高热强性高韧性热作模具钢及其制造工艺
技术领域
本申请涉及模具钢
技术领域
，更具体地说，它涉及一种高热强性高韧性热作模具钢及其制造工艺。背景技术
热作模具钢是指适用于对金属进行热变形加工的模具用的合金工具钢，一般热作模具在工作时需要承受很大的冲击力和压力，模具也会和高温物体直接接触，并且还需要反复的加热和冷却，使用条件极其恶劣，因此需要热作模具钢具有较好的综合性能。
相关技术中常见的热作模具钢主要为4Cr5MoSiV1(H13)钢，因其良好的加工性能和韧性在市场中得到广泛应用。
针对上述中的相关技术，发明人认为存在以下缺陷：该4Cr5MoSiV1(H13)钢的使用温度超过550℃时，钢材中的碳化物聚集长大，使钢材基体软化，材料热稳定性降低，导致材料高温强度和硬度下降，容易出现开裂失效。
发明内容
为了改善钢材的使用温度超过550℃时，材料高温强度和硬度下降，容易出现开裂失效的问题，本申请提供一种高热强性高韧性热作模具钢及其制造工艺。
本申请提供的一种高热强性高韧性热作模具钢及其制造工艺采用如下的技术方案：第一方面，本申请提供一种高热强性高韧性热作模具钢，采用如下的技术方案：
一种高热强性高韧性热作模具钢，包括以下质量百分比计的原料制成：碳0.20～0.40％，硅 0.05～0.20％，锰0.30～0.60％，铬1.00～4.00％，钼0.50～1.50％，钒0.20～0.60％，钴0.60～ 1.00％，钛0.06～0.16％，钇0.03～0.08％，铌0.03～0.08％，磷0.005～0.012％，硫0.003～ 0.008％，余量为铁。
通过采用上述技术方案，金属钴融于基体材料中能够提高钢在高温作业中的组织稳定性，维持材料在高温下的力学性能；钛、钇、铌能够进一步提升材料在高温环境中的热稳定性；钴、钛、钇、铌等在材料制备过程中会形成MC型的碳化物，这些碳化物与锰、铬、钼、钒形成的碳化物互溶能够形成与基体具有共格界面关系的多元复杂析出相，能够提高高温性能稳定性，并且在回火过程中多元复杂析出相能够对材料起到强化作用，能够大幅提升回火过程中的二次硬化现象，使钢的综合性能得到显著改善；同时，本申请还对钢材中各个成分的含量进行了更加合理的调节，使钢材中形成的碳化物更为合理的分布于钢材中，提升材料的热强性和韧性等综合性能。
优选的，所述碳含量为0.30～0.40％，硅含量为0.05～0.10％，锰含量为0.20～0.30％，铬含量为2.00～3.00％，钼含量为0.80～1.20％，钒含量为0.30～0.50％，钴含量为0.70～ 0.90％，钛含量为0.08～0.12％，钇含量为0.04～0.06％，铌含量为0.04～0.06％。
通过采用上述技术方案，进一步优化钢材中各组分的含量，能够进一步提升钢材的热强性和韧性等综合性能。
优选的，所述碳含量为0.35％，硅含量为0.08％，锰含量为0.25％，铬含量为2.50％，钼含量为1.00％，钒含量为0.40％，钴含量为0.80％。
通过采用上述技术方案，进一步优化钢材中各组分的含量，进而强化钢材的热强性和韧性等综合性能。
优选的，所述钛含量与钒含量的比值为1:4。
通过采用上述技术方案，钢材中钛含量和钒含量为1:4时，由于钛和钒的原子半径大小接近，结构相似，更易互溶形成多元复杂析出相，在材料回火过程中能够进一步提升材料的热稳定性。
优选的，所述钇含量与铌含量的比值为1:1。
通过采用上述技术方案，钢材中钇含量和铌含量的比值为1:1时，钇和铌形成的碳化物能够更好的互溶，进而能够进一步提升材料在回火过程中的热稳定性。
第二方面，本申请提供一种高热强性高韧性热作模具钢的制造工艺，采用如下的技术方案：
一种高热强性高韧性热作模具钢的制造工艺，包括以下步骤：
材料熔炼：将原料放入炉体中进行冶炼和精炼，再进行真空脱气，然后浇筑成钢锭；
扩散退火：将钢锭在1100℃～1200℃的高温下保温9～15h；
锻造：将扩散退火后的钢锭进行多向锻造加工，得到锻坯；
锻后热处理：对锻坯先采用雾冷，再进行空冷，然后再将空冷后的锻坯在950℃～1150℃下保温8-10h，再空冷得到热处理锻坯；
去氢退火：将热处理锻坯在600℃～700℃下保温25～30h，再冷却得到去氢退火锻坯；
回火热处理：将去氢退火锻坯在550℃～600℃下保温15～20h，再将锻坯冷却至200℃下，然后进行空冷得到热作模具钢。
通过采用上述技术方案，能够将各原料通过高温固溶很好的溶入基体中，回火处理时能够使碳化物析出，析出的碳化物能够提升钢材的热稳定性；同时通过调节锻后热处理、去氢退火和回火热处理步骤中的温度和保温时间，能够改善钢材的组织，提升钢材的热强性和韧性等综合性能。
优选的，所述锻后热处理、去氢退火和回火热处理步骤中的升温速率为8℃～13℃/min。
通过采用上述技术方案，调节锻后热处理、去氢退火和回火热处理步骤中的升温速率，使得钢材中钴、钛、钇、铌等原子能够更好的融入钢坯中，能够进一步对钢材进行强化，从而提升钢材的热强性和韧性等综合性能。
优选的，所述锻后热处理、去氢退火和回火热处理步骤中的降温速率为15℃～20℃/min。
通过采用上述技术方案，能够稳定钢材的组织结构，同时还能够使碳化物稳定析出，从而进一步提升钢材的热强性和韧性。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、金属钴融于基体材料中能够提高钢在高温作业中的组织稳定性，维持材料在高温下的力学性能；钛、钇、铌能够进一步提升材料在高温环境中的热稳定性；钴、钛、钇、铌等在材料制备过程中会形成MC型的碳化物，这些碳化物与锰、铬、钼、钒形成的碳化物互溶能够形成与基体具有共格界面关系的多元复杂析出相，能够提高高温性能稳定性，并且在回火过程中多元复杂析出相能够对材料起到强化作用，能够大幅提升回火过程中的二次硬化现象，使钢的综合性能得到显著改善；同时，本申请还对钢材中各个成分的含量进行了更加合理的调节，使钢材中形成的碳化物更为合理的分布于钢材中，提升材料的热强性和韧性等综合性能；
2、钢材中钛含量和钒含量为1:4时，由于钛和钒的原子半径大小接近，结构相似，更易互溶形成多元复杂析出相，在材料回火过程中能够进一步提升材料的热稳定性；
3、本申请的方法，能够将各原料通过高温固溶很好的溶入基体中，回火处理时能够使碳化物析出，析出的碳化物能够提升钢材的热稳定性；同时通过调节锻后热处理、去氢退火和回火热处理步骤中的温度和保温时间，能够改善钢材的组织，提升钢材的热强性和韧性等综合性能。
具体实施方式
随着工业的快速发展，模具钢的用量也越来越多，热作模具钢作为钢材中的一种，常被应用到高温高压的工作环境中，因此需要热作模具钢具有高热强性和高韧性，以达到正常工业的使用，同时延长模具的使用时间，这其中最常用的热作模具钢为4Cr5MoSiV1(H13) 钢，但是对于很多恶劣的高温高压生产环境中，4Cr5MoSiV1(H13)钢的表现也差强人意；发明人在研究中发现，通过添加钴、钛、钇、铌并调节钢材中各组分的含量，能够很好的提升钢材的热强性和韧性。
实施例
实施例1-6
以下以实施例1为例进行说明，高热强性高韧性热作模具钢的制造工艺，包括以下步骤：
材料熔炼：将原料放入炉体中在1600℃下进行冶炼和精炼，再进行真空脱气，然后浇筑成钢锭；
扩散退火：将钢锭在1100℃的高温下保温9h；
锻造：将扩散退火后的钢锭进行多向锻造加工，得到锻坯；
锻后热处理：对锻坯先采用雾冷，再进行空冷至温度下降到200℃以下，然后再将空冷后的锻坯在950℃下保温8h，再空冷至200℃以下，得到热处理锻坯；
去氢退火：将热处理锻坯在600℃下保温25h，再冷却至250℃以下，得到去氢退火锻坯。
回火热处理：将去氢退火锻坯在550℃下保温15h，再将锻坯冷却至200℃下，然后进行空冷得到热作模具钢。
锻后热处理、去氢退火和回火热处理步骤中的升温速率为8℃/min，降温速率为15℃ /min。
如表1所示，实施例1-6的高热强性高韧性热作模具钢的主要区别在于钢材中各组分的质量百分含量不同。
表1
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 碳 0.20 0.30 0.40 0.30 0.40 0.035 硅 0.05 0.12 0.20 0.05 0.10 0.08 锰 0.30 0.04 0.60 0.20 0.30 0.25 铬 1.00 2.00 4.00 2.00 3.00 2.50 钼 0.50 1.00 1.50 0.80 1.20 1.00 钒 0.20 0.40 0.60 0.30 0.50 0.40 钴 0.60 0.80 1.00 0.70 0.90 0.80 钛 0.06 0.12 0.16 0.08 0.12 0.12 钇 0.03 0.05 0.08 0.04 0.06 0.06 铌 0.03 0.06 0.08 0.04 0.06 0.06 磷 0.005 0.01 0.012 0.005 0.005 0.005 硫 0.003 0.004 0.008 0.003 0.003 0.003 铁 97.022 95.096 91.36 95.482 93.352 94.687 合计 100 100 100 100 100 100
实施例7-10
如表2所示，实施例7-9与实施例6的主要区别在于钢材中钛和钒的重量比不同，实施例10 与实施例6的主要区别在于钢材中钇和铌的重量比不同。实施例7-10的高热强性高韧性热作模具钢的制造工艺与实施例1相同。
表2
实施例7 实施例8 实施例9 实施例10 碳 0.035 0.035 0.035 0.035 硅 0.08 0.08 0.08 0.08 锰 0.25 0.25 0.25 0.25 铬 2.50 2.50 2.50 2.50 钼 1.00 1.00 1.00 1.00 钒 0.40 0.30 0.50 0.40 钴 0.80 0.80 0.80 0.80 钛 0.10 0.10 0.10 0.10 钇 0.06 0.06 0.06 0.03 铌 0.06 0.06 0.06 0.06 磷 0.005 0.005 0.005 0.005 硫 0.003 0.003 0.003 0.003 铁 94.707 94.807 94.607 94.737 合计 100 100 100 100
实施例11
实施例11与实施例7的不同之处在于扩散退火步骤中的温度为1200℃，保温时间为15h。锻后热处理为：对锻坯先采用雾冷，再进行空冷至温度下降到200℃以下，然后再将空冷后的锻坯在1150℃下保温10h，再空冷至200℃以下，得到热处理锻坯。去氢退火为：将热处理锻坯在700℃下保温30h，再冷却至250℃以下，得到去氢退火锻坯。回火热处理为：将去氢退火锻坯在600℃下保温20h，再将锻坯冷却至200℃下，然后进行空冷得到热作模具钢。
实施例12
实施例12与实施例7的不同之处在于扩散退火步骤中的温度为1150℃，保温时间为12h。锻后热处理为：对锻坯先采用雾冷，再进行空冷至温度下降到200℃以下，然后再将空冷后的锻坯在1050℃下保温9h，再空冷至200℃以下，得到热处理锻坯。去氢退火为：将热处理锻坯在650℃下保温28h，再冷却至250℃以下，得到去氢退火锻坯。回火热处理为：将去氢退火锻坯在580℃下保温18h，再将锻坯冷却至200℃下，然后进行空冷得到热作模具钢。
实施例13
实施例13与实施例12的不同之处在于锻后热处理、去氢退火和回火热处理步骤中的升温速率为13℃/min，降温速率为15℃/min。
实施例14
实施例14与实施例12的不同之处在于锻后热处理、去氢退火和回火热处理步骤中的升温速率为10℃/min，降温速率为15℃/min。
实施例15
实施例15与实施例14的不同之处在于锻后热处理、去氢退火和回火热处理步骤中的升温速率为10℃/min，降温速率为20℃/min。
实施例16
实施例16与实施例14的不同之处在于锻后热处理、去氢退火和回火热处理步骤中的升温速率为10℃/min，降温速率为17℃/min。
对比例
对比例1
对比例1的热作模具钢为市售4Cr5MoSiV1(H13)钢。
性能检测试验
检测方法/试验方法
拉伸强度测试：按照GB/T 2975-1标准进行拉伸强度测试，侧5组数据取平均值。
冲击强度测试：按照NADCA#207-90标准进行冲击强度测试，侧5组数据取平均值。
上述检测结果见表3。
表3
结合实施例1-6和表3可以看出，实施例4-6在500℃下的拉伸强度、屈服强度和冲击强度整体表现均高于实施例1-3，其中实施例6的综合性能最好，这说明通过调节热作模具钢各组分的含量能够提升钢材的综合性能。
结合实施例7-9并结合表3可以看出，实施例7在500℃下的拉伸强度、屈服强度和冲击强度整体表现均高于实施例8和实施例9，表现出了良好的热强性和韧性，这说明调节钛和钒的重量比能够提升钢材的热强性和韧性，使钢材具有更好的综合性能，这是由于钛和钒的原子半径大小接近，结构相似，更易互溶形成多元复杂析出相，在材料回火过程中能够进一步提升材料的热稳定性，使材料在高温环境中的强度增大，同时也能增加材料在高温环境中的韧性。结合实施例7和实施例10可以看出，实施例7的整体性能高于实施例10，这说明调节钢材中钇和铌的重量比能够提升钢材的综合性能。
结合实施例7和实施例11-12并结合表3可以看出，热作模具钢在制造过程中，扩散退火的温度和保温时间对钢材整体性能有一定影响，但整体性能差异不大；锻后热处理、去氢退火和回火热处理步骤中的温度和保温回见也对材料的整体性能有一定影响，但是材料的整体性能差异不大。结合实施例12-16可以看出，锻后热处理、去氢退火和回火热处理步骤中的升温速率和降温速率对钢材整体性能有一定影响，但刚才还是具有良好的热强性和高韧性。
结合所有实施例和对比例1并结合表3可以看出，所有实施例在500℃下的拉伸强度、屈服强度和冲击强度均高于对比例1，这说明本申请制备得到的热作模具钢材热强性和韧性更高，综合性能更好。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
