一种热挤压模用钢材及其制备方法

技术领域

本发明属于热锻模钢材技术领域，具体涉及一种热挤压模用钢材及其制备方法。

背景技术

工业化的快速发展，热锻模的性能越来越多，可以将锻件坯料加热到金属的重结晶温度上的锻造，热加工温度范围内，对锻件进行再次加工，热稳定性好，抗压抗冲击能力增强。

热锻模长期需要在高温状态下对金属加工，工作条件要求较高，必需承受反复冲击载荷和冷热交变、高应力以及金属流动摩擦效应。因此，热锻模在工业使用过程中应具有高强度、硬度、刚度，耐磨性、韧性、耐氧化性、热传导性和抗热裂性。

工业生产中现用的热锻模，大部分强度一般，韧性不好，具有较大的热脆性，容易在使用过程中出现早期开裂，热锻模的使用寿命较短，成本增加，因此，急需要一种高强度，高抗压，可用于热压力加工的热锻模钢材。

中国专利CN102943216B公开了一种热锻模压铸模用模具钢，模具钢基体由下述质量百分比的组分组成：C：0.23-0.35％，Mn：1.4-2.0％，Si：0.8-1.5％，V：0.11-0.15％，Ti：0.10-0.19％，Cr：0.8-2.0％，Ni：0.4-1.5％，W：0.21-0.8％，Nb：0.02-0.06％，Cu：0.30％-1.20％，P：≤0.034％、S：≤0.050％，余量为Fe及不可避免的夹杂质；将含有上述组分的模具钢加热至650～760℃，保温5～6小时，炉冷至280～320℃，保温3～5小时，再加热至650～690℃，保温32小时，以43℃/小时冷却至400℃，再以20℃/小时，冷却至常温。但是，此发明中C、Cr含量较低，制备的模具钢的强度较低，工业应用中容易出现早期开裂，使用寿命较短。

中国专利CN107151759B公开了一种用于制备高温重载条件下大型热锻模具的特种铸钢，该特种铸钢的化学成分以质量％计，包括碳元素含量为0.35～0.5％、硅元素含量为0.2～0.6％、锰元素含量为0.6～1.0％、磷元素含量≤0.02％、硫元素含量≤0.02％、铬元素含量为1.4～1.7％、镍元素含量为1.4～1.7％、钼元素含量为0.15～0.3％，余量为铁和杂质；但是，此发明新型铸钢用于制备大型热锻模具，热压温度较低，不能满足较高热压环境下使用，应用领域受限。

中国专利CN106244981B公开了一种气门热锻模表面强化处理方法，在常规热处理的基础上再进行三步强化处理；第一步，高温低真空离子氮化处理，温度540℃～560℃，真空度10Pa～20Pa，渗层厚度0.7mm～0.9mm；第二步，高温低真空Ti-N共渗处理，温度540℃～560℃，真空度10Pa～20Pa，渗层厚度0.4mm～0.6mm；第三步，高温高真空W-Mo-Co-N共渗处理，温度540℃～560℃，真空度10

发明内容

本发明的目的在于克服现有的不足而提供一种热挤压模用钢材，改善目前工业中使用的热锻模存在热强度差，韧性一般，抗挤压脆性大，容易发生早期开裂，且耐磨性不好，制备工艺复杂，工艺成本较高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采取如下的技术方案：

一种热挤压模用钢材，制备热挤压模用钢材的由以下原料及质量百分数组成：C：0.08％～0.25％，Si：≤0.5％，Mn：≤0.8％，P：≤0.02％，S：≤0.005％，Cr：10.00％～13.00％，Ni：1.8％～3.8％，Mo：3.7％～5.6％，W：0.7％～1.7％，Co：11.0％～14.3％，V：≤0.8％，Nb：≤0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质。

通常，钢中的C元素形成碳化物或合金碳化物，含量是影响其硬度、强度的主要因素，当钢中的碳化物或合金碳化物含量多时，硬度、强度提高而塑性、韧性会降低，热脆性增加。在本发明中适当降低C元素含量，提高热挤压模用钢材的热强韧性；

Co不是碳化物形成元素，在钢中与Fe形成连续固溶体，在工程使用过程中能够抑制、延缓其他元素特殊碳化物的析出与聚集，提高耐磨性，耐高温抗冷热疲劳性能，热稳定性好，高Co元素含量能显着提高本发明热挤压模用钢材的热强韧性、降低钢材的热脆性、抗高温氧化性能与综合力学性能；

Cr是碳化物形成元素，在钢中与Fe形成无限固溶体，较高含量的Cr元素可以显著提高本发明用于热压加工钢材的抗高温氧化性能，保持热强性、硬度和耐磨性，延长模具的使用寿命；

Mo是强碳化物形成元素，较高含量的Mo元素能增强本发明用于热压加工钢材的强度和耐磨性能力，并促进晶粒细化，改善其热压稳定性和抗服役能力，增强其加工性能；

Ni是奥氏体形成元素，含量较高可以增强本发明用于热压加工钢材的韧性，增强其加工性能，与Cr元素协同提高抗高温氧化性能，避免发生早期开裂和热压稳定性差的问题；

在本发明中C元素的含量较低，Co、Cr、Mo、Ni元素的含量较高，以提高热挤压模用钢材的抗冷热疲劳强度和耐热温度，提高产品的品质。

进一步的，制备热挤压模用钢材的由以下原料及质量百分数组成：C：0.12％～0.20％，Si：≤0.3％，Mn：≤0.5％，P：≤0.02％，S：≤0.005％，Cr：10.50％～12.50％，Ni：2.0％～3.2％，Mo：4.0％～5.0％，W：0.9％～1.5％，Co：12.0％～13.3％，V：≤0.5％，Nb：≤0.4％，余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步的，制备热挤压模用钢材的由以下原料及质量百分数组成：C：0.16％，Si：≤0.4％，Mn：≤0.6％，P：≤0.02％，S：≤0.004％，Cr：11.50％，Ni：2.8％，Mo：4.7％，W：1.2％，Co：12.7％，V：0.4％，Nb：0.3％，余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步的，制备热挤压模用钢材的由以下原料及质量百分数组成：C：0.18％，Si：≤0.3％，Mn：≤0.6％，P：≤0.01％，S：≤0.003％，Cr：12.00％，Ni：2.5％，Mo：4.5％，W：1.4％，Co：12.4％，V：0.2％，Nb：0.3％，余量为Fe及不可避免的杂质。

根据本发明的另一目的，在于提供一种上述热挤压模用钢材的制备方法，包括以下步骤：

S10，取上述质量百分数的各组分原料，在真空VD炉中熔炼，并脱氧、脱碳、脱硫、脱气、去除夹杂物，真空下合金成分微调，在温度为1475℃～1545℃条件下浇铸得到钢锭；

S20，S10中的钢锭脱模后电渣炉重熔，得到精炼后的钢锭；

S30，将S20中精炼后的钢锭加热至1100℃～1180℃进行锻造，终锻温度为900℃～930℃，缓慢冷却，得到锻造钢坯；

S40，等温球化退火工艺：加热到860～870℃保温1～2h，炉冷到740～750℃后保温3～4h，炉冷到550℃后出炉空冷；

S50，热挤压模具缓慢加热至1000℃～1060℃保温1～2h，淬油冷却到180-220℃转空冷，然后560℃～600℃回火2次，回火时间为3.0h～3.5h，油冷，经淬火回火后得到上述热挤压模用钢材。

进一步的，S20中，所电渣炉重熔过程中，精炼剂为Al

更进一步的，精炼剂在750℃烘干48小时以上使用，熔渣厚度在170-180mm。该配比的精炼剂可以提高电渣炉重熔效率，去除杂质，加速钢水脱氧，精化钢材品质，提高本发明用于热压加工钢材的强度和刚度，降低脆性，改善耐磨性。

本发明的优点和有益效果是：

(1)本发明公开的热挤压模用钢材，适度的调整C、Cr、Si、Mn、Ni、V、Nb的含量，以便精确控制本发明热挤压模用钢材的强度和刚度以及热压和耐冷热疲劳强度，可以在高温850℃以上作业，强度保持较好，不会降低；

(2)本发明公开的热挤压模用钢材，C含量较低，Co、Mo、Cr、Ni含量高，使钢材具有良好的耐冷热疲劳性能，同时各质量百分数原料间优化组合，钢材的耐高温强度、耐磨性、韧性好，高温脆性低，热稳定性好，加工性能和力学综合性能良好；

(3)本发明公开的热挤压模用钢材，工业生产使用中不会发生早期开裂，钢材使用寿命长，对挤压件金属流动摩擦应力耐受性强，热压稳定性和耐磨性高；

(4)本发明公开的热挤压模用钢材，制备工艺简单，热处理过程对钢材的性能提高很大，适合多种工业环境下使用。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将对本发明作进一步详细的说明。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1

一种热挤压模用钢材及其制备方法

制备热挤压模用钢材的由以下原料及质量百分数组成：C：0.16％，Si：0.2％，Mn：0.6％，P：0.02％，S：0.004％，Cr：11.50％，Ni：2.8％，Mo：4.7％，W：1.2％，Co：12.7％，V：0.4％，Nb：0.3％，余量为Fe及不可避免的杂质。

通过如下方法制备：

S10，取上述质量百分数的各组分原料，在真空VD炉中熔炼，并脱氧、脱碳、脱硫、脱气、去除夹杂物，真空下合金成分微调，在温度为1510℃条件下浇铸得到钢锭；

S20，S10中的钢锭脱模后电渣炉重熔，得到精炼后的钢锭；上述操作中，精炼剂为Al

S30，将S20中精炼后的钢锭加热至1140℃进行锻造，终锻温度为915℃，缓慢冷却，得到锻造钢坯；

S40，等温球化退火工艺：加热到865℃保温1.5h，炉冷到745℃后保温3.5h，炉冷到550℃后出炉空冷；

S50，热挤压模具缓慢加热至1030℃保温1.5h，淬油冷却到200℃转空冷，然后580℃回火2次，回火时间为3.2h，油冷，经淬火回火后得到上述热挤压模用钢材。

实施例2

一种热挤压模用钢材

制备热挤压模用钢材的由以下原料及质量百分数组成：C：0.18％，Si：0.3％，Mn：0.4％，P：≤0.01％，S：≤0.003％，Cr：12.00％，Ni：2.5％，Mo：4.5％，W：1.4％，Co：12.4％，V：0.2％，Nb：0.3％，余量为Fe及不可避免的杂质。

通过如下方法制备：

S10，取上述质量百分数的各组分原料，在真空VD炉中熔炼，并脱氧、脱碳、脱硫、脱气、去除夹杂物，真空下合金成分微调，在温度为1475℃条件下浇铸得到钢锭；

S20，S10中的钢锭脱模后电渣炉重熔，得到精炼后的钢锭；上述操作中，精炼剂为Al

S30，将S20中精炼后的钢锭加热至1100℃进行锻造，终锻温度为900℃，缓慢冷却，得到锻造钢坯；

S40，等温球化退火工艺：加热到860℃保温1h，炉冷到740℃后保温3h，炉冷到550℃后出炉空冷；

S50，热挤压模具缓慢加热至1000℃保温1h，淬油冷却到180℃转空冷，然后560℃回火2次，回火时间为3.0h，油冷，经淬火回火后得到上述热挤压模用钢材。

实施例3

一种热挤压模用钢材

制备热挤压模用钢材的由以下原料及质量百分数组成：C：0.08％％，Si：0.5％，Mn：0.8％，P：0.02％，S：0.005％，Cr：10.00％，Ni：1.8％，Mo：3.7％，W：0.7％，Co：11.0％，V：0.8％，Nb：0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质。

通过如下方法制备：

S10，取上述质量百分数的各组分原料，在真空VD炉中熔炼，并脱氧、脱碳、脱硫、脱气、去除夹杂物，真空下合金成分微调，在温度为1545℃条件下浇铸得到钢锭；

S20，S10中的钢锭脱模后电渣炉重熔，得到精炼后的钢锭；上述操作中，精炼剂为Al

S30，将S20中精炼后的钢锭加热至1180℃进行锻造，终锻温度为930℃，缓慢冷却，得到锻造钢坯；

S40，等温球化退火工艺：加热到870℃保温2h，炉冷到750℃后保温4h，炉冷到550℃后出炉空冷；

S50，热挤压模具缓慢加热至1060℃保温2h，淬油冷却到220℃转空冷，然后600℃回火2次，回火时间为3.5h，油冷，经淬火回火后得到上述热挤压模用钢材。

实施例4

一种热挤压模用钢材

制备热挤压模用钢材的由以下原料及质量百分数组成：C：0.12％，Si：0.2％，Mn：0.3％，P：0.01％，S：0.005％，Cr：10.50％，Ni：2.0％，Mo：4.0％，W：0.9％，Co：12.0％，V：0.4％，Nb：0.3％，余量为Fe及不可避免的杂质。

通过如下方法制备：

S10，取上述质量百分数的各组分原料，在真空VD炉中熔炼，并脱氧、脱碳、脱硫、脱气、去除夹杂物，真空下合金成分微调，在温度为1490℃条件下浇铸得到钢锭；

S20，S10中的钢锭脱模后电渣炉重熔，得到精炼后的钢锭；上述操作中，精炼剂为Al

S30，将S20中精炼后的钢锭加热至1120℃进行锻造，终锻温度为910℃，缓慢冷却，得到锻造钢坯；

S40，等温球化退火工艺：加热到865℃保温1.2h，炉冷到743℃后保温3.2h，炉冷到550℃后出炉空冷；

S50，热挤压模具缓慢加热至1010℃保温1.2h，淬油冷却到190℃转空冷，然后570℃回火2次，回火时间为3.1h，油冷，经淬火回火后得到上述热挤压模用钢材。

实施例5

一种热挤压模用钢材

制备热挤压模用钢材的由以下原料及质量百分数组成：C：0.20％，Si：0.2％，Mn：0.3％，P：0.02％，S：0.004％，Cr：12.50％，Ni：3.2％，Mo：5.0％，W：1.5％，Co：13.3％，V：0.3％，Nb：0.3％，余量为Fe及不可避免的杂质。

通过如下方法制备：

S10，取上述质量百分数的各组分原料，在真空VD炉中熔炼，并脱氧、脱碳、脱硫、脱气、去除夹杂物，真空下合金成分微调，在温度为1520℃条件下浇铸得到钢锭；

S20，S10中的钢锭脱模后电渣炉重熔，得到精炼后的钢锭；上述操作中，精炼剂为Al

S30，将S20中精炼后的钢锭加热至1170℃进行锻造，终锻温度为925℃，缓慢冷却，得到锻造钢坯；

S40，等温球化退火工艺：加热到868℃保温1.8h，炉冷到748℃后保温3.8h，炉冷到550℃后出炉空冷；

S50，热挤压模具缓慢加热至1050℃保温1～2h，淬油冷却到210℃转空冷，然后590℃回火2次，回火时间为3.4h，油冷，经淬火回火后得到上述热挤压模用钢材。

实施例6

一种热挤压模用钢材

制备热挤压模用钢材的由以下原料及质量百分数组成：C：0.20％，Si：0.3％，Mn：0.4％，P：0.01％，S：0.003％，Cr：12.50％，Ni：3.2％，Mo：5.0％，W：1.5％，Co：13.3％，V：0.4％，Nb：0.3％，余量为Fe及不可避免的杂质。

通过如下方法制备：

S10，取上述质量百分数的各组分原料，在真空VD炉中熔炼，并脱氧、脱碳、脱硫、脱气、去除夹杂物，真空下合金成分微调，在温度为1535℃条件下浇铸得到钢锭；

S20，S10中的钢锭脱模后电渣炉重熔，得到精炼后的钢锭；上述操作中，精炼剂为Al

S30，将S20中精炼后的钢锭加热至1175℃进行锻造，终锻温度为925℃，缓慢冷却，得到锻造钢坯；

S40，等温球化退火工艺：加热到862℃保温1h，炉冷到746℃后保温3.5h，炉冷到550℃后出炉空冷；

S50，热挤压模具缓慢加热至1050℃保温1.4h，淬油冷却到205℃转空冷，然后585℃回火2次，回火时间为3.0h，油冷，经淬火回火后得到上述热挤压模用钢材

实验例

为了进一步说明本发明的技术进步性，现采用实验进一步说明。

实验方法：对本发明制备的用于热压加工的钢材进行性能测试，结果如表1所示。

表1

以上仅为本发明的优选实施例及实验例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。