[發明專利]含氮奧氏體型熱作模具鋼及其制備方法

有效

• 申請號: 201010291043.1
• 申請日: 2010-09-21
• 公開（公告）號: CN101942606A
• 公開（公告）日: 2011-01-12
• 發明（設計）人: 吳曉春;江浩;閔娜
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: C22C38/38
• 分類號: C22C38/38;C22C33/04;B21J5/00;C21D1/00
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發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，屬合金鋼制造技術領域。

背景技術

傳統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℃以下，即無法在高溫條件下工作。當溫度超過650℃時，馬氏體基體分解，發生回復軟化，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，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。

發明內容

本發明的目的是提供一種含氮奧氏體型熱作模具鋼。

本發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比：

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％，

N?????0.15～0.30％????Fe????余量。

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爐中，在1500～1700℃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；電流通過電渣層產生產生電阻熱，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過渣池的渣層下落至下方的水冷結晶器中，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℃，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℃，隨后進行粗鍛，終鍛溫度為950～1000℃，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℃，在950～1100℃溫度范圍內再次進行鍛造加工；

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℃；時效溫度為680～800℃，時效時間為2～8小時；最終制得含氮奧氏體型熱作模具鋼。

本發明鋼的理論依據：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、形態以及分布情況。因此，在本發明鋼中添加N元素，目的有以下幾點：

1.穩定奧氏體組織：氮原子占據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構向體心和密排六方結構馬氏體的轉變。

2.氮對韌性的作用：氮在基體中的出現，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，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，當有穩定合金化的元素時，諸如Ti、V或Nb，形成細小穩定的碳氮化物提供彌散析出強化，提高材料的強硬度。

4.氮對熱穩定性的作用：氮對材料的熱力學穩定性有顯著影響，根據化學成分、熱處理溫度以及時效時間的不同，可在含氮鋼中發現不同類型、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，提高材料的高溫穩定性。