试并与同等条件下的 H13 钢进行对 比 ： A 淬回火态硬度 淬火硬度 ： 51HRC ； 回火硬度 ： 46HRC。 0016 B 回火特性曲线 选择不同的回火温度均回火 2h， 进行硬度测试， 硬度随温度变化曲线如附图 1 所示， 在 450620， 本发明钢的硬度几乎不变， 一直维持在 51HRC 左右， 表明其具有极佳的回火特 性。 0017 C 淬回火态冲击韧性 在硬度为4446HRC的坯料上取横向冲击试样， 试样尺寸。

22、为10mm10mm55mm， 开V2型 缺口 （采用北美压铸协会 NADCA#207 标准） 。室温冲击功值 ： 本发明钢种 25J， H13 钢 16J， 冲 击韧性都达到 NADCA#207 标准的超级钢冲击功要求， 但同等硬度条件下， 本发明钢高出 H13 钢 9J， 测试结果如附图 2 所示。 0018 D 高温强度 分别在室温、 100、 200、 300、 400、 500、 600测量其 0.2% 屈服强度， 绘制成 曲线如附图 3 所示， 在 600以上， 本发明钢高温强度优于 H13 钢。 0019 E 导热率 分别测 100、 400、 600下的热导率， 结果如附图 4 。

23、所示， 本发明钢不同温度下的导 热率要远高于 H13 钢。 0020 F 热疲劳性能 在室温 700条件下进行冷热循环， 经过 3000 次冷热循环后， 对比本发明钢与 H13 钢 的热疲劳表面形貌， 如附图 5 所示。由图中可见， 本发明钢热疲劳实验后， 表面裂纹十分均 匀、 细小， 在表面上没有看到比较大的主裂纹的形成。而 H13 钢的表面裂纹成网状， 且其中 存在几条宽度较大的主裂纹， 裂纹之间相互贯通， 呈开裂状。二者对比可以看出， 本发明钢 的热疲劳性能强于 H13 钢。 说 明 书 CN 103334061 A 6 1/4 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103334061 A 7 2/4 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 103334061 A 8 3/4 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103334061 A 9 4/4 页 10 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103334061 A 10 。