一種高強韌耐磨冷作模具鋼及其制備方法

專利名稱：一種高強韌耐磨冷作模具鋼及其制備方法
技術領域：
本發明涉及耐磨模具鋼，特別是涉及一種具有高淬硬性，合金成本低廉，具有較好強度韌性的配合及耐磨冷作模具鋼及其制造方法。本發明鋼適用于冷成型精密沖壓模冷鍛、汽車部件彎曲模具、液壓成型模具。
背景技術：
冷作模具鋼主要用于制造在冷狀態(室溫)條件下進行壓制成形的模具，如冷拉伸模具、冷鐓模具、冷擠壓模具、壓印模具、輥壓模具等。冷作模具的工作條件和刃具有些相似，但因被加工材料在冷態下變形，故變形抗力很大。與刃具鋼相比，冷作模具鋼應當要求更高的淬透性、耐磨性和韌性，而紅硬性的要求可低些，一般冷作模具工作時溫度升高不會超過 200-300°C。
目前，國內模具材料市場上應用最為廣泛的冷作模具鋼材料是高碳高鉻冷作模具鋼Crl2MoV作為主選通用型的冷作模具鋼材料。這種鋼具有較高的淬透性、淬硬性、耐磨性，高溫抗氧化性能好，可以作為通用型冷作模具鋼材料用于制造各種用途的冷作模具，例如形狀復雜的沖孔凹模、冷擠壓模、滾螺紋輪、冷剪切刀和精密量具等。但是，這種Crl2MoV通用型冷作模具鋼材料中的合金元素組成中含有較高的碳和鉻元素(該材料化學成分質量百分數為C 1. 45-1. 70%,Si ( 0. 40%,Mn ( 0. 40%,Cr :11. 0-12. 5%,Mo :0. 4-0. 6%,Ni ^ 0. 10%,Cu ^ 0. 10%,P ^ 0. 030%, S ^ 0. 030% )，而過多的碳和鉻元素含量會使材料顯微組織中存在網狀的萊氏體碳化物，造成材料的韌性不高。模具在使用中易崩刃、斷裂或塌陷。Crl2MoV鋼的性能指標在經過980°C淬火以及200°C回火之后，沖擊功為39J，硬度為60HRC。而這些性能指標是冷作模具鋼的關鍵技術指標。冷作模具主要用于金屬或非金屬材料的冷成型，包括冷沖壓、冷擠壓和冷鐓等。這類模具工作載荷大、尺寸精度、表面質量要求高。通常選用的冷作模具鋼要求有足夠的強度、韌度、硬度和耐磨性。而Crl2MoV鋼由于組織中含有不均勻的萊氏體碳化物，雖然經過淬火和回火之后有較高的硬度和耐磨性能，但是韌性較低。在實際使用中容易發生崩裂和塌陷。上述Crl2MoV鋼采用電弧爐熔煉，澆鑄成鋼錠鍛造開坯，具體步驟依次為煉鋼、鍛造、熱處理，最后形成產品。其鍛造的加熱溫度為1110-1130°C，終鍛溫度為彡900°C，冷卻方式采用高溫退火、坑冷或者砂冷。由于Crl2MoV鋼形成大量粗大的呈連續網狀分布的共晶碳化物。這種網狀共晶碳化物嚴重割裂基體，還可作為模具鋼斷裂時的裂紋源和裂紋擴展途徑，從而使得模具鋼的晶界嚴重脆化，韌性很低。并且在鍛造時，由于受到鍛造比的限制，對于大尺寸鑄還，其心部的共晶碳化物很難打碎，所以在鍛造后的模具鋼組織中經常存在帶狀碳化物偏析，使模具鋼的性能出現各向異性。而且由于網狀共晶碳化物的存在，在鍛造過程中容易出現開裂和過燒等引起的廢品。CN1854324A公開了一種高合金冷作模具鋼的生產工藝。其化學成份重量百分比含量為C 1. 45-1. 55%, Cr :7. 8-8. 2%, V :3. 9-4. l%,Mo :1. 4-1. 6%, Si :0. 9-1. l%,Mn
0.3-0. 5%，余Fe。該冷作模具鋼含有較高的碳元素和鑰、釩元素，并且采用噴射成形技術、一道次達變形量熱軋以及等溫球化熱處理工藝進行生產。但該高合金冷作模具鋼未涉及韌性。CN101182619A公開了一種高韌性冷作模具鋼及其制造方法。其化學成份重量百分比含量為c 0. 9-1. 0%,Cr :9-10%, V 0. 8-1. 0，Mo :2. 0%，Si :1. 0%，余 Fe。主要是依靠Cr的碳化物強化作用，提高材料的硬度，但是由于碳、鉻在凝固過程中易形成大量的一次碳化物，從而導致鋼的韌性不是很理想。為此，提供一種高強度高韌性，適合用于冷成型精密沖壓模冷鍛、汽車部件彎曲模具、液壓成型模具的耐磨冷作模具鋼具有十分重要的意義
發明內容
本發明的目的在于提供一種高強韌耐磨冷作模具鋼。為實現上述目的，本發明的高強韌高耐磨冷作模具鋼的主要合金元素為(質量百分比):C 0. 85-0. 95%, Si :0. 45-1. 0%, Mn :0. 2-0. 40%, P < 0. 02%, S < 0. 02%, Cr 6. 50-8. 80%, Mo 1. 20-1. 30%, V :0. 20-0. 30%，余量為 Fe 及不可避免的雜質。本發明的另一個目的是提供上述高強韌高耐磨冷作模具鋼的制造方法，該方法包括如下步驟按照本發明的化學成分的配比冶煉、澆鑄以及電渣重熔得到鋼錠；將上述鋼錠加熱至1190-1230°C溫度范圍并保溫2-4小時后進行鍛造加工，其中始鍛溫度為1020-1100°C，終鍛溫度為彡8300C ；然后在1020-1040°C溫度淬火，時間為I. 0-1. 5小時，在180_230°C溫度回火，時間為I. 5-2. 0小時。本發明鋼合理的化學成分配比和先進的制造工藝使得本發明鋼經過淬火以及回火熱處理之后，性能指標達到沖擊功為79J以上，硬度為62HRC以上。


圖I為本發明鋼(實施例I)和CrMoV鋼經過淬火回火后的金相組織比較。圖I (a)為本發明鋼在1030°C淬火以及200°C回火后的金相照片。圖1(b)為Crl2MoV鋼的金相照片。圖2是本發明鋼(實施例3)經過1040°C淬火以及210°C回火后檢測的耐磨性能與傳統的冷作模具鋼Crl2MoV的耐磨性進行比較的直方圖。
具體實施例方式以下結合實施例詳細說明本發明的特點和優點。本發明中，除非另有指明，含量均指重量百分比含量。為了實現本發明的提供高強韌高耐磨冷作模具鋼的目的，各主要元素控制如下C 0. 85-0. 95%C碳元素是高強韌性冷作模具鋼的主要化學元素之一，是形成釩碳化物、鑰碳化物和鉻碳化物等各種碳化物的不可缺少的基本元素，也是影響鋼的成分偏析和鋼的組織均勻性的重要元素，溶解在馬氏體中能夠保證馬氏體擁有良好的強度和淬透性。鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強度升高，但塑性和沖擊性降低。此外，碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。本設計鋼成分與Crl2MoV鋼相比較，碳含量有較大的降低，其目的是改善鋼的顯微組織中的碳化物的分布和性質，改善鋼的網狀碳化物的級別。較低的碳元素含量可以防止鋼在凝固的過程中產生偏析組織從而造成鋼的抗彎強度和沖擊韌性下降。因此，碳含量如果高于此成分設計上限，將導致過多的碳化物的形成和組織的偏析產生，影響鋼的網狀性能指標，特別是造成鋼的抗彎強度和沖擊韌性降低；但是碳元素低于此成分的設計范圍也將要造成碳元素和其他合金元素結合形成碳化物的當量發生偏差，不能有效地形成穩定的細小的碳化物和碳化物的復合作用，影響鋼的強度和鋼的淬硬性。因此，本發明中控制C :
0.85-0. 95%，優選地控制 C :0. 86-0. 94% Si 0. 45-1. 0%Si溶于基體中能夠提高基體強度，回火時能夠阻礙馬氏體的分解提高了鋼的回火穩定，在煉鋼過程中能夠起到還原劑和脫氧劑的作用。如果鋼中含硅量超過I. 0%，硅就算合金元素。硅能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點和抗拉強度。硅元素可以在奧氏體到馬氏體的轉變之后的回火過程中有效阻礙馬氏體的分解，這主要是通過擬制e碳化物質點的長大和擴大e碳化物穩定區，延遲了 e碳化物向Fe3C^A轉變。本發明的硅含量的控制相對目前Crl2MoV鋼稍有提高，目的是進一步阻止馬氏體轉變后在回火過程中的分解，對提高鋼在淬火后的抗彎強度和沖擊性能值有一定的作用。因此，本發明中控制Si 0. 45-1.0%,優選地控制Si :0. 55-1. 0%0Mn 0. 2-0. 4%Mn在奧氏體化的過程中，大部分溶入到了基體當中，提高了基體中的合金含量，力口強了固溶強化作用，從而提高基體的強度。但是Mn有嚴重的正偏析傾向，可富集于共晶團晶界處形成晶間碳化物，能降低材料的韌性。將Mn元素控制在一定的范圍內，目的是增加基體的強度，并使材料的性能穩定。因此，本發明中控制Mn :0. 20-0. 40%，優選地控制Mn
0.21-0. 39%。Cr 6. 5-8. 8%Cr是強碳化物形成元素，能夠提高材料的淬透性，同時價格低廉。但Cr也是網狀碳化物形成的主要原因，影響材料的韌性，因此Cr的含量不宜過高。在CrMoV鋼中含有11. 0-13. 0%的Cr，這些Cr與C形成了網狀的萊氏體碳化物，這些鉻的碳化物在鋼的結晶過程中分布不均勻，不僅影響了鉻元素在鋼種提升淬透性的作用，而且降低了鋼的抗彎強度和沖擊韌性值指標。適當降低Cr含量，目的是使材料的組織均勻，提高材料的韌性。另一方面降低了 Cr的含量也同時降低了合金元素的制造成本。因此，本發明中控制Cr
6.5-8. 8%，優選地控制 Cr :6. 55-8. 75%。Mo 1. 2-1. 3%, V 0. 2-0. 3%Mo和V在鋼中形成彌散的第二相析出物，這些彌散的析出物不僅能夠起到沉淀強化作用，而且能夠有效地阻礙奧氏體晶粒的長大，提高材料的強韌性。并且由于Mo和V與碳原子的親和力強，在回火過程中降低了馬氏體的分解速度，提高鋼的穩定性。與Crl2MoV相比適當提高Mo和V含量，使組織有較多的二次碳化物彌散析出，使馬氏體有足夠高的強度。因此，本發明中控制Mo :1. 2-1. 3%, V :0. 2-0. 3 % ;優選地控制Mo :1. 21-1. 29%, V
0.21-0. 29%。P < 0. 020%磷是鋼中的有害元素，增加鋼的脆性，降低鋼的沖擊韌性，因此磷元素控制較傳統的冷作模具鋼低一些，對性能指標值的提高有一定的作用。S < 0. 020%硫元素在一定的程度上容易造成鋼的加工性能的惡化，容易使得鋼在熱加工的過程中產生過熱和過燒現象。因此控制硫含量較原有技術Cr 12MoV鋼低一些可以提高鋼加工性能和機械性能，特別是對徑鍛機鍛造開坯時的連續鍛造加工所產生的過熱現象起到擬制的作用。 本發明通過控制合適的C、Cr、Mo和V，以減少并細化共晶碳化物，細化晶粒，控制適量的Si，以使這些成分以適量的Si固溶于基體，提高慮Cr和Mo和V的碳化物的析出強化作用，并形成索氏體組織，提高鋼的硬度和韌性，并具有良好的耐磨性。該冷作模具鋼通過加熱到1020°C -1040°C奧氏體化后，促使合金元素大量溶入基體，提高合金度，增強固溶強化效果。同時，在進行二次回火過程中，彌散析出細小均勻的第二相粒子通過沉淀強化，提高材料強韌性。實施例I本實施例中，采用高強韌耐磨冷作模具鋼化學元素配比組成的成分控制值及其重量百分比如下C :0. 90 %, Si :0. 55 %, Mn :0. 35 %, Cr :8. 80 %, Mo :1. 30 %, V 0. 30 %, P
0.019%, S :0. 013%，余量為 Fe。本實施例中，冷作模具鋼的工藝過程和步驟如下采用感應爐中進行熔煉之后澆鑄成的鋼錠作為自耗電極放置于電渣重熔裝置中，進行電渣重熔，液體金屬經過渣池的渣層下落至下面的水冷結晶器中，再重新凝固成2.0噸鋼錠；將上述鋼錠加熱至1230°C溫度范圍內保溫4小時后進行鍛造加工；始鍛溫度1100°C，終鍛溫度 870°C。淬火回火的處理工序溫度控制淬火溫度1030°C ;回火溫度200°C采用本實施例的高強韌耐磨冷作模具鋼的硬度達到HRC62. 5，較通用型的冷作模具鋼Crl2MoV相當；沖擊功值79J，較通用型的冷作模具鋼Crl2MoV提高103%。實施例2-6的具體化學成分(重量百分比)見表I所示，工藝參數控制見表2所
/Jn o表I本發明實施例鋼的化學成分，Wt %
實施例~I-C Mn~ Cr~ Si~Mo~I-V Hs
~I 090 035 8 80 0 55L 30 0^30 0.019 0.013
~2 089 023 6 80 0 78L 30 0 30 0.018 0.01權利要求
1.冷作模具鋼，合金元素的質量百分比組成為c0. 85-0. 95%, Si 0. 45-1.0%,Mn 0. 20-0. 40 %, P < 0. 02 %, S < 0. 02 %, Cr 6. 50-8. 80 %, Mo :1. 20-1. 30 %, V 0. 20-0. 30%，余量為Fe及不可避免的雜質。
2.如權利要求I所述的冷作模具鋼，其特征在于，C:0. 86-0. 94%。
3.如權利要求I或2所述的冷作模具鋼，其特征在于，Si:0. 55-1. 0%。
4.如權利要求1-3任一所述的冷作模具鋼，其特征在于，Mn:0. 21-0. 39%。
5.如權利要求1-4任一所述的冷作模具鋼，其特征在于，Cr:6. 55-8. 75%。
6.如權利要求1-5任一所述的冷作模具鋼，其特征在于，Mo:1. 21-1. 29%。
7.如權利要求1-6任一所述的冷作模具鋼，其特征在于，V:0. 21-0. 29%。
8.如權利要求1-7任一所述的冷作模具鋼，其室溫沖擊功為79J以上，硬度為62HRC以上。
9.如權利要求1-8任一所述的冷作模具鋼的制造方法，包括如下步驟 按照本發明的化學成分的配比冶煉、澆鑄以及電渣重熔得到鋼錠； 將上述鋼錠加熱至1190-1230°C溫度范圍并保溫2-4小時后進行鍛造加工，其中始鍛溫度為1020-1100°C，終鍛溫度為彡8300C ； 然后在1020-1040°C溫度淬火，在180-230°C溫度回火。
10.如權利要求11所述的方法，其特征在于，按照本發明的化學成分的配比，采用感應爐熔煉之后澆鑄成鋼錠作為自耗電極放置于電渣重熔裝置中，進行電渣重熔，液體金屬經過渣池的渣層下落至下面的水冷結晶器中，再重新凝固成鋼錠。
11.如權利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述鋼錠在鍛機加熱爐內以80°C/h-120°C /h的升溫速度加熱至1190-1230°C后保溫2_4小吋。
12.如權利要求9-11任一所述的方法，其特征在于，淬火時間為I.0-1. 5小時。
13.如權利要求9-12任一所述的方法，其特征在于，回火時間為I.5-2. 0小時。
全文摘要
本發明涉及一種冷作模具鋼，其質量百分比組成為C0.85-0.95％，Si0.45-1.0％，Mn0.20-0.40％，P＜0.02％，S＜0.02％，Cr6.50-8.80％，Mo1.20-1.30％，V0.20-0.30％，余量為Fe及不可避免的雜質。上述鋼的制造方法包括按照上述成分配比，經感應爐熔煉，澆鑄鋼錠，電渣重熔后，液體金屬經過渣池的渣層下落至下面的水冷結晶器中，再重新凝固成鋼錠；將上述鋼錠加熱至1190-1230℃并保溫2-4小時后進行鍛造，其中始鍛溫度為1020-1100℃，終鍛溫度為≥830℃；然后在1020-1040℃淬火，在180-230℃回火。得到的冷作模具鋼的室溫沖擊功為79J以上，硬度為62HRC以上，適用于冷成型精密沖壓模冷鍛、汽車部件彎曲模具、液壓成型模具。
文檔編號C22C38/24GK102653837SQ201210044460
公開日2012年9月5日 申請日期2012年2月24日 優先權日2012年2月24日
發明者吳曉春, 李紹宏, 王慶亮, 續維 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司