[發明專利]一種超高熱導率耐磨熱沖壓模具鋼及其制備方法

無效

• 申請號: 201410189168.1
• 申請日: 2014-05-06
• 公開（公告）號: CN103993223A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 吳曉春;李爽;曹奇;黎欣欣;張錚;吳博雅
• 申請（專利權）人: 上海大學;上海始金新材料科技有限公司
• 主分類號: C22C38/12
• 分類號: C22C38/12;C22C38/24;C21D8/00
• 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

?本發明涉及一種超高熱導率耐磨熱沖壓模具鋼材料及其制備方法，屬于合金鋼制備工藝技術領域。

背景技術

模具鋼的質量水平往往是一個國家制造業水平的客觀衡量。按照服役條件的不同，行業內大致將模具鋼分為熱作模具鋼、冷作模具鋼和塑料模具鋼三大類。隨著現代汽車產業的迅猛發展，全世界的汽車需求量也在不斷攀升。圍繞著如何提高汽車生產的效率和成本，材料工作者們不斷改進零部件的的生產加工工藝。在之前的生產過程當中往往多采用冷沖壓成形的工藝，在獲得超高強度鋼時，冷沖壓成形工藝所需的成形力極大，往往會導致諸如模具損壞、設備震動、起皺、尺寸精度不良等問題。因此，冷沖壓成形工藝逐漸走入低谷，并被慢慢淘汰。當前，在汽車零部件的生產加工過程中，熱沖壓模具鋼占有著極大的比重，它是熱作模具鋼大類中的一種。與之前所采用的冷沖壓工藝不同，熱沖壓成形工藝則是有效利用了金屬在高溫下塑性、延展性增加，屈服強度下降這些特性，對金屬零件進行成形加工。與一般的熱作模具鋼相比，熱沖壓模具鋼的服役條件更加復雜和嚴苛。

鋼板的熱沖壓過程可以大致分為三個步驟：（1）奧氏體化、（2）快速沖壓、（3）保壓（4）淬火冷卻，值得注意的一點是：熱沖壓件是在壓機保壓狀態下通過布置有冷卻回路的模具（而不是空氣）而進行淬火冷卻的，一定要能夠保證足夠的冷卻速度。最后獲得的高強度鋼板沖壓件組織為馬氏體，強度可以達到1500MPa甚至更高。在熱沖壓過程當中，熱沖壓模具與坯料直接接觸，熾熱的金屬會使型腔表面急劇升溫，型腔表層也會產生壓應力與壓應變，這就要求模具具有高的熱強性和熱穩定性。由于在保壓過程當中對零部件的淬火是由帶有冷卻水道的模具完成的，這就要求模具要能在極短的時間內驅走型腔內的熱量，因此，對熱沖壓模具材料的導熱系數要求較高。同時，為了保證模具在服役過程中的尺寸精度，熱沖壓模具鋼的熱膨脹系數要足夠小。沖壓件在取出時，熱沖壓模具的溫度下降，相應地，型腔表面會產生拉應力和拉應變，在零件保壓、取出的交替變化過程當中，模具極易產生熱疲勞。在服役過程當中，熱沖壓模具鋼要遭受極大的沖擊載荷，因此，熱沖壓模具需要具有優良的韌性。除此之外，熱沖壓模具在服役過程當中會經常出現拉毛現象，這對熱沖壓模具的硬度又提出了較高的要求。綜合上述的分析：熱沖壓模具材料需要具有較高的熱導率、熱強度、硬度、沖擊韌性、淬透性和熱穩定性和抗冷熱疲勞性能等。

目前，我國使用的熱沖壓模具鋼采用的是國家標準GB/T1299-2000中鋼號為4Cr5MoSiV1（相當于北美標準H13鋼）。這種熱沖壓模具鋼的化學成分采用C?0.32-0.45wt%、Cr?4.75-5.50wt%、Mo?1.20-1.75?wt%、V?0.80-1.20?wt%、Si?0.80-1.2wt%、Mn?0.20-0.5wt%、P≤0.03wt%、S≤0.03wt%。目前，針對提高熱沖壓模具鋼的服役壽命，行業內有研究機構和企業提出通過提高鋼的熱導率來解決。一般認為：低的熱導率會產生高的熱應力，容易引起鋼的變形和開裂。鋼的強度越高，熱導率越低，越容易產生絕熱剪切變形。理論上，所有鋼鐵材料中熱導率最大的是純鐵，和其他的鋼鐵材料一樣，純鐵的熱導率隨溫度的增加而降低，純鐵的熱導率為71~80W/m·K。對于鋼的熱導率和成分組織的關系，尤其是它們之間的定量關系，到目前為止，研究工作還非常少，目前的工作主要集中在定性研究鋼中的某種元素對其熱導率的影響。金屬中的熱傳導是由聲子和自由電子共同作用的，自由電子引起的熱導率可通過電導率，利用Wiedemann-Franz定律獲得，聲子引起的熱導率目前無法進行實驗測量。對于那些含有較多合金元素的合金，除了聲子對自由電子的散射，還包括它的溶質原子對自由電子傳導的影響，溶質原子在自由電子運動的過程中有很大的散射作用，因此合金的導熱能力大大低于純金屬。從原子結構上分析，W、V、Mo、Cu、Mn、Ni、Cr等元素與Fe均為過渡族元素，外層電子結構排布類似，可以期待通過這些金屬的加入對鋼的熱導率有較好的影響，而C和Si的外層電子結構與Fe差異大，因此，要提高鋼的熱導率需要控制C和Si的量。同時，為了使模具鋼也能兼具高的耐磨性，常常會以向鋼中加入一些適合的合金元素以期獲得較高的耐磨損性，通常而言，使用較多的是Mo、W、V等元素，此三種元素的加入可以與鋼種的C形成復雜的碳化物。經過合適的熱處理工藝，這三種合金元素的碳化物可以彌散、均勻地分布在鋼的基體中顯著改善鋼的耐磨損性能。

本發明與現有技術的對比分析

通過輸入相關本發明內容的關鍵詞在對中外專利進行檢索發現，涉及到和本專利相關聯的熱作模具鋼及其冶金制造技術的專利號為：