一種鍛造模具用鋼及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種新型鍛造模具用鋼，尤其是涉及一種具有高熱強(qiáng)性及高韌性的熱 鍛及溫鍛模具用鋼，適用于機(jī)械零部件的精密模鍛。
【背景技術(shù)】
[0002] 鍛模是熱模鍛的工具，將鍛件坯料加熱到金屬的再結(jié)晶溫度以上的鍛造溫度范圍 內(nèi)，放在鍛模上，再利用鍛造設(shè)備的壓力將坯料鍛造成帶有復(fù)雜形狀的鍛件。
[0003] 鍛模對(duì)高溫狀態(tài)下的金屬進(jìn)行加工，工件溫度最高可達(dá)1200°c，工作條件苛刻，模 具需承受反復(fù)沖擊載荷和冷熱交變作用，產(chǎn)生很高的內(nèi)應(yīng)力。金屬流動(dòng)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生摩擦作 用磨損模具表面。因此要求鍛造模具在高溫下應(yīng)具有高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、韌性、抗熱 裂性。因此鍛模材質(zhì)通常選擇5CrNiMo、H13、3Cr2W8V。上述三個(gè)鋼種的熱強(qiáng)性能，5CrNiMo 最低，3Cr2W8V最高；沖擊韌性，5CrNiMo及H13較高，3Cr2W8V較低；三個(gè)鋼種的性能差別 主要由化學(xué)成分及組織狀態(tài)所決定，5CrNiMo鋼合金元素總量較低，熱強(qiáng)性較差，溫度超 過(guò)300°C，強(qiáng)度開(kāi)始急劇下降，僅適用于模具表面溫度為400°C以下的工況使用，如錘鍛模； 3Cr2W8V因含有較高的W元素，具有明顯的二次硬化效果，熱強(qiáng)性及回火穩(wěn)定性較高，模具 表面溫度可在600~650°C工況下工作，但用在鍛模方面模具使用壽命不高，因鍛模在使用 過(guò)程需承受很大的沖擊載荷，3Cr2W8V鋼沖擊韌性較低，影響鍛模的使用壽命；H13鋼的熱 強(qiáng)性介于5CrNiMo和3Cr2W8V之間，鋼中含有5%Cr及適量的Mo、V、Si等合金元素，具有 二次硬化效果，可在550~600°C工況下工作，且沖擊韌性高于3Cr2W8V，因此H13鋼在鍛模 上的應(yīng)用較為廣泛。
[0004] H13鋼雖然具有良好的沖擊韌性，但其高溫強(qiáng)度不是很高，在較大的壓力載荷下， 模具容易產(chǎn)生塌陷，而具有高強(qiáng)度的3Cr2W8V熱模具鋼，其韌性較差，在使用過(guò)程中也會(huì)使 模具的壽命降低。熱鍛及溫鍛模具的使用壽命是熱作模具鋼中最低的一類模具，模具單次 平均使用壽命僅為3000次左右，因此熱鍛及溫鍛模具的使用壽命急待提高。
[0005] 因此，目前也有很多研究開(kāi)始解決這一問(wèn)題，中國(guó)專利CN1040396公開(kāi)了高強(qiáng)韌 性錘鍛模具鋼，該鋼雖然添加了Cr、Mo、W、V合金元素，但添加量較少，對(duì)鋼的高溫強(qiáng)度的 提高不明顯，模具在高溫下工作表面易磨損。該鋼經(jīng)980°C淬火+600°C回火處理后，硬度 達(dá)到HRC45. 5 ;室溫沖擊韌性達(dá)到ak53. 9J/cm2 ;550°C沖擊韌性達(dá)到ak83. 3J/cm2 ;對(duì)比 鋼種5CrNiMo鋼經(jīng)860°C淬火+450°C回火處理后，硬度達(dá)到HRC45 ;550°C沖擊韌性達(dá)到 ak51.OJ/cm2 ;該鋼的高溫強(qiáng)度較5CrNiMo有一定提高，用于自由錘鍛件模具使用壽命比 5CrNiMo鋼提高1~2倍，用于熱模鍛模具使用壽命比5CrNiMo鋼提高一倍，但與H13鋼相 t匕，使用壽命相當(dāng)，說(shuō)明該鋼適合于自由錘鍛模具。該鋼雖然添加了 〇、1〇、1、￥合金元素， 但添加量較少，與5CrNiMo鋼相比，高溫強(qiáng)度隨有提高，但是使用壽命沒(méi)有超過(guò)H13。中國(guó)專 利CN86101666公開(kāi)了一種高性能熱作模具鋼，與專利CN1040396公開(kāi)的化學(xué)成分相比，該 鋼雖然增加了添加了Cr、Mo、W、V合金元素，高溫回火后硬度進(jìn)一步提高，但沖擊韌性有所 降低。該鋼經(jīng)1060°C淬火+600°C回火處理后，硬度達(dá)到HRC48,550°C沖擊韌性：6.OKgf·Μ/ cm2,與公開(kāi)號(hào)為CN1040396的專利申請(qǐng)相比，高溫回火硬度有所提高，沖擊韌性有所下降， 主要適用于承受沖擊載荷不大的模具。
[0006] 精密鍛造領(lǐng)域中的溫鍛成形對(duì)模具的高溫硬度及沖擊韌性的要求高于熱鍛模具， 因精密溫鍛成形溫度（700~850°C)低于熱鍛溫度，鍛坯變形抗力增大，與熱鍛相比，模具 承受的沖擊載荷增大1~4倍，因此要求模具能夠承受重載沖擊載荷，因此溫鍛模具必須同 時(shí)具有足夠的強(qiáng)度及韌性。傳統(tǒng)的熱作模具鋼H13、3Cr2W8V以及有關(guān)專利申請(qǐng)公開(kāi)的鋼 種的性能特點(diǎn)，都不具備足夠的強(qiáng)度及韌性應(yīng)用于精密溫度成形模具，單次使用壽命僅為 2000次左右，都存在使用壽命不高的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服精密溫鍛模具使用壽命偏低的缺點(diǎn)，本發(fā)明采用Mo-w-v的合金化技術(shù) 提高材料的高溫強(qiáng)度，通過(guò)添加碳化物形成元素Mo、W、V，在回火處理過(guò)程中沉淀析出細(xì)小 彌散的高硬度的碳化物，形成二次硬化效應(yīng)，提高材料的高溫強(qiáng)度，采用Ni合金化技術(shù)提 高材料的沖擊韌性，通過(guò)添加合金元素在淬火過(guò)程中Ni形成殘余奧氏體提高材料韌性。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0009] -種鍛造模具用鋼，其成分由以下列元素組成，以質(zhì)量百分含量計(jì)，C:0.30~ 0· 50%;Si:0· 20 ~0· 40%;Mn:0· 40 ~0· 60%;Cr:2· 00 ~3. 00%;Mo:2· 10 ~2. 50% ; W:2· 50 ~2. 90%;V:2· 10 ~2. 50%;Ni:3· 10 ~3. 50%;P:彡 0· 015%;S:彡 0· 005% ;余 量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
[0010] 其中，碳是提高鋼的硬度和強(qiáng)度最為有效的元素，固溶強(qiáng)化作用顯著，回火時(shí)析出 大量彌散的碳化物具有彌散強(qiáng)化作用，是保證熱作模具鋼所能達(dá)到的強(qiáng)度的必不可少的元 素。本發(fā)明鋼種還添加了碳化物形成元素Mo、W、V、Cr，因此需要添加適量的碳元素與碳化 物形成元素在回火處理過(guò)程中沉淀析出細(xì)小彌散分布的碳化物，提高鋼的高溫強(qiáng)度。但C 含量過(guò)高會(huì)造成鋼中出現(xiàn)液析碳化物，降低韌性和焊接性能。因此碳含量不宜過(guò)高，適宜的 碳含量為〇· 30~0· 50%。
[0011] 鋼中含有少量的Si有較好的脫氧作用，但Si含量過(guò)高則降低鋼的焊接性能和切 削加工性能，并且增加石墨化傾向，所以，適宜的Si含量為0. 20~0. 40%。
[0012] 錳是強(qiáng)烈推遲珠光體轉(zhuǎn)變的合金元素，有利于提高鋼的淬透性并提高強(qiáng)度，但Μη 含量過(guò)高有使鋼晶粒粗化的傾向，所以，適宜的Μη含量為0. 40~0. 60%。
[0013] 鉻在本發(fā)明鋼中的重要作用是強(qiáng)烈推遲珠光體轉(zhuǎn)變，有利于淬透性的提高；并提 高馬氏體的回火穩(wěn)定性。Cr是縮小相區(qū)的元素，Cr含量過(guò)高將得到鐵素體組織，導(dǎo)致強(qiáng)度 降低，所以，本發(fā)明鋼種添加的Cr含量2. 00~3. 00%。
[0014] 鑰是提高鋼的熱強(qiáng)性極為有效的合金元素，在鋼中加入合金元素Mo形成M2C型碳 化物可提高鋼的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。Mo與Cr、Mn配合加入，其交互作用可顯著提高鋼的 淬透性，但Mo含量過(guò)高則增大熱加工變形抗力，降低鋼的熱加工性能。所以，本發(fā)明鋼種添 加的Mo含量為2. 10~2. 50%。
[0015] 釩在鋼中的作用主要是細(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)韌性，另外鋼中添加合金元素V可 析出MC型細(xì)小彌散的碳化物產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)提高鋼的回火穩(wěn)定性。過(guò)高的V含量對(duì)鋼 的高溫抗氧化性是不利的。因此本發(fā)明鋼種添加的V含量為2. 10~2. 50%。
[0016] 鎢在鋼中的作用主要是形成碳化物，以M6C和MC型碳化物存在于鋼中，該類型碳 化物具有高硬度的特點(diǎn)，可顯著提高材料的高溫強(qiáng)度。W含量過(guò)高則有降低導(dǎo)熱性能的傾 向，所以，本發(fā)明鋼種添加的W含量為2. 50~2. 90 %。
[0017] 鎳元素添加到鋼中可顯著提高奧氏體穩(wěn)定性，抑制珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變，提高鋼 的淬透性，淬火后獲得馬氏體組織，經(jīng)過(guò)回火處理后獲得高韌性。添加Ni元素還可獲得一 定量的殘余奧氏體組織，殘余奧氏體組織為韌性相組織，可提高鋼的沖擊韌性，鋼中Ni含 量過(guò)高，將形成穩(wěn)定的奧氏體組織，在冷卻過(guò)程中不發(fā)生相變，大幅降低鋼的強(qiáng)度。所以，本 發(fā)明鋼種添加的Ni含量為3. 10~3. 50%。
[0018] -種制備本發(fā)明所述的鍛造模具用鋼的方法，其包括如下步驟：
[0019]a.將各原料在1540~1640°C下進(jìn)行熔煉后澆注成電渣重熔用的電極棒；
[0020] b.將