一种Cr5系列热作模具钢

摘要

本发明提供一种Cr5系列热作模具钢，所述热作模具钢以重量％计，包含C 0.40～0.48％，Si 0.20～1.2％，Mn 0.40～0.80％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr 4.80～5.50％，Ni 1.40～2.0％，Mo 0.80～1.50％，V 0.50～0.70％，W 0.50‑1.00％，Co 0～0.75％，Al 0.01～0.20％，Nb 0.02～0.20％，余量的Fe。本发明提出的新型Cr5系列热作模具钢的化学成分配方，记为YB5系列，与现有的Cr5系(H13)热作模具钢比较，YB5系列模具钢提高了碳含量，提高了Mn含量，降低了Si硅含量(YB5A、YB5C)，降低了Mo含量，降低了V含量，添加了Ni元素、添加了W元素、添加了Co元素(YB5C)、添加了Al元素(YB5A、YB5C)。从而提高了钢的韧性，提高了高温强度和抗蠕变性能等。

权利要求

1.一种合金模具的制备方法，所述合金模具为高温合金模具、叶片钢模具中的一种，其特征在于，以Cr5系列热作模具钢制造，所述热作模具钢以重量％计，包含C0.40～0.48％，Si 0.20～1.2％，Mn 0.40～0.80％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr4.80～5.50％，Ni 1.40～

2.0％，Mo 0.80～1.50％，V 0.50～0.70％，W 0.50-1.00％，Co 0～0.75％，Al0.01～

0.20％，Nb 0.02～0.20％，余量的Fe；

所述Cr5系列热作模具钢的制备方法包括步骤：电炉或转炉冶炼，LF炉精炼，真空脱气，模铸，退火，电渣重熔，缓冷，退火，锻造，正火，球化退火，扩氢，粗加，检验，粗加，调质，精加，检验；

所述合金模具的制备方法包括步骤：

S1淬火：≤650℃装炉，保持在650℃温度下等温，随炉升温至800～820℃等温，等温时间按工件的有效尺寸0.6min/mm计算，再随炉升温至1000～1020℃，保持10～12小时，油冷冷却至150～180℃出油后立即回火；

S2一次回火：≤280℃装炉，保持在280℃温度下等温4～10h，升温至570～595℃，保持

14～22h，油冷冷至表面温度100～150℃后空冷，出油空冷时，确保模具冷至室温后才能进行第二次回火；

S3二次回火：≤300℃入炉，盘件560℃保持12h，或叶片580℃保持18h，空冷至100℃以下。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热作模具钢以重量％计，包含C 

0.40～0.48％，Si 0.20～0.40％，Mn 0.40～0.80％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr 4.80～

5.50％，Ni 1.40～2.0％，Mo 0.80～1.50％，V 0.50～0.70％，W 0.50-1.00％，Al 0.06～

0.20％，Nb 0.02～0.20％，余量的Fe。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热作模具钢以重量％计，包含C0.40～0.48％，Si 0.4～1.0％，Mn 0.40～0.80％，P ≤0.020％，S≤0.010％，Cr 4.80～

5.50％，Ni 1.40～2.0％，Mo 0.80～1.50％，V 0.50～0.70％，W 0.50～1.00％，Al 0.01～

0.04％，Nb 0.02～0.20％，余量的铁。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热作模具钢以重量％计，包含C0.40～0.48％，Si 0.20～0.40％，Mn 0.40～0.80％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr 4.80～

5.50％，Ni 1.40～2.0％，Mo0.80～1.50％，V0.50～0.70％，W 0.50～1.00％，Co 0.50～

0.75.％，Al0.06～0.20％，Nb0.02～0.20％，余量的铁。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述合金模具为高温合金模具或叶片钢模具，其制备方法包括S4三次回火：≤300℃入炉，580℃温度保持1.8min/mm，空冷冷至室温进行洛氏硬度检测。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

在步骤S1中，保持在650℃温度下等温0.6min/mm，随炉升温至800～820℃保持0.6min/mm，再随炉升温至1000～1020℃保持1.0～1.2min/mm，冷却至150～180℃出油后立即回火；

在步骤S2中，盘件在570～580℃温度保持盘件15h，或叶片在585-595℃温度保持21h，油冷冷至表面温度100～150℃后空冷，出油空冷时，确保模具冷至室温后才能进行第S3的二次回火；

在步骤S3中，盘件560℃温度保持盘件12h，或叶片在580℃保持18h，空冷至100℃以下进行第三次回火；

在步骤S4中，盘件560℃温度保持10h，或叶片580℃保持16h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

在步骤S1中，保持在650℃温度下等温0.6min/mm，随炉升温至820℃保持0.6min/mm，再随炉升温至1000～1020℃保持1.0～1.2min，冷却至150～180℃出油后立即回火；

在步骤S2中，在585～595℃温度保持2.4～3.0min/mm，油冷冷至表面温度100～150℃后空冷，出油空冷时，确保模具冷至室温后进行第S3的二次回火；

在步骤S3中，580℃温度保持1.8～2.4min/mm，空冷至100℃以下进行第三次回火。

8.根据权利要求1～7任一项所述的制备方法，其特征在于，制备方法的最后一步空冷冷至室温后，进行洛氏硬度检测，对于高温合金模具的硬度要求为：表面硬度最大不能超过

52HRC，最小不能低于42HRC；对叶片钢模具的硬度要求为：表面硬度最大不能超过48HRC，最小不能低于38HRC。

9.用权利要求1～8任一所述的制备方法制得的模具。

说明书

一种Cr5系列热作模具钢

技术领域

[0001] 本发明属于铁基合金领域，具体涉及一种用于锻造模具的合金及其制备和应用。

背景技术

[0002] 模具是模锻的主要工艺装备，其寿命直接影响锻件的质量、成本和效率。锻模费用占锻件成本的30％～45％(注:因锻件批量小,故锻模成本占比大)。由于锻造高温合金模具服役条件较差，模具型腔承受很大的冲击力，较长时间处于550℃以上的高温环境，模具变形、磨损、塌角和塌陷问题比较严重。

[0003] 5CrNiMo和5CrNiMoV是当前工业上的主要模具材料(GB/T11880-89模锻锤和大型机械锻压机用模块技术条件)；GB1299-2000合金工具钢；《我国热作模具钢性能数据集》，朱宗元，机械工程材料，第25卷第12期，P12)。其中5CrNiMo模具钢热强性和耐磨性较差，模具不宜长期处于500℃以上的高温环境，譬如在4000t锻压设备上，5CrNiMo模具钢使用未见异常，但在1.8万吨和3.55万吨大锤锻设备上的模具磨损、塌角和塌陷问题则较为严重。5CrNiMoV是2013年开始推广应用的大型锤锻模具材料，5CrNiMoV模具钢热强性和耐磨性相对较好，基本能满足叶片钢锻模的需要，但模具不宜长期处于550℃以上的高温环境。

[0004] JBD275为GH4169合金直接时效获得的工艺盘件，可以大批量生产，该工艺盘件模锻时模具心部变形严重，严重影响了锻件外形尺寸和产品内在质量，对产品的高效率生产和批量稳定性均带来较大的挑战。解决模具变形问题已经成为盘件锻造生产的当务之急。

[0005] 我国锻造用模具材料品种较少，应用最多的是GB/T11880-89中的5CrNiMo、5CrNiMoV、4Cr2MoVNi(B2)；GB/T1299-2000中的H13；这些品种中依据使用硬度来衡量，高的高，低的低，缺少中间硬度的品种，GB/T11880-89中的5Cr2NiMoVSi属于硬度适中的品种，但因脆性大，易于开裂，应用不广泛。故需开发合金化和硬度处于5CrNiMo和H13中间的或高于H13的系列品种。5CrNiMo是国标模具钢产品，适用于使用硬度HRC42-47(小型)、HRC39-44(中小型)、HRC37-42(中型)的钢，《( 模具材料应用手册》，林慧国、火树鹏、马绍弥主编，机械工业出版社第二版，P14，P32)，用途形状简单，厚度250-350mm。该钢合金化较为合理,在锻造变形抗力小的低合金钢时应用效果较好。如果用于更大截面或更高温度的热锻模时,这种钢由于淬透性和淬硬性低,热稳定性差,而造成模具的使用寿命低。

[0006] H13(4Cr5MoSiV1)是世界应用最广泛的高合金热作模具钢,用途有型腔复杂、承受冲击载荷较大的锤锻模，锻造压力机上的整体模具或镶块，以及热挤模、热切边模、压铸模等，具有较高的热硬性和耐磨性(《H13模具钢的应用与发展》，李彩文，王孟君，武星星，中国材料科技与设备，2009年，第4期)。H13钢原是美国的一个钢种，在我国一般称作4Cr5MoSiV1钢。热作模具钢要求材料具有高的淬透性、高的高温强度、高的耐磨性、高的韧度、高的抗热裂能力和高的耐熔损性能等。H13钢之所以被广泛应用，是因为它具有以下特性：①具有高的淬透性和高的韧性；②优良的抗热裂能力，在工作场合可予以水冷；③具有中等的耐磨性，可采用渗碳或渗氮工艺来提高其表面硬度；④在较高温度下具有抗软化能力；⑤热处理变形小；⑥良好的切削加工性能。H13的缺点在于不适合制造大中型、大型和超大型模具，易于开裂。故国内开发了大截面热作模具钢。

[0007] 锻压模块的厚度≥350～500mm的称为大型模块，厚度≥500mm的称特大型模块。我国开发了45Cr2NiMoVSi(45Cr2)、5Cr2NiMoVSi(5Cr2)、3Cr2MoVNi(B2)和3Cr2MoWVNi(B3)(JBT8431-1996《热锻成形模具钢及其热处理技术条件》)等大截面热作模具钢，与5CrNiMo相比，45Cr2和5Cr2钢提高了淬透性、高温强度、热稳定性，而冲击韧性相当，抗热磨损和抗热疲劳的性能也好于5CrNiMo，(《模具材料应用手册》，林慧国、火树鹏、马绍弥主编，机械工业出版社第二版，P410)。但45Cr2和5Cr2易于开裂。

发明内容

[0008] 针对本领域存在的问题，本发明目的是提供一种适于大型模块和特大型模块Cr5系列热作模具钢。

[0009] 本发明的第二个目的是提出所述Cr5系列热作模具钢的制备方法。

[0010] 本发明的第三个目的是提出用所述Cr5系列热作模具钢制备模具的方法。

[0011] 实现本发明上述目的的具体技术方案为：

[0012] 一种Cr5系列热作模具钢，其特征在于，所述热作模具钢以重量％计，包含C0.40～0.48％，Si 0.20～1.2％，Mn 0.40～0.80％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr4.80～5.50％，Ni 
1.40～2.0％，Mo0.80～1.50％，V0.50～0.70％，W0.50-1.00％，Co 0～0.75％，Al0.01～
0.20％，Nb 0.02～0.20％，余量的Fe；

[0013] 所述新型Cr5系列热作模具钢的制备方法，包括步骤：

[0014] 电炉或转炉冶炼，LF炉精炼(LADLE FURNACE即钢包精炼炉)，真空脱气(VD)，模铸，退火，电渣重熔(ESR)，缓冷，退火，锻造，正火，球化退火，扩氢，粗加，检验，粗加，调质，精加，检验。投产得到模块或模具。

[0015] 现有技术中，热作模具钢的主要合金元素和范围为:C0.26-0.75％、Si0.10-1.2％、Mn0.20-1.60％、Cr0.5-5.5％、Mo0-3.4％、W0-7.9％、V0-1.4％、Ni0-4.3％、Co0-
4.5％、AL0-0.7％、Nb0-0.3％，每一种成分含量的变化对钢的组织和性能起着有益作用和不利的作用，本发明取每一种元素的常处，规避其短处，重点考虑的方面如下：

[0016] 1)C在钢中的作用

[0017] 扩大γ相区，但因渗碳体的形成，不能无限固溶；随含量的增加，提高钢的硬度和强度，但降低其塑性和韧性。提高钢的淬透性；

[0018] 为提高钢的耐磨性,应使钢获得马氏体+合金碳化物组织,含铬5％的钢,870℃奥氏体化时,在奥氏体A和A+M3C+M7C3交界处,含碳量为0.4-0.5％,故选0.4-0.5％的含碳量，保持在形成一定量的合金碳化物的水平上,

[0019] 降低Ms点,故保持相对较低的碳含量,使钢的Ms取于相对较高的水平，Ms340℃,淬火时获得马氏体+残A+C,并经回火后获得均匀的马氏体组织,获得板条马氏体+少量片状M+少量残余A.

[0020] 故本发明钢种取C0.40～0.48％。

[0021] 2)硅在钢中的作用:

[0022] (1)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。

[0023] (2)Si是提高回火抗力的有效元素.Si降低碳在铁素体中的扩散速度,使回火析出的碳化物不易聚集,增加了回火稳定性；

[0024] (3)提高钢的高温抗氧化性能；

[0025] (4)不利方面易使钢呈现带状组织,使钢的横向性能降低.

[0026] 目前Cr5系列模具钢的发展趋势是向低Si高Mo方向发展。Si的不利作用主要是增加偏析，增加共晶碳化物。故本发明YB5A、YB5C中Si取0.20～0.40％满足冶炼脱氧需求水平,其中YB5B为高Si取0.40～1.0％,主要是利用其提高强度、抗氧化、提高回火脆性温度的作用，其不利的作用可以通过采取冶炼和加热工艺措施加以控制。YB5B可用于制造低冲击力的模具。

[0027] 故本发明钢种取Si0.20～0.40％和0.40～1.0％两种水平。

[0028] 3)锰在钢中的作用

[0029] (1)锰提高钢的淬透性。

[0030] (2)锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，Mn又可形成碳化物，从而提高钢的强度、硬度和耐磨性。

[0031] (3)锰对钢的高温瞬时强度有所提高。

[0032] (4)锰强烈降低钢的Ms点,增加淬火钢中的残余奥氏体量,有利的方面可提高韧性,不利的方面可增加变形量；

[0033] 锰钢的主要缺点是，①含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；②锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感，故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。

[0034] Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，Mn在钢中必须达到一定的量，Mn/S必须大于等于8。

[0035] 故发明钢种Mn取0.40～0.80％。

[0036] 4)铬在钢中的作用

[0037] (1)铬可提高钢的强度和硬度。(2)铬可提高钢的高温机械性能。(3)使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性。(4)阻止石墨化。(5)提高淬透性。(6)形成碳化物,提高耐磨性。(7)增加回火稳定性。

[0038] 加入＜6％的铬时，对钢的抗回火能力有很大的提高，但未够成二次硬化，当铬＞6％时，钢在淬火后在550℃回火会出现二次硬化效应，故人们对热作模具钢一般选用5％铬的加入量。

[0039] Cr对钢共析点的影响和Mn大致相似，在约5％的含铬量时，共析点的含C量降到0.5％左右。另外Si﹑W﹑Mo﹑V的加入更显著降低共析点含C量。为此可以知道：4Cr5系列热作模具钢属于过共析钢。共析含C量的降低，将增加奥氏体化后组织中和最后组织中的合金碳化物含量。

[0040] 缺点：①铬是显著提高钢的脆性转变温度②铬能促进钢的回火脆性。

[0041] 故本发明钢种Cr取4.80～5.50％。

[0042] 5)镍在钢中的作用

[0043] (1)可提高钢的强度，且提高其韧性，改善疲劳抗力。(2)镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性。(3)镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。(4)提高淬透性,(5)扩大奥氏体区,增加淬火钢中的残余奥氏体量,有利的方面可提高韧性,不利的方面可增加变形量；(6)增加树枝晶,提高横向性能；(7)增加板条状马氏体量,提高韧性；(8)加速碳在奥氏体中的扩散，Ni为非碳化物形成元素,提高碳在奥氏体中的扩散系数,降低了一次碳化物，并使二次碳化物不易长大。(9)Ni使奥氏体的层措能提高。一般认为层措能越低，越有利于位措的扩展和形成位措，使滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。反之层措能越高，越易于变形加工。这可增大锻造道次变形量，有利于组织破碎和疏松焊合。

[0044] 故本发明钢种Ni取1.40～2.0％。

[0045] 6)钼在钢中的作用

[0046] (1)钼对铁素体有固溶强化作用。(2)提高钢热强性，提高高温强度。在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。(3)细化晶粒,提高韧性。(4)提高钢的淬透性。(5)起到二次硬化作用，加入量不低于1％，最高3％。(6)形成碳化物,提高耐磨性。(7)增加回火稳定性。(8)可抑制钢的回火脆性。

[0047] 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。

[0048] 故本发明钢种Mo取0.80～1.50％。

[0049] 7)钒在钢中的作用

[0050] (1)提高钢热强性。(2)细化晶粒。(3)起到二次硬化作用,(4)形成碳化物,提高耐磨性。缺点：V高形成一次碳化物，溶解温度高，不易溶解，从而降低韧性。

[0051] 故本发明钢种V取0.50～0.70％。

[0052] 8)钨在钢中的作用

[0053] (1)增加回火稳定性；(2)增加红硬性；(3)增加热强性，提高原子的结合力，提高扩散激活能和蠕变激活能，提高组织的稳定性和蠕变抗力。(4)形成碳化物,提高耐磨性；(5)起到二次硬化作用,(6)提高淬透性，可抑制钢的回火脆性。

[0054] 故本发明钢种W取0.50～1.00％。

[0055] 9)铝在钢中的作用

[0056] (1)强化铁素体；(2)提高高温硬度；(3)提高固溶强度；(4)细化晶粒；(5)提高Ms点，增加板条M。(6)为非碳化物形成元素，可提高碳的活度，提高碳的扩散系数，使二次碳化物不易长大。

[0057] 故本发明钢种Al取0.01～0.04％和0.06～0.20％两种水平。

[0058] 10)钴在钢中的作用

[0059] 钴在钢中为非碳化物形成元素，淬火加热时溶于奥氏体中，淬火后存在于马氏体中，提高了马氏体的抗回火稳定性，加强了次生的硬化效果，有较好的热硬性。钴与钨、钼原子的结合力强，可减低钨、钼原子的扩散速度，减慢合金碳化物析出和聚集长大，增加了热硬性。其不利的方面有降低韧性，降低淬透性。

[0060] 故本发明钢种Co取0.00～0.20％和0.50～0.75％两种水平。

[0061] 11)铌在钢中的作用

[0062] Nb和C、N、O有极强的亲合力，与之形成极为稳定的化合物，提高钢的硬度。同时弥散的化合物可以细化晶粒，提高晶粒的粗化温度，降低钢的过热敏感性和回火脆性。

[0063] 故本发明钢种Nb取0.020～0.2％水平。

[0064] 12)其它元素和气体含量：Cu：不形成碳化物，以固溶态存在于基体中,能改善钢的韧性,提高淬透性和耐腐蚀性。但其缺点是增加钢的热脆性，故其含量控制在≤0.20％水平。Ti：为碳化物形成元素,可细化晶粒,与V、Nb的作用类似，由于添加了V和Nb，故Ti不添加，应控制在≤0.01％水平。P、S、Pb、Sn、As、Sb、Bi和气体含量N、H、O均为有害元素，均应控制在较低水平，且越低越好。

[0065] 具体地，所述热作模具钢以重量％计，包含C0.40～0.48％，Si 0.20～0.40％，Mn 0.40～0.80％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr4.80～5.50％，Ni1.40～2.0％，Mo0.80～
1.50％，V0.50～0.70％，W0.50-1.00％，Al0.06～0.20％，Nb0.02～0.20％，余量的Fe。这种钢记为YB5A，组成中Si低，韧性高。

[0066] 或，所述热作模具钢以重量％计，包含C0.40～0.48％，Si 0.40～1.0％，Mn 0.40～0.80％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr4.80～5.50％，Ni1.40～2.0％，Mo0.80～1.50％，V0.50～0.70％，W0.50-1.00％，Al0.01～0.04％，Nb0.02～0.20％，余量的铁。这种钢记为YB5B，组成中Si较高,硬度稍高。

[0067] 或，所述热作模具钢以重量％计，包含C0.40～0.48％，Si 0.20～0.40％，Mn 0.40～0.80％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr4.80～5.50％，Ni1.40～2.0％，Mo0.80～1.50％，V0.50～0.70％，W0.50-1.00％，Co 0.50～0.75％，Al0.06～0.20％，Nb0.02～0.20％，余量的铁。这种钢记为YB5C，组成中含Co，抗回火稳定性高和耐热性高。

[0068] 一种合金模具的制备方法，所述合金模具为高温合金模具、叶片钢模具和低合金钢模具中的一种，以本发明所述的热作模具钢制造，包括步骤：

[0069] S1淬火：≤650℃装炉，保持在650℃温度下等温，随炉升温至800～820℃等温，等温时间按工件的有效尺寸0.6min/mm计算，再随炉升温至1000～1020℃，保持10～12小时，油冷冷却至150～180℃出油后立即回火；

[0070] S2一次回火：≤280℃装炉，保持在280℃温度下等温4～10h，升温至570～595℃，保持14～22h(例如盘件570～580℃/保持15h；叶片585～595℃/保持21h。550℃以下硬度高、脆性大的不能用此以下的温度)，油冷冷至表面温度100～150℃后空冷(不可水冷)，出油空冷时，确保模具冷至室温后才能进行第二次回火；

[0071] S3二次回火：≤300℃入炉，盘件560℃保持12h，或叶片580℃保持18h，空冷至100℃以下。

[0072] 工件的有效尺寸又称当量尺寸，对于圆形工件，可指其直径，对于方形工件，指其厚度，饼件、带孔的工件等，可查热处理手册而定。本发明中涉及时间以“/mm”计量的，均是指按工件的有效尺寸计。

[0073] 具体地，所述合金模具为高温合金模具或叶片钢模具，其制备方法还包括：

[0074] S4三次回火：≤300℃入炉，580℃温度保持1.8min/mm(合结此步骤可省略)。盘件560℃保持10h，叶片580℃保持16h，空冷冷至室温进行洛氏硬度检测。

[0075] 其中，在步骤S1中，保持在650℃温度下等温0.6min/mm，随炉升温至800～820℃保持0.6min/mm，再随炉升温至1000～1020℃保持1.0～1.2min/mm(例如盘件12h，叶片10h)；高温合金模具(盘件)油冷80～90min，或叶片油冷120～130min，冷却至150～180℃出油后立即回火；

[0076] 在步骤S2中，盘件在570～580℃温度保持盘件15h，或叶片在585-595℃温度保持21h，油冷冷至表面温度100～150℃后空冷，出油空冷时，确保模具冷至室温后才能进行第S3的二次回火；

[0077] 在步骤S3中，盘件560℃温度保持盘件12h，或叶片在580℃保持18h，空冷至100℃以下进行第三次回火；

[0078] 在步骤S4中，盘件560℃温度保持10h，或叶片580℃保持16h。

[0079] 优选地，在步骤S1中，保持在650℃温度下等温0.6min/mm，随炉升温至820℃保持0.6min/mm，再随炉升温至1000～1020℃保持1.0～1.2min，油冷(依据块的大小决定，例如油冷叶片120～130min)，冷却至150～180℃出油后立即回火；

[0080] 在步骤S2中，在585～595℃温度保持2.4～3.0min/mm，油冷冷至表面温度100～150℃后空冷，出油空冷时，确保模具冷至室温后进行第S3的二次回火；

[0081] 在步骤S3中，580℃温度保持1.8～2.4min/mm，空冷至100℃以下进行第三次回火。

[0082] 调质是淬火加两至三次高温回火。用S1～S4所要求的加热温度、加热时间、冷却介质、冷却时间、终冷温度进行一次淬火处理，两至三次回火处理。

[0083] 其中，步骤S3两次回火后或S4三次回火后，空冷冷至室温进行洛氏硬度检测，对于高温合金(盘件)模具的硬度要求为：表面硬度最大不能超过52HRC，最小不能低于42HRC；对叶片钢模具和合结钢模具的硬度要求为：表面硬度最大不能超过48HRC，最小不能低于38HRC。

[0084] 本发明所述的制备方法制得的模具。

[0085] 本发明的有益效果在于：

[0086] 1)、本发明提出一种新的Cr5系列热作模具钢(记为YB5系列模具钢)的化学成分配方，与现有的Cr5系(H13)热作模具钢比较，YB5系列模具钢提高了碳含量，提高了Mn含量，降低了硅含量(YB5A、YB5C)，降低了Mo含量，降低了V含量，添加了Ni元素、添加了W元素、添加了Co元素(YB5C)、添加了Al元素(YB5A、YB5C)。从而提高了钢的韧性，提高了高温强度和抗蠕变性能等。

[0087] 2)、本发明提出YB5系列模具钢合理的冶炼、加热、锻造和预备热处理工艺规范。关键点是保证钢的低倍组织致密，纯洁度高、一次碳化物和带状级别低、正火(快冷)后组织细化,球化后碳化物细小且均匀等。

[0088] 3)、本发明制订了最终热处理工艺规范。其关键点为淬火冷却要充分，回火消除应力要充分。所制得的YB5钢强度和硬度较高,表明具有较高的抗回火稳定性,600℃回火,硬度与H13相近或互有高低,其韧性远高于H13。

附图说明

[0089] 图1为YB5A与H13不同回火温度下的硬度对比图。

[0090] 图2为高温合金盘件模具检测位置示意图。

[0091] 图3为盘件模具三坐标检测图。图3中，(a)模锻前上模，(b)模锻后上模(c)模锻前下模，(d)模锻后下模。

[0092] 图4为YB5A叶片钢模具终锻前后下模的尺寸对比三坐标检测图。图4中，(a)叶身锻造前，(b)叶身锻造后，(c)叶根锻造前，(d)叶根锻造后。

[0093] 图5，实施例4，150×300方，1000℃6h水、760℃9h水(调质球化)，经4％硝酸酒精溶液腐蚀，显微组织为回火索氏体(放大400倍)。

[0094] 图6为YB5Aφ25mm试样，1020℃油、580℃水、580℃空调质，4％硝酸酒精溶液腐蚀后，显微组织为回火屈氏体(放大400倍)。

[0095] 图7为YB5Aφ560×260试样，1010℃水570℃水570℃空(整体调质)，4％硝酸酒精溶液腐蚀后，显微组织为回火屈氏体组织(放大400倍)。

[0096] 图8为YB5A 230×300试样，1020℃油，4％硝酸酒精溶液腐蚀后，显微组织为细板条马氏体+碳化物(放大400倍)。

[0097] 图9为YB5A 230×300试样，1020℃油，4％硝酸酒精溶液腐蚀后，显微组织为细板条马氏体+碳化物晶粒度10级(放大400倍)。

[0098] 图10为YB5Aφ900mm×300mm饼件，锻后球化退火组织，4％硝酸酒精溶液腐蚀后，显微组织为索氏体+残奥。图中所标的尺寸为100μm。

[0099] 图11为YB5A 230×300方，球化退火组织，4％硝酸酒精溶液腐蚀铁素体+球状渗碳体AS6级(放大400倍)。

[0100] 图12为YB5A 230×300试样锻后球化组织，4％硝酸酒精溶液腐蚀，AS1(放大500倍)。

[0101] 图13 YB5A 230×300试样锻后球化组织，4％硝酸酒精溶液腐蚀，AS1(放大200倍)。

[0102] 注：球化组织按北美压铸模金相标准NADCA#207-2003图谱评定。

具体实施方式

[0103] 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。以下所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

[0104] 实施例中，如无特别说明，所使用的技术手段为本领域的常规技术手段。

[0105] 本发明提出的Cr5系列钢的成分范围如下表。在实施例中示出了某一成分的具体实例，在下表记载的范围内，制得的Cr5系列热作模具钢具有同样的性能。

[0106]

[0107] 实施例1

[0108] Cr5系列热作模具钢的制备方法，其特征在于，包括步骤：电炉冶炼，LF炉精炼(LADLE FURNACE即钢包精炼炉)，真空脱气(VD)，模铸，退火，电渣重熔(ESR)，缓冷，退火，锻造，正火，球化退火，扩氢，粗加，检验，精加，调质，精加，检验，投产。

[0109] 通过控制钢水的成分，制得的模具钢中，以重量％计，包含C0.44％，Si 0.40％，Mn 0.60％，P0.010％，S0.002％，Cr5.20％，Ni1.60％，Mo 0.90.％，V 0.60.％，W 0.55％，Co 
0.09％，Al 0.10％，Nb 0.040％，余量的Fe。得到的产物为YB5A钢。

[0110] 实施例2

[0111] 冶炼的方法同实施例1。通过控制钢水的成分，制得的模具钢中，以重量％计，包含C 0.43％，Si 1.00％，Mn 0.40％，P 0.012％，S0.0015％，Cr4.80％，Ni1.40.％，Mo1.00％，V0.50％，W0.80％，Co 0.090.％，Al0.010％，Nb0.030％，余量的Fe。得到的产物为YB5B钢。

[0112] 实施例3

[0113] 冶炼的方法同实施例1。通过控制钢水的成分，制得的模具钢中，以重量％计，包含C 0.43％，Si 0.40％，Mn 0.60％，P 0.009％，S0.001％，Cr 5.20％，Ni 1.60％，Mo1.10％，V 0.60％，W 0.55.％，Co 0.53％，Al 0.20％，Nb 0.025％，余量的Fe。得到的产物为YB5C钢。

[0114] 实施例4

[0115] 用实施例1YB5A钢热处理制备高温合金模具，标记为JBD275-YB5A-φ900x300，制为盘件模具。

[0116] S1淬火：≤650℃装炉，650℃×(2±0.5)h等温，随炉升温至820℃×(4±0.5)h，随炉升温至1010℃×(5±0.5)h，油冷80～90min，出油立即(空气中停留不超过半小时)回火；

[0117] 淬火的温度为1000℃，比较了回火时空冷的温度(见下表)，可见550℃回火,YB5A强度和硬度较高，表明具有较高的抗回火稳定性，600℃回火,硬度比H13略低,其韧性远高于H13(注：由于YB5A的淬火温度低于H13故硬度略低)。

[0118]

[0119] S2一次回火：≤280℃装炉，280℃×(5±0.5)h，升温至570～580℃×(15±0.5h)油冷冷至表面温度100～150℃后空冷，出油空冷时，确保模具冷至室温后才能进行第二次回火；

[0120] S3二次回火：≤570℃入炉，570℃×(13±0.5)h空冷至100℃以下才能进行第三次回火；

[0121] S4三次回火：≤570℃入炉，570℃×(11±0.5)h空冷冷至室温进行洛氏硬度检测。

[0122] 高温合金模具硬度要求：表面硬度最大不能超过52HRC，最小不能低于42HRC。

[0123] YB5A不同热处理工艺对力学性能的影响见表1和表2：

[0124] 表1：

[0125]

[0126]

[0127] 表2

[0128]

[0129]

[0130] 可见最佳淬火温度1000-1020℃，回火温度大于等于550℃。

[0131] (4)YB5A高温力学性能

[0132] 表3

[0133]

[0134] 可见其高温强度较高，查表换算其硬度大于等于HRC48(实验温度350℃时，仍处于较高水平)。表4列出YB5A的力学性能。

[0135] 表4:炉号20506,规格40方,φ25mm热处理试验结果

[0136]

[0137]

[0138] 分析：1、淬火温度升高强度和硬度上升；2、第一次回火水冷较空冷的强度和硬度上升。故模具第一次回火应快冷。

[0139] 表5:炉号14506规格40方,φ25mm的YB5A热处理试验结果

[0140]

[0141] 表6:炉号14510,规格40方,φ25mm的YB5A热处理试验结果

[0142]

[0143] 分析：对比表5和表6可见：淬火温度升高，强度和硬度上升，伸长率略有降低。故淬火温度应选取1010～1020℃。

[0144] 表7:炉号14510,模块,φ25mm热处理试验结果

[0145]

[0146] 注:189-1、189-2为纵向性能；190-1、190-2为横向性能。

[0147] 分析：由表7可见：最佳淬火温度1020℃。显微组织见图5～13,可见球化退火组织合格,淬火组织为条片状马氏体+细点状碳化物,随淬火温度提高，条片变宽，碳化物减少，淬火硬度升高，回火后回火硬度亦升高，回火后组织为回火屈氏体，晶粒度10级。

[0148] 下表8列出YB5B的力学性能。

[0149] 表8：YB5B力学性能：

[0150]

[0151]

[0152]

[0153] 结论：淬火温度1020-1060℃，回火550-600℃。

[0154] 下表9列出YB5C的力学性能。

[0155] 表9：YB5C力学性能

[0156]

[0157]

[0158] 表中200*300一火成材，加热扩散时间短，横向性能差，需两火扩散，反复镦拔。

[0159] 表10：YB5C高温扩散后的性能结果

[0160]

[0161] 结论：淬火温度1020-1060℃，回火560-600℃。

[0162] 实施例5

[0163] 用实施例2YB5B钢热处理制备高温合金模具盘件，标记为JBD275-YB5B-φ900x300。热处理的工艺条件同实施例4。

[0164] 实施例6

[0165] 用实施例3YB5C钢热处理制备高温合金模具盘件，标记为JBD275-YB5C-φ900x300。热处理的工艺条件同实施例4。

[0166] 实施例7

[0167] 用实施例1之YB5A钢热处理制备叶片钢模具，标记为SM985RL.DJ-YB5A-1700x700x420模块。热处理工艺如下：

[0168] S1淬火：≤650℃装炉，650℃×(4±0.5)h等温，随炉升温至820℃×(6±0.5)h，随炉升温至1010℃×(9±0.5)h，油冷120～130min，出油立即(空气中停留不超过半小时)回火；

[0169] S2一次回火：≤280℃装炉，280℃×(7±0.5)h，升温至580～590℃×(20±0.5)h油冷冷至表面温度100～150℃后空冷，出油空冷时，确保模具冷至室温后才能进行第二次回火；

[0170] S3二次回火：≤580℃入炉，580℃×(18±0.5)h空冷至100℃以下才能进行第三次回火；

[0171] S4三次回火：≤580℃入炉，580℃×(16±0.5)h空冷冷至室温进行洛氏硬度检测；

[0172] 叶片钢模具硬度要求：表面硬度最大不能超过48HRC，最小不能低于38HRC。

[0173] 实施例8

[0174] 用实施例2的YB5B钢热处理制备高温合金模具，标记为SM985RL.DJ-YB5B-1700×700×420模块。热处理的工艺条件同实施例7。

[0175] 实施例9

[0176] 用实施例3的YB5C钢热处理制备高温合金模具，标记为SM985RL.DJ-YB5C-1700×700×420模块。热处理的工艺条件同实施例7。

[0177] 试验例

[0178] 1)性能测试

[0179] YB5A与H13不同回火温度下的硬度对比，见图1。

[0180] YB5A、YB5B、YB5C和H13抗回火稳定性比较见表11。

[0181] 表11：H13、YB5A、YB5B回火温度与硬度关系

[0182]

[0183] 注:YB5C对应硬度HRC53、49～50、45的回火温度分别是565℃、585℃、610℃。(见表9～10)

[0184] 可见YB5A、YB5B和H13抗回火稳定性是同一水平，YB5C的抗回火稳定性则高一些。

[0185] 2)变形量比较，下表中比较了现有的四种模具钢锻打高温合金盘件的结果，可见5CrNiMo、5CrNiMoV、进口FX打4件变形量大于4mm，H13模具开裂。

[0186] 表12变形量比较

[0187]

[0188] 表13为YB5A模具与5CrNiMoV堆焊模具打饼件8件变形量对比结果。模具上各测试点的位置见图2。其中2A-1～2A-4为YB5A结果，变形小于1mm，2A-5～2A-8为5CrNoMoV为堆焊的结果，变形最大3.5mm。

[0189] 表14为YB5A模具锻打高温合金饼件使用前后硬度数据对比。可见YB5A上模硬度降低约2～3个HRC，下模降5～8个HRC。堆焊上下模硬度均降低约2～3个HRC，比YB5A 小。YB5A模具变形小于1mm，堆焊5CrNiMoV变形3.5mm，可见YB5A模具整体强度高是模具变形小的主要原因。

[0190] 实施例5和实施例6制备的YB5B模具和YB5C模具盘件，经客户使用，证明其性能相当或优于H13模具钢，而H13不适合较大型的锻模。YB5B模具和YB5C模具被证明完全满足较大型和较大冲击力的要求。

[0191] 表13

[0192]

[0193] 表14

[0194]

[0195] 4)YB5A模具在JBD275高温合金盘寿命

[0196] YB5A材料制作的五～八级盘模具共生产了JBD275共计58件(不含假料)。第一次上场连续模锻4件，下场后复测模具变形＜0.2mm，未做修复继续使用；第二次上场连续模锻19件，下场后复测模具变形＜0.9mm，未做修复继续使用；第三次上场连续模锻35件，下场后复测模具变形＜1.0mm。

[0197] 通过三次下场后的模具复测数据，可见YB5A模具材料锻造实心高温合金盘时塑性变形较小，表面磨损较小。由此认为YB5A模具材料在现行条件下能够胜任实心盘件的锻造生产。

[0198] 5)YB5A模具在不锈钢叶片锻件上的应用结果

[0199] SM985RL.DJ-YB5A模具下模上场前表面硬度42～44HRC，下场硬度基本不变。终锻前后下模尺寸对比，生产数量120支(SPKA11200)，叶身模具最大变形0.3mm，叶根模具最大变形0.5mm，模具基本没变形。SM985RL.DJ-5CrNiMoV模具终锻前后下模尺寸对比，生产数量20支(SPKA22400)，模具上场前硬度44～48HRC，模具最大变形1.565mm，变形较大。

[0200] 从项目的角度，解决了高合金锤锻模具能在3.55万吨螺旋压力机使用的问题，确定了YB5A模具能用于3.55万吨叶片钢的锻造。

[0201] 6)YB5A、YB5B、YB5C在其它热锻模具上应用的结果

[0202] 用于汽车转向节热锻模使用寿命15000件，是5CrNiMo的三倍。用于汽曲轴热锻模优点是不开裂，寿命与H13相当。在其它热锻模上的应用主要优点是不变形，锻件表面尺寸精度高，不用修磨。

[0203] 以上所公开或要求的实施例在不超过现有公开的实验手段的范围内可以制出或实施。本发明优选的实施方式所描述的所有的产物和/或方法，明白地指那些不违反本发明的概念、范围和精神的可以用于该产物和/或实验方法以及接下来的步骤。对所述的工艺中技术手段的所有的改动和改进，均属于本发明权利要求定义的概念、范围和精神。