一種c-n-b復(fù)合硬化高耐磨冷作模具鋼的制作方法
【專利摘要】一種C-N-B復(fù)合硬化高耐磨冷作模具鋼，屬于工模具鋼領(lǐng)域該鋼的具體化學(xué)成分重量百分數(shù)：C：1.5～1.9％，Si：0.5～1.5％，S：≤0.030％，P：≤0.030％，Mn：≤0.5％，Cr：8.5～11.0％，V：0.1～0.8％，N：0.05～0.15％，B：0～0.1％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比在保持韌性的同時、具有更高的硬度和耐磨性，綜合性能良好。與現(xiàn)有Cr12MoV冷作模具鋼相比，本發(fā)明鋼優(yōu)化Cr含量和C含量，采用C-N-B復(fù)合強化的思路和方法，使鋼在不惡化共晶碳化物的前提下，增加鋼的硬度，使材料具有更高的耐磨性。增加元素Si含量提高硬度，增強耐磨性。通過以上技術(shù)的實施，可有效提高材料的耐磨性能，滿足用戶長壽命需求。本發(fā)明鋼具有比Cr12MoV鋼更優(yōu)異的綜合性能。
【專利說明】一種C-N-B復(fù)合硬化高耐磨冷作模具鋼

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于模具鋼【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種C-N-B復(fù)合硬化高耐磨冷作模具鋼。 適用于沖裁、沖壓、冷鐓、拉伸、壓印模具用鋼，也可應(yīng)用于工具及軋輥用鋼等。

【背景技術(shù)】
[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。由于所加工的金屬材料強度高，變形抗力大，因此對模具材料的強度和耐磨性具有 非常高的要求。目前，材料自身（不包括表面處理技術(shù)）獲得高耐磨性主要通過以下兩方 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。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Crl2MoV鋼為代表的Crl2系列 冷作模具鋼。Crl2M 〇V鋼的特點是利用較高C含量（約I. 5wt% )和Cr含量（約12wt% ) 的成分設(shè)計，使鋼中獲得大量的共晶碳化物以增加耐磨性。但由于C含量和Cr含量都較高， 鋼在凝固過程中鑄態(tài)組織偏析嚴重，共晶碳化物顆粒尺寸很大。強度（硬度）和韌性本來 就是一對矛盾的力學(xué)性能指標，強度（硬度）越高韌性越低。鋼中若存在大顆粒共晶碳化 物，將會進一步惡化韌性。因此，如何提高硬度而又不惡化共晶碳化物尺寸是高碳高鉻耐磨 性冷作模具鋼的關(guān)鍵。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種C-N-B復(fù)合硬化高耐磨冷作模具鋼?；诖罅垦绣彻ぷ?基礎(chǔ)，優(yōu)化設(shè)計鋼的化學(xué)成分，利用C-N-B復(fù)合硬化的機理，提高鋼的硬度和耐磨性，是一 種比Crl2M 〇V鋼更高硬度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] 本發(fā)明鋼的化學(xué)成分（重量％ )為：C :1· 5?1. 9 %，Si :0· 5?1. 5 %，S : 彡 0· 030%，P :彡 0· 030%，Mn :彡 0· 5%，Cr :8· 5 ?11. 0%，V :0· 1 ?0· 8%，N :0· 05 ? 0. 15%，B :0?0. 1%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
[0005] 本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計合金元素 Cr的含量和C含量的配比，獲得高的硬度和耐磨性。綜 合考慮到硬度和耐磨性的需要，而又不惡化共晶碳化物，Cr含量控制在8. 5?11. 0%范圍 之間。在此基礎(chǔ)上進行嚴格控制C/Cr配比；以C-N-B復(fù)合硬化的方法，提高鋼的硬度和耐 磨性，通過N和B的添加起到復(fù)合硬化的作用，避免了單純靠 C間隙固溶強化增加硬度而引 起的C含量過高，致使共晶碳化物發(fā)達惡化的負面影響；發(fā)揮Si固溶強化的效果，提高硬度 和耐磨性。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(yīng)用前景。
[0006] 具體為：（1)設(shè)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. 5?11. 0% ;為了控制碳化物尺寸和偏析，又要獲得高硬度和耐磨性，控制C-N-B的 含量，C-N-B的總含量控制在1. 55 < C+N+B < 2. 15 ; (2)優(yōu)化設(shè)計Si、Mn、V的含量使鋼材 具有更好的硬度、耐磨性、沖擊韌性以及晶粒尺寸，提高其綜合性能。
[0007] 上述各元素的作用及配比依據(jù)如下：
[0008] 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(yīng)，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。 本發(fā)明確定碳含量為1. 5?1. 9%。
[0009] Cr :鉻在工模具鋼中是相對廉價的碳化物形成元素，因此有必要好好使用鉻。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、鉬等。當鉻含量低于3%時， 鉻取代一部分鐵而形成復(fù)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, Cr)7C3和（Fe, Cr) 23C6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(yīng)形成粗大共晶碳化物，影響韌性， 共晶碳化物顆粒越大，分布均勻性越差，沖擊韌性以及成型性能越差，因此綜合考慮以上原 因，控制其含量在8. 5?11.0%。
[0010] 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%。
[0011] Si :作為脫氧元素而加入，含量一般控制在0.20?0.40%。然而Si還具有固溶 強化作用，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(shè)計Si含量在0. 50?1. 50%。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] V :釩和碳、氮都有極強的親和力，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、鉬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(chǎn)生交互作用阻止位錯的滑移及位 錯網(wǎng)絡(luò)的重新排列而形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，增加了馬氏體的回復(fù)再結(jié)晶抗力，增加回火穩(wěn)定性。 隹凡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(chǎn)生二次硬化效 應(yīng)，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。本發(fā)明主要考慮利用V和C、N形成高溶點、高硬度的碳化物V(C，N)，在鋼淬火加熱過 程中阻礙奧氏體晶粒的長大，細化晶粒，同時增加耐磨性。但V含量太多不但容易生產(chǎn)穩(wěn)定 的共晶碳化物顆粒，同時還會綜合C和N，從而影響C和N的固溶硬化效果。因此，本發(fā)明鋼 中將V含量控制為〇. 10?0.8%。
[0015] N :氮原子半徑很小（0. 07nm)，與碳很相似，在鋼中同是間隙固溶元素，因此很多 性能與碳相似。在鋼中固溶硬化是最有效的硬化方式之一，采用氮的固溶強化作用，增補一 部分碳的效用，能夠顯著增加鋼的硬度和耐磨性。向本發(fā)明鋼中添加適量的N，控制其含量 在 0· 1 ?1. 5%〇
[0016] B :硼也是間隙固溶元素，在工模具鋼中可以部分代替碳，有利于二次硬化。適量B 加入還可以提高鑄態(tài)鋼的硬度和熱穩(wěn)定性，微量硼有細化鑄態(tài)組織的作用。利用C-N-B的 復(fù)合硬化思路，充分獲得鋼的高硬度高耐磨性的特性。在高速鋼中硼超過0.25%時，會嚴重 減低鋼的可鍛性，增加鋼的脆性。因此，硼的添加量需要嚴格控制。本發(fā)明鋼中B的含量控 制為0?1. 5%。
[0017] 本發(fā)明采用與現(xiàn)有技術(shù)相似的制備方法：
[0018] 本發(fā)明鋼可采用電弧爐、感應(yīng)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。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有高硬度高耐磨性的優(yōu)點。與現(xiàn)有模具鋼相比，本發(fā)明 鋼在擁有良好的共晶碳化物分布的基礎(chǔ)上，具有更高的硬度，更高的耐磨性，可更好的滿足 用戶需求。
[0020] 本發(fā)明鋼與現(xiàn)有Crl2M〇V冷作模具鋼相比，進一步優(yōu)化Cr含量，使材料在具有高 硬度的前提下不惡化共晶碳化物。合理的控制C/Cr比，有效地對共晶碳化物進行控制，采 用C-N-B復(fù)合硬化來提高硬度和耐磨性，同時不惡化共晶碳化物。采用較高含量Si合金化， 增加硬度和耐磨性。
[0021] 本發(fā)明鋼具有比Crl2MoV冷作模具鋼更佳的硬度和耐磨性，同時共晶碳化物并不 惡化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為實施例1的共晶碳化物組織。
[0023] 圖2為實施例2的共晶碳化物組織。
[0024] 圖3為實施例3的共晶碳化物組織。
[0025] 圖4為實施例4的共晶碳化物組織。
[0026] 圖5為對比例的共晶碳化物組織。

【具體實施方式】
[0027] 根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計的化學(xué)成分范圍，在25kg真空感應(yīng)爐上冶煉了 4爐本發(fā)明鋼， 其具體化學(xué)成分如表1所示。鋼水澆鑄成錠，并經(jīng)鍛造制成Φ20_棒材。鋼材退火后，加工 成試樣，經(jīng)淬、回火處理（940?1100°C淬火，150?300°C回火），其室溫力學(xué)性能見表2? 4〇
[0028] 本發(fā)明鋼具有在保持高硬度的前提下，具有更好的韌性。
[0029] 1.發(fā)明鋼1#、2#、3#、4#比對比鋼具有更低的成本。（見表1)
[0030] 2.發(fā)明鋼1#、2#、3#、4#比對比鋼具有更高的淬火峰值硬度。（見表2)
[0031] 3.在各自淬火硬度峰值溫度淬火，不同溫度回火后，發(fā)明鋼1#、2#、3#、4#具有比 對比鋼更高的回火硬度。（見表3)
[0032] 4.在各自淬火硬度峰值溫度淬火，不同溫度回火后，發(fā)明鋼1#、2#、3#具有比對比 鋼Crl2M 〇V鋼更好的耐磨性，能夠更好的滿足模具鋼長壽命的要求。（見表4)
[0033] 5.發(fā)明鋼1#、2#、3#、4#具有和對比鋼分布均勻性相當?shù)墓簿蓟锓植冀M織。 (見圖1-圖5)
[0034] 表1實施例與對比鋼的化學(xué)成分，重量％
[0035]

【權(quán)利要求】
1. 一種C-N-B復(fù)合硬化高耐磨冷作模具鋼，其特征在于，該鋼的化學(xué)成分重量百分數(shù) 為：C :1. 5 ?1. 9%，Si :0? 5 ?1. 5%，S :彡 0? 030%，P :彡 0? 030%，Mn :彡 0? 5%，Cr :8. 5 ? 11. 0%，V :0? 1?0? 8%，N :0? 05?0? 15%，B :0?0? 1%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷作模具鋼，其特征在于，C-N-B的總含量控制范圍為1. 55 < C+N+B < 2. 15〇
【文檔編號】C22C38/32GK104480400SQ201410797731
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】馬黨參, 遲宏宵, 周健 申請人:鋼鐵研究總院