專利名稱：含氮奧氏體型熱作模具鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的含氮奧氏體型熱作模具鋼及其制備方法，屬合金鋼制造技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)熱作模具鋼均為馬氏體型鋼，這些材料雖具有高硬度與耐磨性能，但存在 一點致命缺陷，其使用溫度大多都在650°C以下，即無法在高溫條件下工作。當溫度超過 650°C時，馬氏體基體分解，發(fā)生回復軟化，導致材料失效。與馬氏體型鋼的此點不足相比 較，奧氏體型熱作模具鋼不論在常溫或是高溫工作條件下，基體始終保持單一奧氏體狀態(tài)， 可避免基體分解、回復軟化的問題。奧氏體作為基體，具有良好韌性，但硬度偏低。一般通過加入諸如Cr、Mo、V等合金 元素，使其在熱處理過程中形成穩(wěn)定、細小碳化物，依靠這些碳化物的彌散析出強化基體、 提高硬度。當在高溫條件下工作時，奧氏體鋼仍可依靠碳化物保持自身強度和硬度。
本發(fā)明的目的是提供一種含氮奧氏體型熱作模具鋼。
本發(fā)明的另一目的是提供一種含氮奧氏體型熱作模具鋼的制備方法。
本發(fā)明一種加氮奧氏體型熱作模具鋼，其特征在于具有以下的成分及重量百分
C0.3 0.7%，Si
Mn10.0 15.0%，Cr
Mo1.5 3.5%，V
P< 0.02%,S
N0.15 0.30%Fe
0. 5 2. 0 0. 5
1. 1%, 6. 0%, 2. 0%,
< 0. 005%,
余里ο
上述的稀土奧氏體型熱作模具鋼的制備方法，其特征在于具有以下的工藝過程和
發(fā)明內(nèi)容
比
步驟a.熔煉按上述配方進行配料并熔煉；將配料置于中頻感應(yīng)爐中，在1500 1700°C溫度下進行熔煉，往鋼液中先添加氮化鉻鐵，隨后添加氮化錳鐵，繼續(xù)熔煉5 10分 鐘，然后澆注鋼錠；電渣重熔將上述熔煉澆注所制鋼錠作為電渣重熔過程中的自耗電極， 進行二次精煉；電流通過電渣層產(chǎn)生產(chǎn)生電阻熱，從而熔化作為自耗電極的合金鋼，使金屬 液體以熔滴的形式經(jīng)過渣池的渣層下落至下方的水冷結(jié)晶器中，重新凝固成鋼錠；b.高溫均勻化將上述電渣重熔所制得的鋼錠加熱至1220 1250°C，并保溫8 10小時，之后空冷，以改善材料的凝固組織與成分均勻性；c.鍛造將上述高溫均勻化所制得的鋼錠加熱至1200 1230°C，隨后進行粗鍛， 終鍛溫度為950 1000°C，制備得到鍛件毛坯；d.毛坯鍛造將上述鋼鍛件毛坯再次加熱至1100 1150°C，在950 1100°C溫度范圍內(nèi)再次進行鍛造加工；e.熱處理工藝對最終鍛件先后采用固溶與時效處理兩種熱處理方法，固溶溫度 為1140 1220°C;時效溫度為680 800°C，時效時間為2 8小時；最終制得含氮奧氏體 型熱作模具鋼。本發(fā)明鋼的理論依據(jù)奧氏體型熱作模具鋼組織為單一奧氏體和析出相。奧氏體 型熱作模具鋼的性能主要取決于奧氏體晶粒的晶粒度以及鋼中析出相的大小、形態(tài)以及分 布情況。因此，在本發(fā)明鋼中添加N元素，目的有以下幾點1.穩(wěn)定奧氏體組織氮原子占據(jù)面心立方體的八面體位置，能提供較大體積。這 個位置上間隙導致的變形不改變立方對稱。氮原子半徑比碳原子小，然而氮在鐵的面心立 方體與碳相比晶格膨脹大，金屬特性強。晶格的膨脹提高了奧氏體的強度，因此氮可減緩面 心結(jié)構(gòu)向體心和密排六方結(jié)構(gòu)馬氏體的轉(zhuǎn)變。2.氮對韌性的作用氮在基體中的出現(xiàn)，給基體提供了更多的自由電子，在晶格 上的置換元素寧可形成含氮化合物，也不愿把它排斥到晶界上，因此氮的弱晶界偏析對韌 性有利；另外，氮的加入還會降低鉻在奧氏體中的擴散系數(shù)，使鉻的擴散變慢，從而減少晶 界碳化物的析出，提高材料韌性。3.氮對硬度的作用以固溶形式存在于奧氏體鋼中的氮元素，通過后續(xù)時效處理 期間有利的二次硬化使鋼具有較好的性能，當有穩(wěn)定合金化的元素時，諸如Ti、V或Nb，形 成細小穩(wěn)定的碳氮化物提供彌散析出強化，提高材料的強硬度。4.氮對熱穩(wěn)定性的作用氮對材料的熱力學穩(wěn)定性有顯著影響，根據(jù)化學成分、 熱處理溫度以及時效時間的不同，可在含氮鋼中發(fā)現(xiàn)不同類型、大小的碳氮化物，氮會使碳 氮化物的沉淀析出的時效時間變得更長，從而推遲析出相的形核。碳氮化物中的氮會減小 析出相與奧氏體基體的失配，從而降低界面能，抑制析出相的粗化，氮也可降低碳原子與碳 化物形成元素的擴散能力，推遲碳化物的過時效，提高材料的高溫穩(wěn)定性。本發(fā)明鋼中10. 0 15. 0%含量的Mn起到穩(wěn)定奧氏體組織的作用，0. 15 0. 30% 含量的N元素起到固溶強化作用，并在時效后與V結(jié)合形成二次析出相起到析出強化作用， 提高本發(fā)明鋼的強韌性。本發(fā)明熱作模具鋼經(jīng)過熱處理后，具有較高的洛氏硬度、良好的沖擊韌性以及優(yōu) 異的熱穩(wěn)定性能。
圖1為本發(fā)明鋼、H13鋼、DIEVAR鋼在700°C的熱穩(wěn)定性對比曲線圖。圖2為本發(fā)明鋼在700°C與750°C的熱穩(wěn)定性對比曲線圖。
具體實施例方式先將本發(fā)明的具體實施例敘述于后。實施例1本實施例中，采用熱作模具鋼的組成成分及其重量百分比如下C0.632 %， SiO. 901 %, Mn 14. 255 %, Cr3. 158 %, Mol. 698 %, VI. 786 %, NO. 208 %, P0. 015 %, S < 0. 001%, Fe 余量。
4
本實施例中，熱作模具鋼的工藝過程和步驟如下(1)熔煉安上述配方配料，置于中頻感應(yīng)爐中加熱，鋼液溫度達到1500 1700°C 時，先向鋼液中添加50Kg氮化鉻鐵合金，過2分鐘后再添加IOOKg氮化錳鐵合金，繼續(xù)熔煉 8分鐘左右，澆注鋼錠；(2)電渣重熔將上述鋼錠放于電渣重熔裝置中，進行二次精煉；(3)高溫均勻化將上述鋼錠加熱到1230°C，并保溫9小時，然后置于空氣中冷 卻；(4)鍛造將上述鋼錠加熱到1220°C，然后進行粗鍛，終鍛溫度為980°C，得到鋼鍛 件毛坯；(5)毛坯鍛造將上述鋼鍛件毛坯再次加熱至1140°C，在1000°C再次進行鍛造加 工；(6)熱處理工藝固溶溫度為1200°C，固溶時間為30分鐘；時效溫度為680°C，時 效時間為4小時，最終制得含氮奧氏體型熱作模具鋼。氮化鉻鐵與氮化錳鐵的化學成分如下表1所示表1固體合金氮化錳鐵和氮化鉻鐵的化學成分(wt% )
權(quán)利要求
一種含氮奧氏體型熱作模具鋼，其特征在于該鋼具有以下的化學成分及重量百分比C 0.3～0.7％，Si0.5～1.1％，Mn10.0～15.0％， Cr2.0～6.0％，Mo1.5～3.5％，V 0.5～2.0％，P ＜0.02％， S ＜0.005％，N 0.15～0.30％Fe余量。
2.一種含氮奧氏體型熱作模具鋼的制備方法，其特征在于具有以下的過程和步驟a.熔煉按照上述含氮奧氏體型熱作模具鋼的化學成分及重量百分比進行配料并熔 煉；在鋼液溫度保持在1500 1700°C時，往鋼液中先添加氮化鉻鐵，隨后添加氮化錳鐵進 行熔煉，然后澆注鋼錠；b.電渣重熔將上述熔煉澆注所制鋼錠作為電渣重熔過程中的白耗電極，進行二次精 煉；電流通過電渣層產(chǎn)生電阻熱，從而熔化作為自耗電極的合金鋼，使金屬液體以熔滴的形 式經(jīng)過渣池的渣層下落至下方的水冷結(jié)晶器中，重新凝固成鋼錠；c.高溫均勻化將上述電渣重熔所制得的鋼錠加熱至1220 1250°C，并保溫8 10 小時，之后空冷，以改善材料的凝固組織與成分均勻性；d.鍛造將上述高溫均勻化所制得的鋼錠加熱至1200 1230°C，進行粗鍛，終鍛溫度 為950 1000°C，制備得到鍛件毛坯；e.毛坯鍛造將上述鋼鍛件毛坯再次加熱至1100 1150°C，在950 IlOiTC溫度范 圍內(nèi)再次進行鍛造加工；f.熱處理工藝對上述最終鍛件先后采用固溶與時效處理兩種熱處理方法，固溶溫度 為1140 1220°C;時效溫度為680 800°C，時效時間為2 8小時，最終制得含氮奧氏體 型熱作模具鋼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含氮奧氏體型熱作模具鋼材料，屬合金鋼制造技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的熱作模具鋼的成分及重量百分比為C 0.3～0.7％，Si 0.5～1.1％，Mn 10.0～15.0％，Cr 2.0～6.0％，Mo 1.5～3.5％，V 0.5～2.0％，P＜0.02％，S＜0.005％，N0.15～0.30％，F(xiàn)e余量。本發(fā)明熱作模具鋼的制備方法是配料后熔煉、澆鑄、電渣重熔，在1220～1250℃高溫均勻化；進行粗鍛和毛坯鍛造，然后在1140～1220℃固溶處理和680～800℃時效處理。本發(fā)明的熱作模具鋼是一種高熱穩(wěn)定性、高強度、高韌性的含氮奧氏體型熱作模具鋼。
文檔編號C22C38/38GK101942606SQ20101029104
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者吳曉春, 江浩, 閔娜 申請人:上海大學