一种通过加氮改进H13模具钢性能的方法

一种通过加氮改进H13模具钢性能的方法, 属于金属材料领域。本发明是对传统H13钢的化 学成分进行改进，通过加入固溶氮元素提高模具 钢的强度、硬度和耐磨性，并且不降低韧性。氮元 素采用添加氮化铭中间合金的方法加入,其他元 素采用常规方法。熔炼时为保证氮元素收得率， 减少熔炼过程的溢出和凝固时形成气泡,要严格 控制熔炼温度在熔点以上50°C之内，在合金全部 溶化后迅速浇铸。含氮H13模具钢的化学成分 百分含量如下：碳：0. 28?0. 40,硅：0. 8?1. 2, 镒：0. 2 ?0. 5,铭：4. 75 ?5. 5,钳：1. 10 ?1. 75, 钮：0. 8 ?1. 2,氮：0, 02 ?0. 08,磷 W 0. 03,硫 W0.03,余量：铁。经热处理后的锻件达到如下 性能：硬度值53?55HRC,抗拉强度1800MPa以 上，屈服强度1480MPa以上,冲击吸收功值稳定在 15?16J之间。强度、硬度高于H13钢，韧性不低 于H13钢。

1. 一种通过加氮改进H13模具钢性能的方法，其特征是H13模具钢化学成分及重量百 分含量如下：

碳：0, 28 ?0. 40,硅：0. 8 ?1. 2,镒：0. 2 ?0. 5,铭：4, 75 ?5. 50,钥：1. 10 ?1. 75, 钥：0. 8 ?1. 2 氮：0, 02 ?0. 08,磷W 0. 03,硫W 0. 03,余量：铁氮元素采用添加氮化铭中间合金的方法加入，其他元素采用常规方法；制备方法如下: 按钢中各元素所占重量比计算、准备原材料，按下列顺序依次加入真空感应熔炼炉进行熔 炼：先加入纯铁、金属钥和1/3氮化铭，抽真空并充入氮气进行保护，熔化后加入硅铁、钥铁 和1/3氮化铭，全部熔融后加入更后1/3氮化铭和易挥发的金属镒；为保证氮元素收得率, 减少熔炼过程的溢出和凝固时形成气泡，要严格控制熔炼温度在熔点以上50°C之内，在合 金全部溶化后迅速浇铸；熔炼所得铸锭进行电渣重熔、多向锻造、退火、淬火、回火，其工艺制度与常规H13模具 钢相同。一种通过加氮改进H13模具钢性能的方法技术领域

[0001]本发明属于金属材料领域，涉及一种H13模具钢，针对H13模具钢的化学成分进行改进，通过加入固溶氮原子提高H13钢强度、硬度和耐磨性。

背景技术

[0002] 含氮钢由于其高性能、低成本已经引起钢铁行业的的广泛关注[干勇，董瀚，先进 钢铁材料技术的进展，中国冶金,2004, (8) ：l-6]o氮在钢中作为固溶强化元素，不会像碳一 样导致晶间碳化物的析出，因此氮在提高钢强度的同时不会降低韧性。目前高氮钢的强度 更高可达3600MPa,预计很快达到4000MPa,而其韧性比同等强度的钢要高[M. Milititsky, et al. , Impact toughness properties of nickel-free austenitic stainless steels, Materials Science and Engineering A, 2008, (496) ：189T99]。氮作为提高 强度、奥氏体化和耐点蚀的重要化学元素，已经在不锈钢中广泛应用，如含氮0. 1%的UNS S32304 (23Cr-4Ni-0. IN)，可代替AISI304钢使用，节约贵重金属镣资源；SUS304N是在传统 304钢的成分基础上添加N元素，提高了该钢种的综合力学性能和耐蚀性[M. 0. Speidle,董 瀚，可持续发展的高氮奥氏体不锈钢，不锈,2004, (3)[0003] H13钢是使用广泛且更具代表性的铭系热作模具钢，其合金元素含量多，价格昂 贵。但目前H13钢，尤其国产H13钢耐磨性、寿命偏低，使得金属热加工产品的生产成本居高 不下。对于中等强度的建筑用铝合金金挤压产品，工模具的成本占总成本的30%左右，如将 其使用寿命提高5?10倍,则产品的成本可大幅度下降:刘静安，邵莲芬，铝合金挤压工模 具典型图册，化学工业出版社,2008]。而对于人型工业型材用工模具，由于其耐磨性、强度、 韧性的要求更高，国产模具几乎不能满足使用要求。大幅度提高模具钢的耐磨性、改善其韧 性,是提高模具使用寿命、降低产品制造成本的主要途径。热作模具钢主要在室温至600°C 之间循环服役，要求优良的高温强度、硬度和韧性，在钢中添加适量的氮可望在提高其高温 强度、硬度的同时，获得良好的韧性,从而提高模具的使用寿命。

发明内容

[0004]本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低廉的提高H13模具钢的强度、硬度并且不降低其韧性的化学成分优化方案。

[0005]一种通过加氮改进H13模具钢性能的方法，H13模具钢化学成分及重量百分含量如下：

[0006]碳；0, 28 ?0. 40,硅：0. 8 ?1. 2,镒：0. 2 ?0. 5,铭：4, 75 ?5. 50,钥：1, 10 ? 1. 75,钥：0. 8 ?1. 2 氮：0, 02 ?0. 08 ；[0007] 主要夹杂：磷W 0. 03,硫W 0. 03

[0008] 余量：铁

[0009] 氮元素采用添加氮化铭中间合金的方法加入，其他元素采用常规方法。制备方法 如下：按钢中各元素所占重量比计算、准备原材料，按下列顺序依次加入真空感应熔炼炉进 行熔炼：先加入纯铁、金属钥和1/3氮化铭，抽真空并充入氮气进行保护，熔化后加入硅铁、 钥铁和1/3氮化铭，全部熔融后加入更后1/3氮化铭和易挥发的金属镒。为保证氮元素收 得率，减少熔炼过程的溢出和凝固时形成气泡，要严格控制熔炼温度在熔点以上5CTC之内， 在合金全部溶化后迅速浇铸。

[0010]熔炼所得铸锭进行电渣重熔、多向锻造、退火、淬火、回火，其工艺制度与常规H13模具钢相同。

[0011]本发明的优点：

[0012]1.原材料成本低廉，仅在传统H13钢成分基础上添加廉价的氮元素。

[0013]2.采用传统的熔铸、加工和热处理设备及工艺制度，无须额外的设备、工艺投入。

[0014]3.结合了含氮钢和H13模具钢两者的优点，所开发的新型含氮H13模具钢较传统H13模具钢强度高、硬度高,韧性不降低。

[0015]4.由于硬度的提高，可大幅度降低热作模具的磨损。

[0016]5.有较强的实际生产用途，可用作新型铝镁合金热挤压模和压铸模用钢。

附图说明

[0017] 图1为实施例1含氮H13钢回火试样金相图

[0018] 图2为实施例2含氮H13钢回火试样金相图

具体实施方式

[0019] 实施例1 ：采用本发明所述感应熔炼方法，熔炼加氮的H13模具钢，化学成份如下 (% )[0020]

CSiMnCrMoVPSN

0.310. 890. 304. 901.250. 920.00580. 00400.085[0021] 实施例2 :采用本发明所述感应熔炼方法，熔炼加氮的H13模具钢，化学成份如下(% )

[0022]

CSiMnCrMoVPSN

0.290. 960. 305. 031.270. 920.00500. 00490.021[0023] 对以上实施例中的铸锭进行相同工艺的电渣重熔、多向锻造及热处理。锻造 时总锻造比N 4,各工序锹粗比N 2。锻造后立即进行等温球化退火，其工艺为：(840? 890°C ) X (3h) +炉冷至(710?740°C )保温3. 5h,之后炉冷至500°C出炉空冷。退火后的 试样再经680?720°C和820?850°C分级预热，更终分别加热到1020°C、1080°C保温2h后 油淬。油淬后的试样再经560°C和540°CX次回火，回火时间为1小时。

[0024]回火后试样的金相组织如图1和图2所示,力学性能如表1所示。

[0025] 表1含氮H13钢回火试样力学性能[0026]

抗拉强度 MPa屈服强度 MPa面缩率 %伸长率 %硬度 HRC冲击功 J1020 °C淬火例11910161012.05.05415.3

+二次回火例21810148050.011.55315.1

1080 °C淬火例11870159016.05.55516.3

+二次回火例21870160034.57.05415.8