一种热作模具钢及其制备方法与流程

1.本技术涉及热作模具钢技术领域，尤其是涉及一种热作模具钢及其制备方法。


背景技术：

2.热作模具钢是指制作对金属进行热变形加工的模具用的合金工具钢，使用工况恶劣，其模腔和高温金属接触时，局部温度可达600～700℃，同时，还需承受强烈的高温载荷、高温应变疲劳、冷热疲劳等作用。因此热作模具钢的高温强度不足将导致模具软化、变形、塌陷，而抗高温应变疲劳、冷热疲劳性能的不足则导致模具发生龟裂、剥落。因此，要求模具材料具有高的强度、硬度及热稳定性，特别是应有高热强性、热疲劳性、韧性和耐磨性。
3.现有国标4cr5mosiv1(美国牌号h13)模具钢，在550℃以下具有良好的强韧性配合和抗热疲劳性能，但超过600℃时强度与热稳定性急剧下降，700℃抗拉强度仅260～320mpa，高温强度的降低也导致其抗热疲劳性能的恶化，高温发生热裂倾向增大，难以满足热作模具钢高温服役工况且使用寿命短。
4.因此急需提供一种高温下强度高、热稳定性能优异且使用寿命长的热作模具钢。


技术实现要素：

5.为了解决上述至少一种技术问题，开发一种高温下强度高、热稳定性能优异且使用寿命长的热作模具钢，本技术提供一种热作模具钢及其制备方法。
6.一方面，本技术提供的一种热作模具钢，包括以下重量份数的元素，0.33％≤c≤0.38％，0.12％≤si≤0.4％，0.7％≤mn≤0.9％，p≤0.015％，s≤0.002％，4.8％≤cr≤5.1％，2.42％≤mo≤2.65％，0.55％≤v≤0.68％，15ppm≤b≤22ppm，h≤1.5ppm，o≤20ppm，n≤110ppm，余量为fe与杂质。
7.通过采用上述技术方案，本技术设计了特殊的元素成分及配比，制备的模具钢纯净度高，且能耐更高温度，高温下热稳定性能得到提高，使用寿命更高，综合性能更加优异。本技术设计mn元素，使得热作模具钢淬透性得到提高，且si元素的加入，不仅提高了淬透性，且提高了相变温度，使得热作模具钢在使用过程中，不因冷热环境的交替发生相变，进而导致体积发生变化，提高了热作模具钢的抗热疲劳能力，且si和mn元素的结合，可提高强度和冲击韧性；而cr元素和si元素共同作用下也使得热作模具钢的抗热疲劳能力得到进一步提高，且在高温下，抗氧化能力也得到增强，但随着cr元素含量的增加，塑性和韧性会降低；mo元素和v元素的加入，可细化晶粒，提高了热作模具钢的硬度，且在高温下硬度也保持在一定范围内，耐磨性能得到增强，使用寿命得到提高，但mo和v元素含量的过量加入，会形成碳化物，使晶界脆化严重，会明显降低热作模具钢的塑性和韧性；b元素含量的加入，提高了热作模具钢的淬透性和强度，但避免过量加入使得热作不锈钢脆性增强。
8.可选的，所述杂质的重量份数为，as+sn+sb+pb+bi≤0.040％，ti≤0.005％，cu≤0.08％。
9.通过采用上述技术方案，严格控制以上元素的含量，提高了钢材纯净度和冲击性
能，进而热作模具钢的使用寿命得到提高。
10.可选的，所述0.22％≤si≤0.35％，0.75％≤mn≤0.82％，2.5％≤mo≤2.6％，0.6≤v≤0.65。
11.通过采用上述技术方案，本技术设计了更加优化的si、mn、mo和v元素的含量，使得制备的热作模具钢能耐更高的温度，且在高温下，热稳定性能优异，冲击性能高，使用寿命更长。
12.可选的，所述热作模具钢的金相组织为球化状组织和带状组织；所述球化状组织为珠光体组织，所述带状组织为铁素体和碳化物。
13.通过采用上述技术方案，本技术制备的热作模具钢为球化状珠光体组织，带状组织为铁素体和碳化物，而碳化物均匀分布在铁素体基体上，提高了热作模具钢的冲击韧性和强度，使得热作模具钢的使用寿命得到提高。
14.可选的，所述热作模具钢的晶粒度为8-10.5级。
15.通过采用上述技术方案，本技术制备的热作模具钢的晶粒度热作模具钢的晶粒度为8-10.5级，晶粒越细，晶界面积越大，强度和硬度越高，同时，塑性变形也可以分散在更多的晶粒内进行，塑性和韧性也越好。
16.另一方面，本技术提供一种热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：s1：将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒；s2：将电极棒表面的氧化皮去除，进行电渣重熔处理，控制熔化速度为7.5-10kg/min，制备电渣钢锭；s3：将制备的电渣钢锭进行均质化处理，升温至1185-1210℃，保温16-20h，制备均质化电渣钢锭；s4：将均质化电渣钢锭降温至1135-1160℃时进行锻造，始锻温度为1070-1105℃，终锻温度不低于850℃，制备锻件模块；s5:将锻件模块进行退火处理，锻件模块温度不高于460℃进炉退火，以不大于85℃/h的升温速率升温至750-780℃，进行保温，再以15-30℃/h的降温速率降温至280-310℃，后空冷至室温；s6:将退火后的模块升温至1025-1085℃时，进行保温后进行分阶段降温，第一阶段：降温温度为720-780℃，保温时间为5-8h，第二阶段：降温温度为490-530℃，保温时间为4-6h，第三阶段降温温度为260-300℃，保温时间为5-10h，后空冷至室温，制备超细化模块；s7:将超细化模块进行球化退火处理，球化退火处理包括升温阶段和降温阶段，升温处理包括两个阶段：第一阶段先升温至510-530℃，保温4-6h后，第二阶段再升温至750-790℃，保温10-15h；后降温处理，降温处理包括两个阶段：第一阶段先降温至430-470℃，保温15-25h，第二阶段随炉冷却降温至300℃及以下后，空冷至室温，得到热作模具钢。
17.通过采用上述技术方案，本技术设计了特殊的工艺并优化了工艺，采用此工艺制备的热作模具钢具有高的使用温度、高温强度和热稳定性能，且淬透性得到提高，成分分布均匀，综合性能更加优异。其中，设计了电渣重熔工艺，利用电流通过熔渣产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法，制备的铸锭纯度高，非金属夹杂物少，结晶均匀致密；采用超细化处理工艺，设计了特殊的升温降温曲线，制备热作模具钢晶粒十分细小且强度高；设计了特殊的球化退火工艺，使得制备的热作模具钢，组织均匀分布，塑性和韧性得到提高，进而冲
击性能得到增强，使用寿命得到提高。
18.可选的，所述s2中电渣重熔装置的水冷系统水温不高于65℃，结晶器冷却水水温为42-48℃；所述s4中，将均质化电渣钢锭进行三镦三拔处理。
19.可选的，所述s5的保温时间为120min+r(mm)*2min/mm或120min+d(mm)/2*2min/mm，其中，r为锻件模块的半径，d为锻件模块的厚度。
20.可选的，所述s6中，升温后的保温时间为(18-35)min+r(mm)*2min/mm或(18-35)min+d(mm)/2*2min/mm，第一阶段降温速率不高于50℃/h，降温介质为水，第二阶段降温速率不高于50℃/h，降温介质为水，其中，r为锻件模块的半径，d为锻件模块的厚度；可选的，所述s7中第一阶段升温速率≤55℃/h，第二阶段升温速率≤50℃/h，第一阶段降温速率≤45℃/h。
21.通过采用上述技术方案，本技术设计了特殊的热处理工艺，限定升温和降温速率，使得制备的热作模具钢具有高的硬度、强度、高的使用温度及热稳定性能。
22.综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：1.本技术设计特殊的热作模具钢的元素成分及配比，制备的热作模具钢非金属夹杂物含量极低，具有高的抗热疲劳性能和高的热稳定性能，且使用寿命长，综合性能优异；2.本技术设计特殊的制备工艺，制备的热作模具钢，成分分布均匀，综合性能更加优异，其中，设计了电渣重熔工艺，制备的铸锭纯度高，非金属夹杂物少，结晶均匀致密；采用超细化处理工艺，设计了特殊的升温降温曲线，制备热作模具钢晶粒十分细小且强度高；设计了特殊的球化退火工艺，使得制备的热作模具钢，组织均匀分布，塑性和韧性得到提高，进而冲击性能得到增强，使用寿命得到提高；3.本技术的制备工艺相比传统工艺，制备的热作模具钢淬透性能得到提高，可直接进行热处理工艺后，再进行形状开孔，生产成本显著降低。
附图说明
23.图1为实施例3的带状组织50倍显微组织示意图；图2为实施例3的球化状组织500倍显微组织示意图。
具体实施方式
24.以下结合附图和实施例对本技术作进一步详细说明。
25.本技术设计了本技术提供的一种热作模具钢，包括以下重量份数的元素，0.33％≤c≤0.38％，0.12％≤si≤0.4％，0.7％≤mn≤0.9％，p≤0.015％，s≤0.002％，4.8％≤cr≤5.1％，2.42％≤mo≤2.65％，0.55％≤v≤0.68％，15ppm≤b≤22ppm，h≤1.5ppm，o≤20ppm，n≤110ppm，余量为fe。
26.本技术设计了一种热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：s1：将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒；s2：将电极棒表面的氧化皮去除，进行电渣重熔处理，控制熔化速度为7.5-10kg/min，制备电渣钢锭；s3：将制备的电渣钢锭进行均质化处理，升温至1185-1210℃，保温16-20h，制备均质化电渣钢锭；
s4：将均质化电渣钢锭降温至1135-1160℃时进行锻造，始锻温度为1070-1105℃，终锻温度不低于850℃，制备锻件模块；s5:将锻件模块进行退火处理，锻件模块温度不高于460℃进炉退火，以不大于85℃/h的升温速率升温至750-780℃，进行保温，再以15-30℃/h的降温速率降温至280-310℃，后空冷至室温；s6:将退火后的模块升温至1025-1085℃时，进行保温后进行分阶段降温，第一阶段：降温温度为720-780℃，保温时间为5-8h，第二阶段：降温温度为490-530℃，保温时间为4-6h，第三阶段降温温度为260-300℃，保温时间为5-10h，后空冷至室温，制备超细化模块；s7:将超细化模块进行球化退火处理，球化退火处理包括升温阶段和降温阶段，升温处理包括两个阶段：第一阶段先升温至510-530℃，保温4-6h后，第二阶段再升温至750-790℃，保温10-15h；后降温处理，降温处理包括两个阶段：第一阶段先降温至430-470℃，保温15-25h，第二阶段随炉冷却降温至300℃及以下后，空冷至室温，得到热作模具钢。
27.在上述技术方案中，可选的，所述0.22％≤si≤0.35％，0.75％≤mn≤0.82％，2.5％≤mo≤2.6％，0.6≤v≤0.65。
28.目前，热作模具钢使用工况恶劣，其模腔和高温金属接触，局部温度可达600～700℃，且还承受强烈高温载荷、高温应变疲劳、冷热疲劳等作用。高温强度不足将导致模具发生软化、变形、塌陷，而抗高温应变疲劳、冷热疲劳性能的不足则导致模具发生龟裂、剥落。因此要求模具材料具有高的强度、硬度及热稳定性，特别是应有高热强性、热疲劳性、韧性和耐磨性。
29.但现有国标4cr5mosiv1(美国牌号h13)模具钢，在550℃以下具有良好的强韧性配合和抗热疲劳性能，但超过600℃时强度与热稳定性急剧下降，700℃抗拉强度仅260～320mpa，高温强度的降低也导致其抗热疲劳性能的恶化，高温发生热裂倾向增大，难以满足热作模具钢高温服役工况且使用寿命短。
30.本技术发明人针对以上问题，设计了特定的元素成分及配比，使得制备的热作模具钢成分分布均匀，非金属夹杂物含量极低，具有极高的淬透性能，因而强度高，耐磨性能、热稳定性能优异。
31.本技术还设计了热作模具钢的制备工艺，设计了特定的工艺及对应的温度曲线，制备的热作模具钢具有高的使用温度、高温强度和热稳定性能，且淬透性得到提高，成分分布均匀，综合性能更加优异。其中，设计了电渣重熔工艺，利用电流通过熔渣产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法，制备的铸锭纯度高，非金属夹杂物少，结晶均匀致密；采用超细化处理工艺，设计了特殊的升温降温曲线，制备热作模具钢晶粒十分细小且强度高；设计了特殊的球化退火工艺，使得制备的热作模具钢，组织均匀分布，塑性和韧性得到提高，进而冲击性能得到增强，使用寿命得到提高。具体实施例
32.检测项目及检测方法：非金属夹杂物含量的测定：根据《gb/t10516-2005钢中的非金属夹杂物含量的测定方法》进行检测；室温性能检测：根据《gb/t228.1-2021拉伸试验第1部分：室温试验方法》检测热作
模具钢的延伸率(a)、断面收缩率(z)、抗拉强度rm、规定塑性延伸强度r
p
；硬度：依据《gb/t230.1金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》来检测热作模具钢的硬度；冲击试验：根据《gb/t229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》检测热作模具钢的冲击韧性；高温强度测试：采用《gb/t4338-2006金属材料高温拉伸试验方法》检测热作模具钢在700℃温度下的抗拉强度和规定塑性延伸强度；高温应变疲劳寿命测试：采用《gb/t15248-2002金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》在mts new810电子液压伺服疲劳试验机上进行疲劳寿命测试；热稳定试验：检测热作模具钢在不同温度下保温4h后的洛氏硬度(hrc)；晶粒度：根据《gb/t金属平均晶粒度测定方法》检测热作模具钢的晶粒度；金相显微镜：10xb-pc，上海光学仪器一厂；4cr5mosiv1(h13)：根据《gb/t1299-2014工模具钢》可得退火交货状态的钢材硬度≤229hbw，元素成分及配比为：c：0.35-0.42，si：0.8-1.2，mn：0.2-0.5，cr：4.75-5.5，mo：1.1-1.75，v：0.8-1.2；实施例1-6实施例1-6各元素组分配比见表1。
33.表1实施例1-6各元素组分配比6各元素组分配比其中，as+sn+sb+pb+bi≤0.040％，ti≤0.005％，cu≤0.08％，余量为fe。
34.实施例1一种热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：s1：将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒；
s2：将电极棒表面的氧化皮去除，进行电渣重熔处理，控制熔化速度为7.5kg/min，电渣重熔装置的水冷系统水温为65℃，结晶器冷却水水温为46℃，制备电渣钢锭；s3：将制备的电渣钢锭进行均质化处理，升温至1195-1200℃，保温20h，制备均质化电渣钢锭；s4：将均质化电渣钢锭降温至1135-1140℃时进行锻造，始锻温度为1080-1085℃，终锻温度为850℃，锻件模块半径50mm，长度120mm，制备锻件模块；s5:将锻件模块进行退火处理，锻件模块温度为50℃进炉退火，以80℃/h的升温速率升温至750-755℃，进行保温220min，再以18℃/h的降温速率降温至290-295℃，后空冷至室温；s6:将退火后的模块升温至1025-1030℃时，保温118min后，进行分阶段降温，第一阶段：以50℃/h的降温速率，水冷降温至730-735℃，保温时间为5h，第二阶段：以50℃/h的降温速率，水冷降温至500-505℃，保温时间为4h，第三阶段降温温度为270-275℃，保温时间为7h，后空冷至室温，制备超细化模块；s7:将超细化模块进行球化退火处理，球化退火处理包括升温阶段和降温阶段，升温处理包括两个阶段：第一阶段以55℃/h的升温速率先升温至510-515℃，保温4h后，第二阶段以50℃/h的升温速率再升温至760-765℃，保温15h；后降温处理降温处理包括两个阶段：第一阶段以45℃/h的降温速率先降温至440-445℃，保温25h，第二阶段随炉冷却降温至300℃后，空冷至室温，得到热作模具钢。
35.实施例2一种热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：s1：将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒；s2：将电极棒表面的氧化皮去除，进行电渣重熔处理，控制熔化速度为8kg/min，电渣重熔装置的水冷系统水温为50℃，结晶器冷却水水温为42℃，制备电渣钢锭；s3：将制备的电渣钢锭进行均质化处理，升温至1185-1190℃，保温18h，制备均质化电渣钢锭；s4：将均质化电渣钢锭降温至1145-1150℃时进行锻造，始锻温度为1070-1075℃，终锻温度为950℃，锻件模块半径50mm，长度120mm，制备锻件模块；s5:将锻件模块进行退火处理，锻件模块温度为200℃进炉退火，以85℃/h的升温速率升温至755-760℃，进行保温240min，再以20℃/h的降温速率降温至300-305℃，后空冷至室温；s6:将退火后的模块升温至1030-1035℃时，保温135min后，进行分阶段降温，第一阶段：以40℃/h的降温速率，水冷降温至720-725℃，保温时间为8h，第二阶段：以45℃/h的降温速率，水冷降温至510-515℃，保温时间为5h，第三阶段降温温度为280-285℃，保温时间为6h，后空冷至室温，制备超细化模块；s7:将超细化模块进行球化退火处理，球化退火处理包括升温阶段和降温阶段，升温处理包括两个阶段：第一阶段以45℃/h的升温速率先升温至515-520℃，保温5h后，第二阶段以42℃/h的升温速率再升温至750-755℃，保温10h；后降温处理，降温处理包括两个阶段：第一阶段以40℃/h的降温速率先降温至450-455℃，保温20h，第二阶段随炉冷却降温至250℃后，空冷至室温，得到热作模具钢。
36.实施例3
一种热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：s1：将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒；s2：将电极棒表面的氧化皮去除，进行电渣重熔处理，控制熔化速度为10kg/min，电渣重熔装置的水冷系统水温为45℃，结晶器冷却水水温为48℃，制备电渣钢锭；s3：将制备的电渣钢锭进行均质化处理，升温至1190-1195℃，保温16h，制备均质化电渣钢锭；s4：将均质化电渣钢锭降温至1155-1160℃时进行锻造，始锻温度为1090-1095℃，终锻温度为1000℃，制备锻件模块，锻件模块半径50mm，长度120mm；s5:将锻件模块进行退火处理，锻件模块温度为300℃进炉退火，以75℃/h的升温速率升温至775-780℃，进行保温220min，再以26℃/h的降温速率降温至295-300℃，后空冷至室温；s6:将退火后的模块升温至1040-1045℃时，保温120min后，进行分阶段降温，第一阶段：以44℃/h的降温速率，水冷降温至775-780℃，保温时间为6h，第二阶段：以35℃/h的降温速率，水冷降温至520-525℃，保温时间为5h，第三阶段降温温度为295-300℃，保温时间为5h，后空冷至室温，制备超细化模块；s7:将超细化模块进行球化退火处理，球化退火处理包括升温阶段和降温阶段，升温处理包括两个阶段：第一阶段以35℃/h的升温速率先升温至525-530℃，保温6h后，第二阶段以32℃/h的升温速率再升温至760-765℃，保温12h；后降温处理，降温处理包括两个阶段：第一阶段以30℃/h的降温速率先降温至460-465℃，保温23h，第二阶段随炉冷却降温至200℃后，空冷至室温，得到热作模具钢。
37.实施例4一种热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：s1：将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒；s2：将电极棒表面的氧化皮去除，进行电渣重熔处理，控制熔化速度为9kg/min，电渣重熔装置的水冷系统水温为35℃，结晶器冷却水水温为46℃，制备电渣钢锭；s3：将制备的电渣钢锭进行均质化处理，升温至1200-1205℃，保温17h，制备均质化电渣钢锭；s4：将均质化电渣钢锭降温至1140-1145℃时进行锻造，始锻温度为1100-1105℃，终锻温度为1050℃，制备锻件模块，锻件模块半径50mm，长度120mm；s5:将锻件模块进行退火处理，锻件模块温度为350℃进炉退火，以65℃/h的升温速率升温至765-770℃，进行保温240min，再以15℃/h的降温速率降温至285-290℃，后空冷至室温；s6:将退火后的模块升温至1080-1085℃时，保温138min后，进行分阶段降温，第一阶段：以34℃/h的降温速率，水冷降温至765-770℃，保温时间为7h，第二阶段：以30℃/h的降温速率，水冷降温至500-505℃，保温时间为5.5h，第三阶段降温温度为285-290℃，保温时间为10h，后空冷至室温，制备超细化模块；s7:将超细化模块进行球化退火处理，球化退火处理包括升温阶段和降温阶段，升温处理包括两个阶段：第一阶段以38℃/h的升温速率先升温至515-520℃，保温4.5h后，第二阶段以46℃/h的升温速率再升温至785-790℃，保温15h；后降温处理，降温处理包括两个阶段：第一阶段以28℃/h的降温速率先降温至440-445℃，保温21h，第二阶段随炉冷却降温至180℃后，空冷至室温，得到热作模具钢。
38.实施例5一种热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：s1：将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒；s2：将电极棒表面的氧化皮去除，进行电渣重熔处理，控制熔化速度为8.5kg/min，电渣重熔装置的水冷系统水温为48℃，结晶器冷却水水温为43℃，制备电渣钢锭；s3：将制备的电渣钢锭进行均质化处理，升温至1205-1210℃，保温19h，制备均质化电渣钢锭；s4：将均质化电渣钢锭降温至1145-1150℃时进行锻造，始锻温度为1085-1090℃，终锻温度为1020℃，制备锻件模块，锻件模块半径50mm，长度120mm；s5:将锻件模块进行退火处理，锻件模块温度为420℃进炉退火，以46℃/h的升温速率升温至770-775℃，进行保温220min，再以30℃/h的降温速率降温至280-285℃，后空冷至室温；s6:将退火后的模块升温至1060-1065℃时，保温145min后，进行分阶段降温，第一阶段：以28℃/h的降温速率，水冷降温至775-780℃，保温时间为7h，第二阶段：以25℃/h的降温速率，水冷降温至490-495℃，保温时间为4h，第三阶段降温温度为270-275℃，保温时间为6h，后空冷至室温，制备超细化模块；s7:将超细化模块进行球化退火处理，球化退火处理包括升温阶段和降温阶段，升温处理包括两个阶段：第一阶段以28℃/h的升温速率先升温至515-520℃，保温5.5h后，第二阶段以26℃/h的升温速率再升温至770-775℃，保温14h；后降温处理，降温处理包括两个阶段：第一阶段以24℃/h的降温速率先降温至430-435℃，保温15h，第二阶段随炉冷却降温至150℃后，空冷至室温，得到热作模具钢。
39.实施例6一种热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：s1：将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒；s2：将电极棒表面的氧化皮去除，进行电渣重熔处理，控制熔化速度为8kg/min，电渣重熔装置的水冷系统水温为25℃，结晶器冷却水水温为43℃，制备电渣钢锭；s3：将制备的电渣钢锭进行均质化处理，升温至1200-1205℃，保温17h，制备均质化电渣钢锭；s4：将均质化电渣钢锭降温至1145-1150℃时进行锻造，始锻温度为1095-1100℃，终锻温度为1050℃，制备锻件模块，锻件模块半径50mm，长度120mm；s5:将锻件模块进行退火处理，锻件模块温度为460℃进炉退火，以55℃/h的升温速率升温至770-775℃，进行保温240min，再以30℃/h的降温速率降温至305-310℃，后空冷至室温；s6:将退火后的模块升温至1040-1045℃时，保温155min后，进行分阶段降温，第一阶段：以20℃/h的降温速率，水冷降温至755-760℃，保温时间为7h，第二阶段：以20℃/h的降温速率，水冷降温至525-530℃，保温时间为6h，第三阶段降温温度为260-265℃，保温时间为6h，后空冷至室温，制备超细化模块；s7:将超细化模块进行球化退火处理，球化退火处理包括升温阶段和降温阶段，升温处理包括两个阶段：第一阶段以20℃/h的升温速率先升温至520-525℃，保温5.5h后，第二阶段以18℃/h的升温速率再升温至755-760℃，保温12h；后降温处理，降温处理包括两个阶段：第一阶段以20℃/h的降温速率先降温至465-470℃，保温15h，第二阶段随炉冷却降温
至100℃后，空冷至室温，得到热作模具钢。
40.对比例1以实施例1为基础，除si元素的含量为0.8％外，其余组分及制备方法皆与实施例一致。
41.对比例2以实施例1为基础，除mn元素的含量为0.5％外，其余组分及制备方法皆与实施例1一致。
42.对比例3以实施例1为基础，除mo元素的含量为2.2％外，其余组分及制备方法皆与实施例1一致。
43.对比例4以实施例1为基础，除v元素的含量为0.8％外，其余组分及制备方法皆与实施例1一致。
44.对比例5将4cr5mosiv1(h13)进行热处理：790℃预热，在1000℃下加热，保温10min后空冷；再加热550℃回火。
45.对比例6以实施例1为基础，除b元素含量为0外，其余组分及制备方法皆与实施例1一致。
46.将实施例1-6及对比例1-6制备的热作模具钢进行相关性能检测，检测结果见下表2-7。
47.表2非金属夹杂物含量
表3室温下性能测试
表4热作模具钢700℃下高温强度测试项目抗拉强度/mpa规定塑性延伸强度/mpa实施例1750531实施例2743534实施例3758548实施例4746540实施例5741531实施例6752542对比例1315256对比例2218213对比例3225206对比例4286243对比例5298256对比例6235226表5不同温度下4h后热作模具钢的硬度(hrc)表5不同温度下4h后热作模具钢的硬度(hrc)
表6高温应变疲劳寿命测试表7热作模具钢的金相组织晶粒度表7热作模具钢的金相组织晶粒度由实施例1-6、对比例1-6及表2-7可知，本技术制备的热作模具钢室温下综合性能
优异，高温下性能测试优异，热稳定性、抗热疲劳性能高，使用寿命长，可达52889模次，综合性能优异，远高于牌号h13的综合性能，适用范围更广；且经非金属夹杂物检测，洁净度满足要求，部分指标低于北美压铸协会标准，洁净度高。
48.本技术制备的热作模具钢的金相组织为球化状组织和带状组织，其中球化状组织为珠光体组织，为as1-as4级，而北美压铸协会标准中指标为as1-as9级，本技术是优于北美压铸协会标准的；其中带状组织为铁素体和碳化物，带状组织指标为sb1-sb3；晶粒度8-10.5级，晶粒细，强度和硬度高，同时塑性和韧性好，综合性能优异，使用寿命长。
49.其中图1为实施例3的带状组织50倍显微组织示意图，图2为实施例3的球化状组织500倍显微组织示意图。
50.由对比例1、实施例1及表2-7可知，si元素含量高于取值范围时，制备的热作模具钢晶粒粗大，室温下强度较高，但冲击韧性低，高温性能测试差，使用寿命极低。
51.由对比例2、实施例1及表2-7可知，mn元素含量低于取值范围时，制备的热作模具钢晶粒粗大，强度极低，使用寿命短，综合性能极差，远低于本技术实施例1-6制备的热作模具钢的强度和使用寿命。
52.由对比例3、实施例1及表2-7可知，mo元素的含量低于取值范围时，制备的热作模具钢，强度极低，使用寿命短，综合性能极差，远低于本技术实施例1-6制备的热作模具钢的强度和使用寿命。
53.由对比例4、实施例1及表2-7可知，v元素含量高于取值范围值时，强度和使用寿命均显著下降，申请人推测是v元素含量过高，形成了连续的网状碳化物，割裂基体，使得晶界严重脆化，导致韧性和抗热疲劳性能严重降低，严重影响了热作模具钢的使用。
54.由对比例5、实施例1及表2-7可知，对比例6-h13热处理工艺制备的热作模具钢的性能指标综合性能远低于本技术对应的工艺制备的热作模具钢。
55.由对比例6、实施例1及表2-7可知，不添加b元素，制备的热作模具钢强度及韧性均远低于本技术实施例1-6制备的热作模具钢的性能，强度和使用寿命均显著下降，严重影响了热作模具钢的使用。
56.实施例7-29实施例7-12以实施例2为基础，除si元素含量不同外，其余组分及制备方法均与实施例2一致；实施例13-17以实施例9为基础，除mn元素含量不同外，其余组分及制备方法均与实施例10一致；实施例18-23以实施例15为基础，除mo元素含量不同外，其余组分及制备方法均与实施例15一致。
57.实施例24-29以实施例20为基础，除v元素含量不同外，其余组分及制备方法均与实施例20一致，具体元素含量见表8。
58.表8实施例7-29元素含量组分实施例7实施例8实施例9实施例10实施例11实施例12
si/％0.220.250.280.310.330.35组分实施例13实施例14实施例15实施例16实施例17/mn/％0.750.770.790.80.82/组分实施例18实施例19实施例20实施例21实施例22实施例23mo/％2.52.522.542.562.582.6组分实施例24实施例25实施例26实施例27实施例28实施例29v/％0.60.610.620.630.640.65将实施例7-29制备的热作模具钢进行高温强度、热稳定和高温应变疲劳寿命测试，测试结果见表9-11表9实施例7-29热作模具钢700℃下高温强度测试
表10实施例7-29不同温度下4h后热作模具钢的硬度(hrc)
表11实施例7-29高温应变疲劳寿命测试
由实施例7-12及表9-11可知，随着si元素含量的增加，虽强度逐渐增大，但韧性显著降低，综合性能随着si元素含量的增加现增加后降低，最大使用寿命可达53863模次。
59.由实施例13-17及表11-13可知，随着mn元素含量的增加，硬度逐渐增大，但抗拉强度、规定塑性延伸强度和使用寿命均先增大后降低，最大使用寿命可达55295模次。
60.由实施例18-23及表11-13可知，随着mo元素含量的增加，硬度、抗拉强度、规定塑性延伸强度和使用寿命均先增大后降低，最大使用寿命可达56694模次。
61.由实施例24-29及表11-13可知，随着v元素含量的增加，硬度、抗拉强度、规定塑性
延伸强度和使用寿命均先增大后降低，最大使用寿命可达58172模次。
62.以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种热作模具钢，其特征在于，包括以下重量份数的元素，0.33%≤c≤0.38%，0.12%≤si≤0.4%，0.7%≤mn≤0.9%，p≤0.015%，s≤0.002%，4.8%≤cr≤5.1%，2.42%≤mo≤2.65%，0.55%≤v≤0.68%，15ppm≤b≤22ppm，h≤1.5ppm，o≤20ppm，n≤110ppm，余量为fe与杂质。2.根据权利要求1所述的一种热作模具钢，其特征在于，所述杂质的重量份数为，as+sn+sb+pb+bi≤0.040% ，ti≤0.005% ，cu≤0.08%。3.根据权利要求1所述的一种热作模具钢，其特征在于，所述0.22%≤si≤0.35%，0.75%≤mn≤0.82%，2.5%≤mo≤2.6%，0.6≤v≤0.65。4.根据权利要求1所述的一种热作模具钢，其特征在于，所述热作模具钢的金相组织为球化状组织和带状组织；所述球化状组织为珠光体组织，所述带状组织为铁素体和碳化物。5.根据权利要求1所述的一种热作模具钢，其特征在于，所述热作模具钢的晶粒度为8-10.5级。6.一种权利要求1所述的一种热作模具钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：将热作模具钢的原料进行电弧熔炼、炉外精炼、真空脱气、锻造为电极棒；s2：将电极棒表面的氧化皮去除，进行电渣重熔处理，控制熔化速率为7.5-10kg/min，制备电渣钢锭；s3：将制备的电渣钢锭进行均质化处理，升温至1185-1210℃，保温16-20h，制备均质化电渣钢锭；s4：将均质化电渣钢锭降温至1135-1160℃时进行锻造，始锻温度为1070-1105℃，终锻温度不低于850℃，制备锻件模块；s5:将锻件模块进行退火处理，锻件模块温度不高于460℃进炉退火，以不大于85℃/h的升温速率升温至750-780℃，进行保温，再以15-30℃/h的降温速率降温至280-310℃，后空冷至室温；s6:将退火后的模块升温至1025-1085℃时，进行保温后进行分阶段降温，第一阶段：降温温度为720-780℃，保温时间为5-8h，第二阶段：降温温度为490-530℃，保温时间为4-6h，第三阶段降温温度为260-300℃，保温时间为5-10h，后空冷至室温，制备超细化模块；s7:将超细化模块进行球化退火处理，球化退火处理包括升温阶段和降温阶段，升温处理包括两个阶段：第一阶段先升温至510-530℃，保温4-6h后，第二阶段再升温至750-790℃，保温10-15h；后降温处理，降温处理包括两个阶段：第一阶段先降温至430-470℃，保温15-25h，第二阶段随炉冷却降温至300℃及以下后，空冷至室温，得到热作模具钢。7.一种权利要求6所述的一种热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述s2中电渣重熔装置的水冷系统水温不高于65℃，结晶器冷却水水温为42-48℃；所述s4中，将均质化电渣钢锭进行三镦三拔处理。8.一种权利要求6所述的一种热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述s5的保温时间为120min+ r（mm）*2min/mm或120min+d（mm）/2*2min/mm，其中，r为锻件模块的半径，d为锻件模块的厚度。9.一种权利要求6所述的一种热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述s6中，升温后的保温时间为（18-35）min+r（mm）*2min/mm或（18-35）min+d（mm）/2*2min/mm，第一阶段降温速率不高于50℃/h，降温介质为水，第二阶段降温速率不高于50℃/h，降温介质为水，其中，
r为锻件模块的半径，d为锻件模块的厚度。10.一种权利要求6所述的一种热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述s7中第一阶段升温速率≤55℃/h，第二阶段升温速率≤50℃/h，第一阶段降温速率≤45℃/h。

技术总结
本申请公开了一种热作模具钢及其制备方法，包括以下重量份数的元素，0.33%≤C≤0.38%，0.12%≤Si≤0.4%，0.7%≤Mn≤0.9%，P≤0.015%，S≤0.002%，4.8%≤Cr≤5.1%，2.42%≤Mo≤2.65%，0.55%≤V≤0.68%，15ppm≤B≤22ppm，H≤1.5ppm，O≤20ppm，N≤110ppm，余量为Fe与杂质。本申请制备的热作模具钢非金属夹杂物含量极低，具有高的抗热疲劳性能和高的热稳定性能，且使用寿命长，综合性能优异。综合性能优异。综合性能优异。


技术研发人员：倪劲松 杨志斌
受保护的技术使用者：浙江通特重型锻造有限公司
技术研发日：2023.04.08
技术公布日：2023/7/7