一種高韌性高耐磨冷作模具鋼的制作方法
【專利摘要】一種高韌性高耐磨冷作模具鋼，屬于工模具鋼領域?；瘜W成分重量％為：C：0.8～1.5％，Si：0.5～1.5％，S：≤0.030％，P：≤0.030％，Mn：≤1.5％，Mo：0.8～2.5％，Cr：8.0～11.0％，V：0.1～1.0％，Nb：≤1.0％，余量為Fe及不可避免的雜質。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比在保持高耐磨性性的同時、具有更高韌性和抗彎強度，綜合性能良好。與Cr12型冷作模具鋼相比，降低Cr含量，使材料具有更高的韌性。與Cr8型冷作模具鋼相比，增加Cr含量，增加耐磨性，同時合理控制C/Cr比，已達到獲得比Cr8型冷作模具鋼更好的碳化物分布狀態(tài)，使其具有更優(yōu)良的韌性。增加元素Mn、Si含量提高硬度，增強耐磨性。采用較高Nb+V復合合金化，增加V在鋼中的效用，提高二次硬化效果。
【專利說明】一種高韌性高耐磨冷作模具鋼
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于模具鋼【技術領域】，特別涉及一種高韌性高耐磨冷作模具鋼。適用于沖裁、沖壓、冷鐓、拉伸、壓印模具用鋼，也可應用于工具及軋輥用鋼等。
【背景技術】
[0002]冷作模具鋼主要用于制造在室溫條件下將金屬材料壓制成型的各式模具，包括沖裁模具，拉伸模具，彎曲、翻邊模具，壓印模具，冷擠壓模具，冷鐓模具，輥壓模具和粉末壓制模具等。由于所加工的對象為金屬材料，且在室溫加工，因此具有很大的難變形性。冷作模具鋼在工作中承受相當大的壓應力和摩擦力，必須具有相當高的硬度和耐磨性，為了避免沖擊載荷引起的斷裂和崩刃，還應 具有適當好的韌性。為了達到高耐磨性，高硬度的特點，目前，較為通用的冷作模具鋼仍是以D2鋼(Crl2MolVl)為代表的Crl2系列冷作模具鋼。這類鋼的耐磨性較高，然而，由于鑄態(tài)組織偏析嚴重，共晶碳化物顆粒尺寸大，因此韌性極差，模具常常因韌性不足而發(fā)生早期失效。相比于Crl2系列模具鋼，以DC53鋼(Cr8Mo2SiV)為代表的CrS型冷作模具鋼具有更高的韌性和強度配合，因此得到廣泛應用，然而由于降低C和Cr含量，在應用于某些更高要求模具的時，耐磨性無法滿足要求。本發(fā)明的目的是通過優(yōu)化C和合金元素配置，發(fā)明比綜合性能更優(yōu)異的冷作模具鋼。目前，材料自身(不包括表面處理技術)獲得高耐磨性的主要通過以下兩方面實現(xiàn)，一是獲得高硬度的基體組織，使基體本身在受到強烈摩擦的作用下仍能夠保持高的抵抗變形能力。二是在基體組織上分布高彌散度、高硬度、高耐磨的碳化物。因此，以D2鋼為代表的Crl2型冷作模具鋼采用了較高的C含量，使基體能夠獲得較高的淬火馬氏體硬度，采用較高的Cr含量，形成大量的碳化物(主要為M7C3/和M23C6型)增加耐磨性。然而，由于C和Cr含量太高，發(fā)生共晶反應產生的M7C3共晶碳化物發(fā)達、尺寸大、偏析嚴重，因此必然會損失韌性。降低C和Cr含量能降低共晶碳化物的尺寸和偏析程度，進而提高韌性。C和Cr之間的物理冶金反應決定了鋼中所生成共晶碳化物的優(yōu)劣特性。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種高韌性高耐磨冷作模具鋼?；诖罅垦芯抗ぷ骰A，確定了獲得更佳綜合性能的C/Cr配比。發(fā)明一種比DC53鋼更韌更耐磨的冷作模具鋼，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
[0004]根據(jù)上述目的，本發(fā)明整體的技術方案是:
[0005]本發(fā)明在CrS型鋼的基礎上重新設計合金元素Cr的含量和C含量，提高耐磨性及沖擊韌性。Cr8型鋼形成Cr的碳化物較少，是耐磨性偏低的主要原因，本發(fā)明增加Cr含量以增加耐磨性；為了保持較高韌性，本發(fā)明嚴格控制C/Cr配比；以Mn代Cr形成M23C6碳化物，增加耐磨性，發(fā)揮Si固溶強化的效果，提高硬度和耐磨性；添加二次硬化元素Mo和V，與C形成Mo2C和VC型碳化物，使鋼具有二次硬化效應；加入微量元素Nb，一方面形成高硬度碳化物強化基體，增加耐磨性，并且細化晶粒，另一方面以Nb代釩促進V的二次硬化效果。使該模具鋼具有很高的耐磨性又具有良好的韌性，而成為優(yōu)良的模具用鋼，具有良好的使用性和應用前景。
[0006]具體為:(I)設計最佳Cr含量范圍，使鋼能獲得最佳韌性和耐磨性匹配，Cr的含量范圍8.0~11.0%。為了控制碳化物尺寸和偏析，合理控制C和Cr的配比，C/Cr比控制在0.073 < C/Cr < 0.1875 ；⑵優(yōu)化設計Mo、V、S1、Mn的含量使鋼材具有更好的硬度，沖擊韌性以及在高溫回火時產生更高的二次硬化效應，提高其綜合性能。
[0007]本發(fā)明鋼的化學成分(重量％ )如下:C:0.8~1.5%，S1:0.5~1.5%，S:≤0.030%, P:≤0.030%, Mn:≤ 1.5%, Mo:0.8 ~2.5%，Cr:8.0 ~11.0%，V:0.I ~1.0%, Nb 1.0%，余量為Fe及不可避免的雜質。其中，C/Cr的含量為0.073 < C/Cr< 0.1875。
[0008]上述各元素的作用及配比依據(jù)如下:
[0009]C:碳是冷作模具鋼中不可缺少的元素，而且其含量一般都較高，尤其對于冷作模具鋼。一方面碳在鋼中是最有效的固溶強化元素，另一方面碳是形成各種碳化物的形成元素，尤其在冷作模具鋼中，要保證充足的碳化物含量用以保證耐磨性。但碳含量過高的負面影響是降低鋼的沖擊韌性，尤其是碳和合金含量同時高到一定程度，將發(fā)生共晶反應，形成粗大共晶碳化物，顯著降低鋼的韌性。所以，從強度、耐磨性與韌性方面來看，碳在模具鋼中的作用是互相矛盾的。碳含量過高，會影響韌性。碳含量過低，模具鋼的強度和耐磨性不足。對于以Cr為主要合金元素的高Cr模具鋼，應注重C/Cr比這一概念，本發(fā)明在Cr含量在8.0~11.0%范圍之間時，確定控制0.073 < C/Cr < 0.1875，確定碳含量為0.80~
1.50%。
[0010]Cr:鉻在工模具鋼使用的合金元素中是相對廉價的合金元素，幾乎所有的合金模具鋼都含有元素鉻，因此有必要好好使用Cr。對于要求高耐磨性以及高耐蝕性的模具鋼，鉻更是不可或缺。鉻與碳的親和力在形成碳化物的諸多元素中大于鐵和錳而低于鎢、鑰等。當鉻含量低于3%時，鉻取代一部分鐵而形成復合滲碳體(Fe，Cr)3C。當鉻含量大于3%，小于5%時，碳化物類型變成(Fe，Cr)7C3。當鉻含量高于11 %時，將會出現(xiàn)(Fe，Cr)23C6碳化物。此外，在這些含量的中間區(qū)域，有兩種碳化物共存的混合區(qū)域。(Fe，CiO7C3和(Fe，&)23(:6對鋼的性能有顯著影響，特別是鋼的耐磨性。因此，對于需要特別耐磨的冷作模具、精密量具和量規(guī)等常使用鉻含量要大于5%。然而Cr含量太高則會發(fā)生共晶反應形成粗大共晶碳化物，嚴重影響韌性，因此綜合考慮以上原因，控制其含量在8.0~11.0%。
[0011]Mn:在工模具鋼中通常作為脫氧劑而加入，含量一般控制在0.20~0.40%。增加Mn含量能夠增加鋼的淬透性，同時Mn還是M23C6碳化物形成元素，本發(fā)明采用較高Mn含量，形成M23C6碳化物，增加耐磨性。因此只需要控制Mn≤1.5%。
[0012]S1:作為脫氧元素而加入，含量一般控制在0.20~0.40%。然而Si還具有很強的固溶強化效果，同時，Si還能夠細化回火析出的碳化物進而改善沖擊韌性。因此，考慮到利用Si的益處，設計Si含量在0.50~1.50%。
[0013]P:P在鋼液凝固時形成微觀偏析，隨后在奧氏體化溫度加熱時偏聚在晶界，使鋼的脆性顯著增大。 控制P的含量在0.030%以下，并且含量越低越好。
[0014]S:不可避免的不純物，形成FeS，給鋼帶來熱脆性?？刂芐含量在0.030%以下，并且含量越低越好。[0015]Mo:鑰固溶于鐵素體時有固溶強化作用，形成碳化物時有提高碳化物穩(wěn)定性的作用，固溶于奧氏體中還能夠提高淬透性。鑰是重要的二次硬化元素，通過高溫回火在馬氏體基體中析出Mo2C型碳化物而形成二次硬化。鑰能夠增加鋼對回火軟化的抗力，也就是提高鋼的回火穩(wěn)定性。另外，鑰對回火脆性的影響頗為復雜。作為單一的合金元素存在鋼中時，鑰增加鋼的回火脆性；但和其他導致回火脆性元素，如鉻、錳等并存時，鑰又降低或抑制因其他元素所導致的回火脆性。在本發(fā)明鋼中，控制Mo含量在0.8~2.5%。
[0016]V:釩和碳、氮、氧都有極強的親和力，與之形成極為穩(wěn)定的碳化物，在鋼中也主要以碳化物的形態(tài)存在。VC的熔點為2830°C。因此，即使在較高的奧氏體化溫度下加熱VC也能有效地阻止晶粒長大，同時增加鋼的耐磨性。釩和鎢、鑰一樣溶入基體中可提高a-Fe的自擴散激活能，另外它偏聚在位錯線附近形成氣團，與位錯產生交互作用阻止位錯的滑移及位錯網(wǎng)絡的重新排列而形成胞狀亞結構，增加了馬氏體的回復再結晶抗力，增加回火穩(wěn)定性。釩也是重要的二次硬化元素，當加入量超過0.5%時，通過VC的沉淀亦可產生二次硬化效應，且隨釩量增加二次硬化峰值溫度有向高溫推移的趨勢，硬化強度提高，過時效速度亦較低。在2% Mo鋼中加入0.5% V時，則釩將不足以形成VC，而釩會固溶于Mo2C。釩的原子半徑為0.135nm(Mo為0.145nm)，不增大點陣錯配度，但因為釩和碳有更大的親和力，會提高Mo2C的穩(wěn)定性，提高二次硬化的峰值溫度。另外，利用V和碳有較強親和力的特性，使V結合大量的碳，能夠有效地縮小Y相區(qū)，提高臨界點溫度。本發(fā)明鋼中將V含量控制為 0.10 ~1.0%o
[0017]Nb:鈮是強碳化物形成元素，和碳固溶度積很小，很容易形成非常穩(wěn)定的MC型碳化物。鈮和釩具有很多相似的特性，因此，Nb和V的復合作用增加了 V的效果。但Nb是比V和C具有更強親和力的元素，Nb和C形成的碳化物NbC的穩(wěn)定性要明顯高于VC(NbC熔點:3500°C, VC:2830°C,)NbC 的硬度也要高于 VC(NbC 硬度:2050HV, VC:2010HV)，因此，NbC 具有很高的耐磨性。同時，Nb能夠進入VC中取代一部分V原子，形成(Nb，V)C，這有利于更多的V可以固溶在基體用于二次硬化。另外，Nb還有細化晶粒，細化鑄態(tài)組織的作用。但過多的Nb將會促進Nb的一次碳化物析出，降低韌性。向本發(fā)明鋼中添加適量的Nb，控制其在< 1.0%。
[0018]本發(fā)明采用與現(xiàn)有技術相似的制備方法:
[0019]本發(fā)明鋼可采用電弧爐、感應爐冶煉，鋼水澆鑄成鋼錠，根據(jù)需要可進行電渣重熔，經(jīng)鍛造成材或開坯后軋制成棒、線材、扁鋼等。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有高沖擊韌性、高耐磨性優(yōu)良的綜合性能的優(yōu)點。與現(xiàn)有模具鋼相比，本發(fā)明鋼在擁有良好的耐磨性的基礎上，具有更高的沖擊韌性，很高的抗彎強度，可更好的滿足用戶需求。
[0021]本發(fā)明鋼與現(xiàn)有Crl2型冷作模具鋼相比，鋼降低Cr含量，使材料具有更高的韌性。和Cr8型冷作模具鋼相比，增加Cr含量，增加耐磨性，并通過合理的控制C/Cr比，有效地對共晶碳化物進行控制，使其具有更優(yōu)異的碳化物分布狀態(tài)，達到提高韌性的目的。采用較高含量Si和Mn合金化，增加硬度和耐磨性，通過Nb+V復合，更好的發(fā)揮V的效用，并細化晶粒，提高沖擊韌性，滿足用戶需求。
[0022]本發(fā)明鋼具有比Crl2型冷作模具鋼和CrS型冷作模具鋼更佳的耐磨性和韌性匹配，具有優(yōu)異的綜合性能?！揪唧w實施方式】
[0023]根據(jù)本發(fā)明所設計的化學成分范圍，在25kg真空感應爐上冶煉了 4爐本發(fā)明鋼，其具體化學成分如表1所示。鋼水澆鑄成錠,并經(jīng)鍛造制成20mm棒材。鋼材退火后，加工成試樣，經(jīng)淬、回火處理(1000~1150°C淬火，200~600°C (回火)，其室溫力學性能見表
2~6。
[0024]本發(fā)明鋼具有在保持高硬度的前提下，具有更好的韌性。
[0025]1.發(fā)明鋼1#、2#、3#比對比鋼具有更低的成本。(見表1)
[0026]2.發(fā)明鋼4#比對比鋼具有高的淬火硬度、回火硬度以及二次硬化效果。(見表2，3,4)
[0027]3.經(jīng)相同溫度淬火，不同溫度回火后，發(fā)明鋼具有比對比鋼更高的二次硬化效果。(見表3，4)
[0028]4.經(jīng)相同溫度淬火，520~560°C回火后，發(fā)明鋼1#、2#、3#具有比Cr8型鋼和Crl2型鋼更好的沖擊韌性，能夠更好的滿足模具鋼更高韌性使用要求。(見表5)
[0029]5.經(jīng)相同溫度淬火，不同溫度回火后，發(fā)明鋼1#、2#、3#具有比Cr8型鋼6#和Crl2型鋼更好的沖擊韌性。(見表6)
[0030]表1實施例與對比鋼的化學成分，重量％
[0031]
【權利要求】
1.一種高韌性高耐磨冷作模具鋼，其特征在于，該鋼的具體化學成分重量％為:C:0.8 ~1.5 %，S1:0.5 ~1.5 %，S:≤ 0.030 %，P:≤ 0.030 %，Mn:≤ 1.5 %，Mo:0.8 ~2.5%, Cr:8.0 ~11.0%, V:0.1 ~1.0%, Nb ：≤ 1.0%，余量為 Fe 及不可避免的雜質。
2.根據(jù)權利要求1所述的冷作模具鋼，其特征在于，還滿足C/Cr的含量為0.073 < C/Cr < 0.1875。
【文檔編號】C22C38/24GK103938091SQ201410175592
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權日:2014年4月28日
【發(fā)明者】遲宏宵, 馬黨參 申請人:鋼鐵研究總院