专利 ZTR61热作模具钢2 - 图文

权 利 要 求 书

1、一种热作模具钢材料，其特征在于包括如下微量元素，以重量百分数计C 0.38~0.42、Mn 0.35~0.45、Si 0.55~0.65、Cr 5.0~5.5、Mo 0.2~0.25、V 1.0~1.5、S≤0.025和P≤0.025。

2、根据权利要求1所述的冷作模具钢材料，其特征在于所述微量元素的重量百分数组成为：

3、一种制作权利要求1所述热作模具钢材料的工艺，其特征在于包括如下步骤：

①冶炼工艺:选取含碳为0.4的优质废钢1000㎏作原料进行冶炼。钢水冶炼过程中，在中频炉钢液熔化1/3时，考虑烧损率，首先放含铬65%的铬合金75㎏，75%钒合金20㎏，含钼为60%的钼合金45㎏，，充分溶化，在钢水出炉前10分钟投入含硅80%的硅合金9.5㎏，加入99.9%的镍合金5.5公斤。然后再 投入2㎏硅钙脱氧剂净化钢水。

②电渣重熔，是在铜制水冷结晶器内有熔融的炉渣，自耗电极一端插入熔渣内，在通电过程中，渣池放出焦耳热，将自耗电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用,迅速凝固形成钢锭。钢中有害元素（硫、铅、锑、铋、锡）通过钢-渣反应和高温气化比较有效地去除。 液态金属在渣池覆盖下，基本上避免了再氧化，二次熔化对合金元素的烧损不大，没有耐火材料对钢的污染。钢锭凝固前，在它的上端有金属熔池和渣池，起保温和补缩作用，保证钢锭的致密性，晶粒细化，钢锭表面光洁，且钢锭自下而上的定向结晶。由于以上原因,电渣重熔生产的钢锭的质量和性能得到改进，合金钢的塑性和冲击韧性增强，钢材使用寿命延长。 ③退火工艺:电炉加热至850℃（升温速度60-80℃/小时），保温 8个小时，随炉冷却至500～550℃，出炉空冷。

④锻造工艺:隧道窑炉加热，预热15-20小时，加热至1100℃始锻，850℃终锻，锻造比不小于3：1，碳化物3-4级。

⑤工件热处理工艺:1030-1050℃油（气）淬火，490-510℃回火3次，HRC51.5-53.1 ⑥机械性能：冲击韧性55-64Nm/c㎡,纵向断裂强度4200N/m㎡，横向断裂强度3200N/m㎡,抗压强度4500 MPa ，抗弯强度3050Mpa,。

4、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于步骤一冶炼工艺中所述的脱氧剂为硅钙合金。

说 明 书

热作模具钢材料及其制作工艺

技术领域

本发明属于金属材料及加工技术领域，特别是模具制造及使用范围，涉及热作模具钢及其制造办法。 背景技术

模具，是工业生产的基础工艺装备，在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯等产品中，60%-80%的零部都依靠模具成型，因此模具被称为“百业之母”。随着模具市场逐年的发展扩大，生产模具的材料 ---模具钢的用量也在显著增加，其中热作模具钢的消耗量约占模具钢产品的30%以上。随着模具工业的迅速发展，对热作模具的使用寿命、加工精度提出了更高要求。热作模具钢性能的好坏和使用寿命的长短，将直接影响加工产品的质量和生产的经济效益。所以世界各国都在不断的研究和开发新型热作模具材料，鉴于我国的常用热作模具如而5CrNiMo，5CrMnMo耐热性差，3Cr2W8V（H21）钢存在碳化物偏析严重，塑性、韧性、导热性、抗冷热疲劳性能和抗溶蚀性能较差等问题，现用的H13钢（4Cr5MoSiV1）新型热作模具钢， 模具前期使用时开裂性倾向大，模具修复率低。 而进口材料造价偏高等问题，中天公司经过反复研究和试验，终于研发出新的钢种ZTR61，它的热稳定性好，抗热疲劳性能高、耐磨损、淬透性好、变形小，再加上真空热处理和表面强化处理后的模具，寿命大大提高，比常用的5CrNiMo，5CrMnMo提高5-8倍，比3Cr2W8V 、H13提高2-3倍，而价格与H13相当。由此可见，新型热作模具钢ZTR61的产生，势必推进模具行业的发展，引领经济适用型热作模具的市场，值得大力推广应用 发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种热作模具钢材料及其制作工艺，使制备的热作模具钢材料，具有良好的淬透性，抗热疲劳性、回火稳定性，较高的耐磨性及良好的加工性，能提高工效，降低生产使用成本，减少或避免热作模具早期开裂，延长模具使用寿命。

本项目研制一种新型耐热耐磨热作模具钢ZTR61, 主要内容：①、ZTR61具有良好的科学元素配比C 0.38~0.42、Mn 0.35~0.45、Si 0.55~0.65、Cr 5.0~5.5、Mo 0.2~0.25、V 1.0~1.5、S≤0.025和P≤0.025。②、有效改善了常用热作模具钢如5CrNiMo、5CrNnMo、3Cr2W8V 、H13等易破碎、耐磨性差、抗热疲劳性差、寿命短等不够理想的问题，用ZTR61制造的模具通过真空热处理及表面强化处理和模具时效等办法，使模具寿命有了大幅度提高，比3Cr2W8V 、H13可提高1.5-3倍，比5CrNnMo 、5CrNiMo可提高5-10倍。③耐热温度可达680-750℃，比常用模具钢H13、3Cr2W8V的耐热温度要高50℃左右。

本发明热作模具钢材料，其特征在于包括如下微量元素，以重量百分数计：C 0.38~0.42、Mn 0.35~0.45、Si 0.55~0.65、Cr 5.0~5.5、Mo 0.2~0.25、V 1.0~1.5、S≤0.025和P≤0.025。 公差范围（±0.05）。述各微量元素的量是在该优选含量的基础上所允许的

硅在钢中的作用:提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比,这是一般弹簧钢。耐腐蚀性。硅的质量分数为15%一20%的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。一般合金钢中的Si含量不会高于3.5%，更多时（4.8～6.5%）将使钢具有很高的脆性。因此本发明中Si的含量取为0.55~0.65%，既发挥了Si的作用，又避免钢易变脆。

锰在钢中的作用：锰提高钢的淬透性。锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。锰对钢的高温瞬时强度有所提高。含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感，在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：当锰的质量分数超过1%时，会使钢的焊接性能变坏，锰会使钢的耐锈蚀性能降低，本发明Mn的含量选择0.35~0.45%减小了钢的过热敏感性（粗晶回火脆性，避免形成带状和纤维组织 。

铬在钢中的作用：铬可提高钢的强度和硬度。铬可提高钢的高温机械性能。使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性，阻止石墨化，提高淬透性。铬是显著提高钢的脆性转变温度，铬能促进钢的回火脆性。当Cr量继续增加，约在25～60%特别是45～48%区域，当温度低于950℃时（多在820℃）慢冷，将会析出一种无磁性脆性组分——σ相。这些在进行二次加热后将会游离析出，致使得在固溶体中产生巨大体积改变造成颇大应力，故极脆。但在950℃以下急冷时，σ相可由于固溶体内不析出，影响则较小。δ相问题：有人指出，当Cr和C含量搭配时，特别在含左右时，将极易生成游离态的铁素体即δ相，它将使钢的工艺性能和耐热性降低，所以本发明注意将Cr控制在 5.0~5.5 可使δ相量减少。

钼在钢中的作用：钼对铁素体有固溶强化作用。提高钢热强性，抗氢侵蚀的作用。提高钢 的淬透性。缺点：钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。 故此取钼在 0.2~0.25是最为合理的。

钒在钢中的作用： 钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。 能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。本发明采用的饭的含量是1.0~1.5。 上述冷作模具钢材料的制作工艺，包括如下步骤：

①冶炼工艺:选取含碳为0.4的优质废钢1000㎏作原料进行冶炼。钢水冶炼过程中，在中频炉钢液熔化1/3时，考虑烧损率，首先放含铬65%的铬合金75㎏，75%钒合金20㎏，含钼为60%的钼合金45㎏，，充分溶化，在钢水出炉前10分钟投入含硅80%的硅合金9.5㎏，加入99.9%的镍合金5.5公斤。然后再 投入2㎏硅钙脱氧剂净化钢水。

②电渣重熔，是在铜制水冷结晶器内有熔融的炉渣，自耗电极一端插入熔渣内，在通电过程中，渣池放出焦耳热，将自耗电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用,迅速凝固形成钢锭。钢中有害元素（硫、铅、锑、铋、锡）通过钢-渣反应和高温气化比较有效地去除。 液态金属在渣池覆盖下，基本上避免了再氧化，二次熔化对合金元素的烧损不大，没有耐火材料对钢的污染。钢锭凝固前，在它的上端有金属熔池和渣池，起保温和补缩作用，保证钢锭的致密性，晶粒细化，钢锭表面光洁，且钢锭自下而上的定向结晶。由于以上原因,电渣重熔生产的钢锭的质量和性能得到改进，合金钢的塑性和冲击韧性增强，钢材使用寿命延长。 ③退火工艺:电炉加热至850℃（升温速度60-80℃/小时），保温 8个小时，随炉冷却至500～550℃，出炉空冷。

④锻造工艺:隧道窑炉加热，预热15-20小时，加热至1100℃始锻，850℃终锻，锻造比不小于3：1，碳化物3-4级。

⑤工件热处理工艺:1030-1050℃油（气）淬火，490-510℃回火3次，HRC51.5-53.1 ⑥机械性能：冲击韧性55-64Nm/c㎡,纵向断裂强度4200N/m㎡，横向断裂强度3200N/m㎡,抗压强度4500 MPa ，抗弯强度3050Mpa,。

本发明所用的微量元素的合金，合金的重量百分比最好分别为：铬合金的铬为65%，钼合金的钼为60%，锰合金的锰为65%，钒合金的钒为70%，硅合金的硅为75%。脱氧剂为硅70%钙26%合金（重量百分数）。

本发明的优点：

工艺过程简单，操作易控制，采用合金化和变质处理，模具钢有良好的淬透性，抗回火稳定性，较高的耐磨性及良好的加工性，能提高工效，降低生产使用成本，减少或避免模具崩脆开裂，使用寿命长，性价比高，适用广泛。 附图说明

图1为本发明热作模具钢、 硬度与淬火温度关系曲线图； 图2为本发明热作模具钢与 钢材料的性能比较曲线图； 图3为本发明热作模具钢与 材料的使用寿命比较图； 图4为 淬火后金相图； 图5为 淬火后金相图；

图6为本发明热作模具钢淬火后金相图。 具体实施方式

以重量百分数计，模具钢材料组成为：

C123456

Si0.550.580.60.620.640.65Mn0.350.380.40.420.440.45SPCr5.15.25.35.45.5Mo0.20.210.220.230.240.25V11.11.21.31.41.5Ni0.380.390.40.410.420.42≤0.025≤0.0255.0≤0.025≤0.025≤0.025≤0.025≤0.025≤0.025≤0.025≤0.025≤0.025≤0.025 ①冶炼工艺:选取含碳为0.4的优质废钢1000㎏作原料进行冶炼。钢水冶炼过程中，在中频炉钢液熔化1/3时，炉温1350-1450℃，考虑烧损率，首先放含铬65%的铬合金120㎏，，含钼为60%的钼合金10.5㎏，充分溶化，1550℃恒温、镇静，在钢水出炉前10分钟投入含硅75%的硅合金8.5㎏，含锰70%合金锰铁合金6.5Kg,含钒75%钒合金7㎏,然后再投入2㎏硅钙合金脱氧剂(Ca26% Si70%)净化钢水 。按表中数据依次试样。

②钢水铸造成钢锭：钢锭模预热200℃-300℃，先慢后快再慢的注速注入钢水，300℃-500℃保温40分钟—90分钟后脱模，钢锭要保温缓冷（入生石灰或大粒砂坑），48小时后出坑；钢锭进行退火处理：加热850℃（升温速度60-80度/小时），保温 4-5个小时，随炉冷却，冷却速度<30℃/小时，至500～550℃，出炉空冷，去除钢锭表面缺陷；

(3)锻造工艺:隧道窑炉加热，预热15-20小时，升温60-80℃/小时，加热至1100℃并透烧完全，始锻，850℃终锻，锻造比4：1，碳化物4-5级。

(4) 型材退火工艺:电炉加热至850℃，升温速度60-80℃/小时，保温 8个小时，随炉冷却至730～750℃，再保温 6个小时，随炉冷却至500～550℃，出炉空冷，表面精整。

（5）以上得到的热作模具钢材料制作的模具工件热处理工艺:1030-1050℃油（气）淬火，190-200℃回火3次，HRC为52-55。工件毛坯锻造时，六面锻造，锻造比不小于3：1，碳化物3-4级。

（6）用以上方法制得的工件试样机械性能：冲击韧性 ？ Nm/c㎡,纵向断裂强度？ N/m㎡，横向断裂强度？ N/m㎡,抗压强度 ？ MPa ，抗弯强度3800Mpa。 图一、 为本发明的热作模具钢的淬火工艺曲线。

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