一种高耐磨刃模具材料及其热处理工艺
阅读：696发布：2023-02-23
专利汇可以提供一种高耐磨刃模具材料及其热处理工艺专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种高耐磨刃模具材料及其 热处理 工艺，属于模具材料技术领域。本发明的高耐磨刃模具材料各组分 质量 百分比为：C 0.45～0.55％，Si 0.9～1.2％，Mn 0.3～0.6％，Cr 4.9～5.5％，V 1.3～1.6％，Mo 1.3～1.6％，P≤0.03％，S≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质；通过如下热处理工艺处理：一、预备热处理：将 锻造 后的刃模具材料加热至830～870℃，保温2～3小时后，空冷至室温；二、淬火处理：将步骤一处理后的刃模具材料加热到820～840℃，保温5～7小时后，放入淬火介质中进行冷却至室温；三、回火处理：将步骤二处理后的刃模具材料进行回火处理。本发明通过对刃模具材料成分及热处理工艺的改进，大大提高了刃模具材料的 耐磨性 及综合 力 学性能。，下面是一种高耐磨刃模具材料及其热处理工艺专利的具体信息内容。
1.一种高耐磨刃模具材料，其特征在于，各组分质量百分比为：C 0.45～0.55％，Si
0.9～1.2％，Mn 0.3～0.6％，Cr 4.9～5.5％，V 1.3～1.6％，Mo 1.3～1.6％，P≤0.03％，S≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高耐磨刃模具材料，其特征在于，其组分质量间存在如下关系：
2≤Si/Mn≤3；
且，0.9≤V/Mo≤1.3。
3.根据权利要求2所述的一种高耐磨刃模具材料，其特征在于，各组分质量百分比为：
C0.47％，Si 1.1％，Mn 0.4％，Cr 5.3％，V 1.4％，Mo 1.4％，P 0.01％，S 0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。
4.一种高耐磨刃模具材料的热处理工艺，其特征在于，步骤如下：
一、预备热处理：将锻造后的刃模具材料加热至830～870℃，保温2～3小时后，空冷至室温；
二、淬火处理：将步骤一处理后的刃模具材料加热到820～840℃，保温5～7小时后，放入淬火介质中进行冷却至室温；
三、回火处理：将步骤二处理后的刃模具材料进行回火处理。
5.根据权利要求4所述的一种高耐磨刃模具材料的热处理工艺，其特征在于：所述淬火介质为无机高分子水溶性淬火介质。
6.根据权利要求4所述的一种高耐磨刃模具材料的热处理工艺，其特征在于：所述回火处理为高温回火。
7.根据权利要求6所述的一种高耐磨刃模具材料的热处理工艺，其特征在于：回火加热温度为550～600℃。
一种高耐磨刃模具材料及其热处理工艺
技术领域
[0001] 本发明属于模具材料技术领域，更具体地说，涉及一种高耐磨刃模具材料及其热处理工艺。
背景技术
[0002] 模具钢是用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种，模具钢大致可分为：冷轧模具钢、热轧模具钢和塑料模具钢三类，用于锻造、冲压、切型、压铸等。由于各种模具用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢，按其所制造模具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性，足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。由于用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢的性能要求也不同。
[0003] H13模具钢是热作模具钢，用于制造冲击载荷大的锻模，热挤压模，精锻模，铝、铜及其合金压铸模，是刃模具常用材料。H13模具钢中的合金元素含量达到8％左右，大量的合金元素的添加使共析点左移，H13模具钢属于过共析钢，碳及合金元素的严重偏析，尤其是铬、钒元素的作用，使其在凝固过程中出现不平衡的亚稳定共晶碳化物；H13模具钢的热处理工艺也存在诸多缺陷导致最终的H13模具钢硬度、耐磨性很难达到现有生产强度的需求。
[0004] 经检索，中国专利公开号：CN106544583A，公开日：2017年3月29日，公开了一种超耐磨H13模具钢，它的化学元素重量组份为：C：0.46-0.49份；Si：0.81-0.92份；Mn：0.32-0.46份；P：0.008-0.011份；S：0.001-0.003份；Cr：4.366.25份；Ni：0.04-0.23份；Cu：0.01-
0.1份；Mo：1.01-1.36份；V：0.08-1.27份，余量为Fe。该申请案虽然通过对H13模具钢成分的改进使其强度、耐磨性能有了一定改进，但是Cu元素的添加会使得H13钢出现热脆性，热锻轧加工困难，且Ni元素的增加使得H13钢易出现回火脆性易出现白点，Ni的价格高，还增加了H13模具钢的生产成本。
0.1份；Mo：1.01-1.36份；V：0.08-1.27份，余量为Fe。该申请案虽然通过对H13模具钢成分的改进使其强度、耐磨性能有了一定改进，但是Cu元素的添加会使得H13钢出现热脆性，热锻轧加工困难，且Ni元素的增加使得H13钢易出现回火脆性易出现白点，Ni的价格高，还增加了H13模具钢的生产成本。
[0005] 经检索，中国专利公开号：CN106148656A，公开日：2016年11月23日，公开了一种H13模具钢的热处理工艺，包括以下步骤：(1)将锻造后的H13模具钢空冷至480～500℃，然后装入加热炉；(2)第一阶段热处理；(3)第二阶段热处理；(4)淬火冷却；(5)回火处理，即完成热处理过程。与现有技术相比，本发明提供的H13模具钢的热处理工艺，将锻造后的H13模具钢空冷至480～500℃，该申请案的热处理工艺使得H13模具钢热处理硬度的均匀性有所提高，但是其淬火阶段采用盐浴淬火，污染重且存在安全隐患，回火阶段温度选取大大降低了H13模具钢的硬度等综合性能。
发明内容
[0006] 1、要解决的问题
[0007] 针对现有刃模具材料H13模具钢硬度、耐磨性等综合性能不高的问题，本发明提供一种高耐磨刃模具材料及其热处理工艺，通过对刃模具材料成分及热处理工艺的改进，大大提高了刃模具材料的耐磨性及综合力学性能。
[0008] 2、技术方案
[0009] 为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
[0010] 一种高耐磨刃模具材料，各组分质量百分比为：C 0.45～0.55％，Si 0.9～1.2％，Mn 0.3～0.6％，Cr 4.9～5.5％，V 1.3～1.6％，Mo 1.3～1.6％，P≤0.03％，S≤0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0011] 现有的刃模具材料通常为H13模具钢，现有H13模具钢硬度、耐磨性等综合性能难以达到目前生产所需的强度，因此，本申请对其材料配方进行改进：
[0012] C 0.45～0.55％，C对钢中马氏体的形成起着关键作用，可以显著提高材料的硬度强度，但是随着碳含量的升高，材料的塑性和韧性会降低，碳含量过低又难以满足强度的要求，本方案将含碳量控制在0.45～0.55％可以使刃模具材料的硬度满足要求；
[0013] Si 0.9～1.2％，Si的加入在显微组织上，Si含量增大时，组织由单向转为多向，碳化物变得细小，碳化物分布均匀；但当Si含量过大时，组织变得粗大，且大部分组织由多向变为单向，碳化物数量减少，且分布不均匀，因此本方案将含硅量控制在0.9～1.2％；
[0014] Mn 0.3～0.6％，Mn可以提高奥氏体的稳定性，提高材料的淬透性，同时增加材料的耐磨性，Mn含量过低得不到所需强度的钢材，大量的Mn会降低材料的焊接性能及韧性，因此本方案将含锰量控制在0.3～0.6％；
[0015] Cr 4.9～5.5％，Cr可以显著提高钢材的强度、硬度和耐磨性，但是会降低塑性和韧性，因此本方案将含铬量控制在4.9～5.5％，
[0016] V 1.3～1.6％，V主要起固溶强化的作用，可以固定钢中的N元素，降低钢中自由氮的含量，减少了钢中N元素的危害，避免时效现象的发生，但V含量过多时会加速珠光体形成，适量的V能细化组织和晶粒，提高钢的强度和屈服比因此本方案控制V含量为1.3～1.6％；
[0017] Mo 1.3～1.6％，Mo可以细化晶粒并提高钢材的强度和硬度，并能改善钢材的淬透性和热强性能，Mo含量较低时对性能的改善作用不明显，含量高时，容易产生铁素体δ相或其它脆性相而使韧性降低，因此本方案将Mo含量控制在1.3～1.6％。
[0018] 进一步地，其组分质量间存在如下关系：
[0019] 2≤Si/Mn≤3；
[0020] 且，0.9≤V/Mo≤1.3。
[0021] 申请人研究发现，Si和Mn元素含量对钢的力学性能有着很大影响，本方案中控制Si与Mn之比在2～3的范围内，在此范围区间，Mn的加入使得钢中残余奥氏体含量增加，同时Si又使得C富集到残余奥氏体中增加残余奥氏体的稳定性，从而使得钢的相变诱发塑性效果得到提升，进而使得刃模具材料的力学性能大大提升。
[0022] 刃模具材料中V的添加是为了细化晶粒，提高材料的强度和屈服比，为了保证V对晶粒的细化效果，需要控制其含量在1.3～1.6％，但是在此含量下，材料的耐腐蚀性能变差，这会导致刃模具材料在使用过程中的有效寿命受到影响，申请人研究发现当刃模具材料中加入Mo使V/Mn值在0.9～1.3时，对刃模具材料进行电化学腐蚀试验检测，其维钝电流密度值较小，刃模具材料的耐腐蚀性能大大提高，使得刃模具材料在生产中的有效寿命得到保障，提高了刃模具材料在使用时的耐磨性。
[0023] 进一步地，各组分质量百分比为：C 0.47％，Si 1.1％，Mn 0.4％，Cr 5.3％，V 1.4％，Mo 1.4％，P 0.01％，S 0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0024] 在此成分组成下熔炼所得的合金处理加工后制成的刃模具钢具有最优选的硬度、高耐磨性及综合力学性能。
[0025] 一种高耐磨刃模具材料的热处理工艺，步骤如下：
[0026] 一、预备热处理：将锻造后的刃模具材料加热至830～870℃，保温2～3小时后，空冷至室温；
[0027] 二、淬火处理：将步骤一处理后的刃模具材料加热到820～840℃，保温5～7小时后，放入淬火介质中进行冷却至室温；
[0028] 三、回火处理：将步骤二处理后的刃模具材料进行回火处理。
[0029] 热处理工艺是提高刃模具材料综合性能，消除缺陷的重要工艺，本方案中，通过预备热处理步骤，细化晶粒，消除应力，消除了魏氏组织和带状组织，为后续热处理提供了合适的组织状态，通过将刃模具材料加热至830～870℃保温足够时间2～3小时后，使组织完全奥氏体化，保温时间过短无法完全奥氏体化，保温时间过长增加了处理时间，增加了生产成本，然后通过空冷，使刃模具材料得到较快的冷却，得到较细的珠光体类组织，进而使得刃模具材料的强度与硬度得到了提高，有利于刃模具材料的耐磨性能的提高；淬火是模具钢材料热处理工艺中最重要的步骤，通过淬火，使奥氏体化的刃模具材料获得尽量多的马氏体，将刃模具材料加热到820～840℃后保温5～7小时获得奥氏体组织，然后将其淬入淬火介质，使刃模具材料以一定速度冷却，得到马氏体组织(含残留奥氏体)，显著提高了刃模具材料的强度和硬度；淬火后的刃模具材料中残留有内应力，通过回火，可消除淬火应力，从而得到强度和韧性相配合的综合力学性能。
[0030] 进一步地，所述淬火介质为无机高分子水溶性淬火介质。
[0031] 本方案中淬火步骤采用单液淬火法，在淬火过程中淬火介质的选择大大影响着淬火效果与淬火后刃模具材料的性能，采用水做冷却介质，在大于400℃的冷却区间中，冷却速度小，在低于400℃的冷却区间中，冷却速度大，容易造成淬火工件的变形或开裂，因此水作为淬火介质冷却能力大但冷却特性不好；而选用油作为淬火介质，油烟大污染中，且存在粘附消耗，安全隐患；有机物淬火介质易变质、寿命短；上述淬火介质在使用时均存在诸多缺陷不利于热处理工艺的进行，为保证淬火效果及热处理效果，本方案采用无机高分子水溶性淬火介质。
[0032] 本方案的淬火介质由ZnCl2、KCl、聚合氯化铝和水混合而成，进一步地，本方案的淬火介质的配置方法为：
[0033] 1)、将15份的ZnCl2溶于90份水中搅拌至完全溶解，配成溶液；
[0034] 2)、将14份的KCl溶于90份水中搅拌至完全溶解，配成溶液；
[0035] 3)、将60份的[Al2(OH)nCl6－n·xH2O]m(m＜＝10，n＝1～5)溶于50份水中搅拌至完全溶解配成溶液；
[0036] 4)、将上述3种溶液混合并配入400～500份水，得到无机高分子水溶性淬火介质。
[0037] 本方案的无机高分子水溶性淬火介质，在开始淬火时(600℃以上)，因无机高分子物质的爆膜作用，冷却速度比水快，在600～300℃阶段时，能在工件表面形成一层很厚的保护膜，降低冷却速度，可以有效防止工件变形开裂，在200℃时，保护膜又迅速溶于水使工件表面光洁，工件表面极少有介质粘附，其冷却能力与冷却特性均优于现有的淬火介质，经试验对比，相同工艺条件下对相同成分的刃模具材料采用本方案的淬火介质相比于采用普通油淬，本方案的最终刃模具材料的塑性、韧性均远高于油淬后的刃模具材料，对综合力学性能有很大的提高，油淬的冷却整体速度较慢因此刃模具材料的淬硬层深度小，淬火后的硬度强度不如本方案淬火介质处理后的刃模具材料性能，本方案处理后的刃模具材料耐磨性更高。
[0038] 本方案采用单液淬火法，淬火介质选用无机高分子水溶性介质，利用淬火介质的特性，可以很好地控制各冷却温度区间的冷却速度且淬火介质污染小、无安全隐患、使用寿命长，仅通过采用工序简单的单液淬火法即可达到理想的淬火效果，避免了其他淬火方法如双液淬火、分级淬火等方法工序多，时间控制要求高等缺陷。
[0039] 进一步地，所述回火处理为高温回火。
[0040] 通过高温回火得到回火索氏体组织，可以进一步提高刃模具材料的综合力学性能。
[0041] 进一步地，回火加热温度为550～600℃。
[0042] 通过对本申请刃模具材料在不同回火温度下组织、性能的观察实验发现，当回火温度低于550℃时，马氏体基体析出碳化物较少，呈弥散分布，刃模具材料的强度有所下降，回火温度高于550℃时，刃模具材料发生二次硬化，硬度上升，当回火温度高于600℃时，刃模具材料的硬度发生明显下降。
[0043] 本方案回火的保温时间为8～10小时。
[0044] 3、有益效果
[0045] 相比于现有技术，本发明的有益效果为：
[0046] (1)本发明的一种高耐磨刃模具材料，通过对刃模具材料成分的改进，在保证低制造成本的前提下，大大提高了刃模具材料的强度、耐磨性等综合力学性能；
[0047] (2)本发明的一种高耐磨刃模具材料，控制2≤Si/Mn≤3，通过Mn与Si元素在适当添加比中相配合，达到复合强化的效果，使得刃模具材料的力学性能大大提升；控制0.9≤V/Mo≤1.3，Mo的适当比例添加，消除了V添加后带来的耐腐蚀性降低的缺陷，同时保证了V与Mo添加后能细化晶粒的效果，进一步提高了刃模具材料的耐磨性；
[0048] (3)本发明的一种高耐磨刃模具材料，在此成分下C 0.47％，Si 1.1％，Mn 0.4％，Cr 5.3％，V 1.4％，Mo 1.4％，P 0.01％，S 0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质，能得到最优选的硬度、耐磨性及综合力学性能的刃模具材料；
[0049] (4)本发明的一种高耐磨刃模具材料的热处理工艺，通过预备热处理细化晶粒，消除应力，消除了魏氏组织和带状组织，为后续热处理提供了合适的组织状态，通过淬火处理显著提高了刃模具材料的强度和硬度，通过回火处理消除淬火应力，从而得到强度和韧性相配合的综合力学性能，通过热处理工艺，使本申请的刃模具材料的耐磨性等综合力学性能得到进一步提升；
[0050] (5)本发明的一种高耐磨刃模具材料的热处理工艺，采用无机高分子水溶性淬火介质，冷却能力大且冷却特性好，可以通过配合简单的单液淬火法及达到很好的淬火效果，经本方案淬火介质淬火处理的刃模具材料最终的耐磨性、强度硬度要高于同条件下油淬处理的刃模具材料性能；
[0051] (6)本发明的一种高耐磨刃模具材料的热处理工艺，通过高温回火得到回火索氏体组织，可以进一步提高刃模具材料的综合力学性能；
[0053] 图1为本发明的高耐磨刃模具材料热处理工艺流程图。
具体实施方式
[0054] 下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。
[0055] 实施例1
[0056] 本实施例的高耐磨刃模具材料，其各组分质量百分比为：C 0.45％，Si 0.9％，Mn 0.3％，Cr 4.9％，V 1.3％，Mo 1.3％，P 0.01％，S 0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0057] 如图1所示，热处理工艺如下：
[0058] 一、预备热处理：将锻造后的刃模具材料加热至830℃，保温2小时后，空冷至室温；
[0059] 二、淬火处理：将步骤一处理后的刃模具材料加热到820℃，保温5小时后，放入无机高分子水溶性淬火介质中进行冷却至室温；
[0060] 三、回火处理：将步骤二处理后的刃模具材料进行回火处理，回火加热至550℃，保温8小时。
[0061] 热处理工艺后的成品，经检测，
[0062] 中心疏松(级)：1.0；
[0063] 偏析(级)：2.0；
[0064] 晶粒度(按ASTM E112平均晶粒度判定方法)：热处理工艺为:1030℃X30min油冷至室温，测得晶粒度细于等于6.0级；
[0065] 非金属夹杂物：A细≤2.0；A粗≤1.5；B细≤2.0；B粗≤2.0；C细≤1.0；C粗≤1.0；D细≤2.0；D粗≤2.0；
[0067] 布氏硬度：51.6HRC。
[0068] 实施例2
[0069] 本实施例的高耐磨刃模具材料，其各组分质量百分比为：C 0.55％，Si 1.2％，Mn 0.6％，Cr 5.5％，V 1.6％，Mo 1.6％，P 0.03％，S 0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0070] 如图1所示，热处理工艺如下：
[0071] 一、预备热处理：将锻造后的刃模具材料加热至870℃，保温3小时后，空冷至室温；
[0072] 二、淬火处理：将步骤一处理后的刃模具材料加热到840℃，保温7小时后，放入无机高分子水溶性淬火介质中进行冷却至室温；
[0073] 三、回火处理：将步骤二处理后的刃模具材料进行回火处理，回火加热至600℃，保温10小时。
[0074] 热处理工艺后的成品，经检测，
[0075] 中心疏松(级)：1.0；
[0076] 偏析(级)：2.0；
[0077] 晶粒度(按ASTM E112平均晶粒度判定方法)：热处理工艺为:1030℃X30min油冷至室温，测得晶粒度细于等于6.0级；
[0078] 非金属夹杂物：A细≤2.0；A粗≤1.5；B细≤2.0；B粗≤2.0；C细≤1.0；C粗≤1.0；D细≤2.0；D粗≤2.0；
[0079] 超声波探伤(按SEP 1921超声波探伤检验方法)：热轧钢E/e级合格；锻制厚度≤300mm按E/e级合格；厚度＞300mm按D/d级合格；
[0080] 布氏硬度：52.3HRC。
[0081] 实施例3
[0082] 本实施例的高耐磨刃模具材料，其各组分质量百分比为：C 0.47％，Si 1.1％，Mn 0.4％，Cr 5.3％，V 1.4％，Mo 1.4％，P 0.01％，S 0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0083] 如图1所示，热处理工艺如下：
[0084] 一、预备热处理：将锻造后的刃模具材料加热至850℃，保温2.5小时后，空冷至室温；
[0085] 二、淬火处理：将步骤一处理后的刃模具材料加热到830℃，保温6小时后，放入无机高分子水溶性淬火介质中进行冷却至室温；
[0086] 三、回火处理：将步骤二处理后的刃模具材料进行回火处理，回火加热至600℃，保温9小时。
[0087] 热处理工艺后的成品，经检测，
[0088] 中心疏松(级)：1.0；
[0089] 偏析(级)：2.0；
[0090] 晶粒度(按ASTM E112平均晶粒度判定方法)：热处理工艺为:1030℃X30min油冷至室温，测得晶粒度细于等于6.0级；
[0091] 非金属夹杂物：A细≤2.0；A粗≤1.5；B细≤2.0；B粗≤2.0；C细≤1.0；C粗≤1.0；D细≤2.0；D粗≤2.0；
[0092] 超声波探伤(按SEP 1921超声波探伤检验方法)：热轧钢E/e级合格；锻制厚度≤300mm按E/e级合格；厚度＞300mm按D/d级合格；
[0093] 布氏硬度：56.5HRC。
[0094] 实施例4
[0095] 本实施例的高耐磨刃模具材料，其各组分质量百分比为：C 0.47％，Si 1.1％，Mn 0.4％，Cr 5.3％，V 1.4％，Mo 1.4％，P 0.01％，S 0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0096] 如图1所示，热处理工艺如下：
[0097] 一、预备热处理：将锻造后的刃模具材料加热至850℃，保温2.5小时后，空冷至室温；
[0098] 二、淬火处理：将步骤一处理后的刃模具材料加热到830℃，保温6小时后，放入淬火油中进行冷却至室温；
[0099] 三、回火处理：将步骤二处理后的刃模具材料进行回火处理，回火加热至600℃，保温9小时。
[0100] 热处理工艺后的成品，经检测，
[0101] 中心疏松(级)：1.0；
[0102] 偏析(级)：2.0；
[0103] 晶粒度(按ASTM E112平均晶粒度判定方法)：热处理工艺为:1030℃X30min油冷至室温，测得晶粒度细于等于6.0级；
[0104] 非金属夹杂物：A细≤2.0；A粗≤1.5；B细≤2.0；B粗≤2.0；C细≤1.0；C粗≤1.0；D细≤2.0；D粗≤2.0；
[0105] 超声波探伤(按SEP 1921超声波探伤检验方法)：热轧钢E/e级合格；锻制厚度≤300mm按E/e级合格；厚度＞300mm按D/d级合格；
[0106] 布氏硬度：52.5HRC。
[0107] 综上，经由实施例3工艺参数下热处理的对应成分的刃模具材料具有最优选的耐磨性及综合力学性能。
[0108] 本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。
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