一种热冲压模具钢材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种合金钢材料及其制造方法，尤其涉及一种热冲压模具钢材料及其制造方法。
背景技术
随着能源危机和环境问题的日益加剧，汽车轻量化已经成为世界汽车工业可持续发展的必然道路。车身高强化，既可以减轻车身重量，又能提高安全性，是同时实现车身轻量化和提高碰撞安全性的最好途径。
为满足车身高强化发展需求，先进高强钢和先进零部件成形工艺应运而生。当高强钢的强度达到1000MPa级以上时，如果采用传统冷冲压成形工艺进行高强度零部件生产制造，难以避免高强钢成形性能差、零件回弹严重及尺寸精度差、成形模具寿命短等技术问题。热冲压成形技术既可以解决传统高强度钢冷冲压成形难问题，又能获得超高强度及高精度的成形零件。
热冲压成形是把钢板加热到900℃左右奥氏体化，随后快速送入有冷却系统的模具内冲压成形并淬火，钢板组织由奥氏体转变成马氏体，从而得到超高强度的零件。由于在冲压过程中，模具与坯料直接接触，高温金属使型腔表面急剧升温，型腔表层产生压应力，这就要求模具材料具有很高的热强性和热稳定性。冲压件在取出时，模具温度骤降，极易产生热疲劳，要求模具材料具有良好的高温疲劳抗力。在服役过程中，模具还遭受极大的冲击载荷，因此，模具还要具有优良的韧性。除此之外，模具在冲压过程中还会出现拉毛现象，这要求热冲压模具材料具有足够的硬度。
目前流行的材料有DIEVAR和Cr7V，使用寿命高达30万次。DIEVAR虽然热疲劳性能和韧性良好，但耐磨性和导热率依旧欠佳；CR7V耐磨性好，但热疲劳性和导热率差。因此，有必要对现有的热冲压模具钢材料及其制造方法进行改进，提供耐磨性和热导率良好配合的热冲压模具专用钢。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种热冲压模具钢材料及其制造方法，能够获得具有优良的冲击韧性，回火稳定性和高的淬火硬度的热冲压模具钢材料。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种热冲压模具钢材料及其制造方法，以质量百分比计，由以下化学成分组成：C 0.47～0.51％；Si 0.25～0.30％；Mn 0.25～0.30％；Cr 4.20～4.50％；Mo 2.90～3.10％；V 0.50～0.60％；Al0.01～0.03％；余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，各组分按质量百分比计配比如下：C 0.47～0.49％；Si 0.25～0.27％；Mn 0.29～0.30％；Cr 4.27～4.32％；Mo 2.97～3.0％；V 0.52～0.55％；Al 0.016～0.022％；余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明为解决上述技术问题还提供一种上述的热冲压模具钢材料的制造方法，其中，包含下列步骤：步骤S1：按预设百分比配料后采用电炉冶炼，并通过真空精炼获得电极坯；步骤S2：电渣重熔，冶炼出成分均匀的电渣锭；步骤S3：对电渣锭进行去应力退火；步骤S4：然后将电渣锭放入加热炉锻造成型；步骤S5：锻后球化退火；步骤S6：最后采用高温淬火和三次高温回火，获得热冲压模具钢材料。
进一步地，所述步骤S1采用偏心电弧炉冶炼，并控制电弧炉冶炼过程中碱度CaO/SiO为3％，中频炉化合金兑入精炼炉，炉外精炼，真空脱气，下注电极坯。
进一步地，所述步骤S2采用CaF2-Al2O3-244预熔渣构成的三元渣系在氩气保护下进行电渣重熔；电渣时采用一支电极坯电渣一支电渣锭，充填比控制在0.60～0.75之间，电渣锭高径比控制在2.0～2.3之间。
进一步地，所述步骤S3按照直径计算，在780～850℃按照每100mm保温1.5h计算保温时间，保温结束关闭烟道闸门随炉冷却10h，然后以15～30℃/h炉冷至100～150℃后，再出炉空冷。
进一步地，所述步骤S4将电渣锭放入炉温为400～450℃的加热炉锻造成型，以60～80℃/h加热至850±20℃保温5～8h，随后以120～150℃/h加热至1250～1270℃保温20～30h，开锻前降温至1230±10℃，采用多向锻造方式进行锻造，终锻温度不低于800℃。
进一步地，所述步骤S5锻后空冷至表面温度500～550℃，随后以60～80℃/h的速度加热至830～860℃,保温10～15h后以15～30℃炉冷至200℃后，再出炉空冷。
进一步地，所述步骤S6包括加热至1050～1080℃淬火，油冷至50～80℃，经过580～610℃的三次高温回火，获得热冲压模具钢材料。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的热冲压模具钢材料及其制造方法，在成分设计上，根据热冲压要求高热导率、高耐磨的特点，通过对各合金元素对材料特性的影响进行分析，科学设计各元素的成分含量，降低铬、锰和硅元素含量，同时适当提高碳、钼、钒含量，从而获得具有优良的冲击韧性，回火稳定性和高的淬火硬度的热冲压模具钢材料。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
本发明提供的热冲压模具钢材料，主要有以下元素组成，以质量百分比计算：C0.47～0.51％；Si 0.25～0.30％；Mn 0.25～0.30％；Cr 4.20～4.50％；Mo 2.90～3.10％；V 0.50～0.60％；Al 0.01～0.03％；余量Fe及其它不可避免的杂质。
本发明涉及一种长寿命热冲压模具钢材料，在成分设计上，降低铬、锰和硅元素含量，适当提高碳、钼、钒的含量。根据热冲压要求高热导率、高耐磨的特点，通过对各合金元素对材料特性的影响进行分析，科学设计各元素的成分含量。
碳是材料中硬度保证的必要元素，通过适当提高碳含量来提高材料硬度是最经济的设计准则。在传统热强钢4Cr5MoSiV1的基础上，为进一步提高红硬性和导热性能，Mo含量由普通的1.10％～1.75％提高至3％；为了保证材料的热疲劳性能，必须保证材料的碳化物高度弥散，防止大颗粒碳化物出现，并且要使材料的高温碳化物颗粒边际圆润，防止V系碳化物大量形成，降低V的含量，由0.80％～1.20％降低至0.55％；硅会促使钢锭枝晶发达，使钢材偏析加重，影响疲劳性能，但考虑到脱氧需求，将Si控制在0.27％；铬会形成M6C，此碳化物在使用过程不稳定，生产时虽然可以细化，但使用一段时间后会长大粗化，由于吸收了周围的碳，导致基体贫碳，硬度降低，影响疲劳寿命，但铬过低会使材料的抗锈性能降低。因此，应适当降低Cr含量，由4.75％～5.50％降低至4.5％以下；锰在钢中不仅会促使MnS夹杂析出，还提高钢材过热倾向，但它对脱氧会有帮助，因此Mn控制在0.30％。
实施例中1-3各钢种化学成分见表1：
表1实施例1-3化学成分
本发明制造长寿命热冲压模具钢材料步骤如下：
(1)电极坯冶炼：按照一种长寿命热冲压模具钢材料化学成分进行配料，采用偏心电弧炉冶炼，中频炉化合金兑入精炼炉，炉外精炼，下注电极坯。
(2)电渣重熔：采用三元渣系(CaF2-Al2O3-244预熔渣)电渣重熔，采用氩气保护电渣，减少过程增氢、增氧和增氮。电渣采用一支电极坯电渣一支电渣锭，不交替电渣，充填比控制在0.60～0.75之间，电渣锭高径比控制在2.0～2.3之间；
(3)电渣锭去应力退火：电渣锭在燃气炉中进行去应力退火，按照直径计算，在780～850℃按照每100mm保温1.5h计算保温时间，保温结束关闭烟道闸门随炉冷却10h，然后以15～30℃/h炉冷至100～150℃出炉空冷
(4)加热、锻造：将电渣锭表面修磨后放入炉温为400～450℃的加热炉中，以60～80℃/h加热至850±20℃保温5～8h，随后以120～150℃/h加热至1250～1270℃保温20～30h，保温结束降温至1230±10℃，采用多向锻造方式进行锻造，终锻温度不低于800℃。
(5)锻后处理：锻后空冷至表面温度500～550℃，随后以60～80℃/h速度加热至830～860℃，保温10～15h后以15～30℃/h炉冷至500℃出炉堆冷。
(6)淬火及高温回火：加热至1050～1080℃淬火，油冷至50～80℃，经过580～610℃的三次高温回火，获得具有优良的冲击韧性，回火稳定性和高热导率的热冲压模具钢。
实施例1-3的力学性能见下列表2：
表2实施例1-3的力学性能实施例1-3的使用寿命见下列表3：
应用案例
使用寿命(万次)
某品牌SUV汽车B柱模具
56
某品牌轿车前后防撞梁
61
某品牌SUV A柱下板
53
表3实施例1-3的使用寿命情况
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
