含铝中合金铸造冷作模具钢的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属材料领域，具体涉及一种铝合金化中合金铸造冷作模具钢。
【背景技术】
[0002] 拉延模具是使金属薄板在凸模和凹模之间被拉伸变形，形成与凸模形状近似的杯 状工件。拉延模具主要要求抗磨损与防粘着性能。用于生产汽车大型覆盖件板材的拉延模 具在服役的过程中承受着较大的冲击力，在高摩擦，高的循环载荷等复杂的工况下工作。因 此要求模具钢材料具有高硬度，高的抗拉强度，高的耐磨性，高韧性，良好的尺寸稳定性，较 低的变形性等机械性能的良好配合。
[0003] 目前，国内外用于生产车辆大型覆盖件的模具的材料主要分为三类：（1)空淬冷 作模具钢，例如，Cr5MolV，Cr6WV等。这类钢的主要特点是空冷淬透性较好，热处理变形较 小，适用于既要求耐磨性又具备一定韧性的模具。然而，这类钢基本属于过共析钢或莱氏 体钢，钢液凝固时产生合金元素的偏析区，构成枝晶间包有碳化物的粗晶结构，因此必须通 过锻造工艺改善其性能，才能得以应用，生产成本较高。（2)高碳高铬冷作模具钢，例如， Crl2MoV，Crl2，Crl2MolVl等。这类钢的主要特点是具有高的耐磨性，并且具有变形小的特 性。这些钢都属于莱氏体钢，在铸态时存在鱼骨状共晶碳化物，虽然在锻轧工艺中鱼骨状共 晶碳化物被破碎，但在钢中还存在不均匀分布，导致模具的各项异性。另外，高的合金元素 含量是模具的生产成本大大增加。（3)高韧性高耐磨冷作模具钢，例如，7Cr7M 〇2V2Si，这类 钢的合金总量在12%左右，属于高合金钢，兼具高的耐磨性和韧性。然而，7Cr7Mo2V2Si钢 的脱碳敏感性较大，对热处理工艺较高。
[0004] 上述三类模具钢均属于高碳合金钢，这类钢存在的共性问题是其铸态组织均为枝 晶间包有碳化物的粗晶结构，这种组织的极大的削弱了钢的铸态机械性能，因此必须通过 锻轧工艺来改善钢中碳化物的分布，从而改善钢的使用性能。但是，用于生产车辆大型覆盖 件板材的模具形状复杂或是尺寸较大。通过锻造工艺获得形状复杂，尺寸较大的模具非常 困难，而且生产成本较高。然而，在高碳铸钢中由于合金元素的偏聚，大块的共晶碳化物和 一次碳化物沿晶界分布，极大的削弱了铸造模具钢钢的机械性能。这极大的限制了铸造冷 作模具钢在汽车模具市场中的应用。因此，模具市场迫切需要一种兼具有较高耐磨性和强 韧性，同时生产成本较低，制作周期较短的铸造模具材料。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为克服现有铸造冷作模具钢存在的问题，提供一种具有较高耐磨 性和强韧性，同时生产成本低，易加工的含铝中合金铸造冷作模具钢。
[0006] 本发明含铝中合金铸造冷作模具钢，由以下组元质量百分比组成：C 0.50~ 0. 65, Si 0. 90 ~1. 20, Mn 0. 60 ~0. 90, Al 0. 70 ~1. 20, Cr 4. 50 ~5. 50, Mo 0. 74 ~ 0· 84, V 0· 70 ~0· 80, S〈0. 020, Ρ〈0· 025,余量为 Fe。
[0007] 本发明的主要化学成分选择依据是：
[0008] (1)碳：C在模具钢中的作用主要：一是在二次硬化温度回火析出纳米级合金碳化 物，通过析出强化提高钢的强度与硬度。二是固溶强化，获得高的其力学性能。但是过多的 碳加入，导致大量的块状共晶碳化物或一次碳化物在晶界形成或析出，从而极大的削弱模 具钢的机械性能。
[0009] (2)硅：在回火过程中，硅推迟ε - Θ的转变，并能充分减小渗碳体在回火过程中 的长大速率，硅原子从Θ相析出而在Θ相周围形成硅原子的富集区，抑制Θ相的长大粗 化；另外，硅能有效提高模具钢的抗回火软化能力。
[0010] (3)锰：Mn改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与S有较大的 亲和力，可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS，而以具有一定塑性的MnS存在。Mn溶 入奥氏体中能强烈增加钢的淬透性，同时强烈降低钢的Ms点。
[0011] (4)铬：Cr元素对模具钢的淬透性，耐磨损性，硬度和强度都有有利的作用。在模 具钢中，铬一部分溶于钢中起固溶强化的作用，另一部分与碳结合，形成合金碳化物，从而 影响钢的性能。
[0012] (5)钼：Mo是作为是模具钢具有二次硬化的主要合金元素加入的，Mo可与C形成 Mo2C* (MoV)C碳化物。具有密排六方的此2(：在马氏体板条内，亚晶界上以平行的细针状 析出，从而有利于提高钢的硬度和强度。
[0013] (6)钒：V能够有效阻碍奥氏体晶粒的长大，它与C的亲和力强，形成具有FCC结构 的VC碳化物，其在钢内有利于耐磨性提高。同时，增加钢的回火稳定性和二次硬化效应。
[0014] (7)铝：Al能够降低C在奥氏体中的活度和扩散系数，因此能够抑制初生合金碳化 物的析出，有利于钢韧性的提高。Al和N具有很强的亲和力，在凝固冷却的过程中能够形 成AlN相，能够起到细化奥氏体晶粒的作用。Al固溶于α - Fe中，能够起到固溶强化的作 用。另外，Al脱氧能力很强，较高Al含量能减少磷的有害作用。
[0015] (8)硫：S在模具钢中为有害元素，必须控制其含量。
[0016] (9)磷：P在模具钢中为有害元素，必须控制其含量。
[0017] 本发明的含铝中合金铸造模具钢的制备及后处理工艺：
[0018] (1)以生铁、废钢、铬铁、钼铁、钒铁、锰铁和硅铁为原料，根据设计成分及炉中各元 素的烧损情况调整炉料组成，放入中频感应电炉中熔炼，熔炼温度为1640~1680°C，待其 完全融化后，将其表面炉渣清除，出炉前加入纯铝丝进行合金化；
[0019] (2)温度在1600~1650°C出炉，钢水包内纯铝脱氧；
[0020] (3)采用砂型铸造，浇注温度为1560~1580°C ;
[0021] (4)铸件冷至200°C，开箱落砂，清理飞边，毛刺；
[0022] (5)对铸件进行等温球化退火处理：将铸件放入热处理炉中，随炉升温至860°C， 保温2h，然后让铸件随炉冷却，待温度降至760°C，再保温2. 5h，最后停炉，让铸件随炉冷却 至300°C后，出