专利名称：一种新型模具钢及其热处理工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型合金工具钢，尤其涉及一种新型模具钢及其热处理工艺。
背景技术：
模压成型已成为制造业，尤其家电、日用品的主要加工手段。模具的工作条件及对性能的要求千差万别，因而针对不同服役条件选用不同的钢类。模具用钢的性能-价格比是衡量其经济效益的参数，冷挤压模具除要求与其他冷作模相近的抗压性(即硬度)之外，还要求尽可能高的强韧性。对于加工高强度材料同时又要求高寿命(尽可能大的冲压件数)的模具，还需要一定的抗疲劳强度。
现有用于制作不锈钢、钛金属的眼镜架或高档金属纽扣的模具的材料一般采用Cr12Mo1V1钢材料制作，合金的成分为C1.4～1.6％，Si0.6％，Mn0.6％，Cr11～13％，Co1％，V1.1％，Mo0.7～1.2％，S≤0.03％，P≤0.03％。该合金因为含碳量高，不管用什么球化退火工艺，其球化退火硬度都不会低于HRC15，用户用“硬上公复模”方法制作模具，容易使“主模”产生崩裂现象。模具使用的时候线条不够清晰、饱满，精细程度都不能满足生产高档产品的要求。
中国发明专利(公开号为CN1116661)公开了一种微变形空硬工具钢，含碳C1.00～1.10％，锰Mn0.60～0.80％，硅Si0.50～0.70％，铬Cr3.70～4.20％，钼Mo0.80～1.00％，钒V0.40～0.50％，硫S＜0.02％，磷P＜0.02％，其余为铁Fe的含量。热处理变形极微，退火硬度HB200～220，空淬硬度HRC58～62，淬透性高，可广泛替代油淬工、模具钢，用于轻切削及慢速的细、长、薄的切削工具，冷作模具、样板及轧辊等，工具及模具制作过程简化，使用寿命高。但该工具钢与Cr12Mo1V1钢一样，都含有比较高含量的Mo，现在由于国际市场上Mo缺乏，价格比较昂贵，因此生产合金的成本较高。
中国发明专利(公开号为CN1166533)公开了一种新型无莱氏体高合金冷作模具钢，其成分为C0.4～1.4％，Cr7.0～10.0％，Mo1.0～2.0％，V2.0～8.0％，由于碳含量低，故在铸锭冷凝时不形成莱氏共晶，因而不存在碳化物偏析及粗大碳化物。经过特定的热处理(其中包括可控无内氧化过饱和渗碳、低温淬火及低温回火)后心部硬度在HRC55左右，表层组织及硬度与著名的粉末冷作模具钢V-4、V-10相当。但该合金同样含有比较高含量的Mo，V，因此生产成本大大提高。
发明内容
为了解决Cr12Mo1V1钢制作用于压制软制软金属产品的模具时易使“主模”产生崩裂，模具使用的时候线条不够精细、寿命短的缺陷，同时又降低合金的生产成本。本发明的目的是提供一种经球化退火硬度低于HRC5，经淬火后还具有足够的韧性和耐磨性，可制作精细模具、使用寿命长，生产成本低的新型模具钢。
本发明的第二个目的是提供上述新型模具钢的热处理工艺。
为了达到上述的第一个发明目的，本发明采用了以下的技术方案一种新型模具钢，按重量百分比计该模具钢包括碳C0.5～0.65％，硅Si0.2～1.2％，锰Mn0.2～0.4％，铬Cr4.5～5.5％，钴Co0.3～2.0％，钒V0.2～0.6％，镍Ni0.1～0.2％，钼Mo0.2～0.6％，钨W0.2～0.6％，硫S≤0.015％，磷P≤0.02％，其余量为铁Fe。
作为优选，按重量百分比计该模具钢包括碳C0.55～0.65％，硅Si1.0～1.2％，锰Mn0.2～0.4％，铬Cr4.5～5.5％，钴Co0.3～0.6％，钒V0.2～0.6％，镍Ni0.1～0.2％，钼Mo0.2～0.6％，钨W0.2～0.6％，硫S≤0.015％，磷P≤0.02％，其余量为铁Fe。
作为最优选，按重量百分比计该模具钢包括碳C0.6％，硅Si1.1％，锰Mn0.3％，铬Cr5.0％，钴Co0.4％，钒V0.4％，镍Ni0.15％，钼Mo0.4％，钨W0.4％，硫S≤0.015％，磷P≤0.02％，其余量为铁Fe。
作为优选，该模具钢还包括0.3％以下的铌。
作为优选，该模具钢还包括0.3％以下的钛。
作为优选，该模具钢还包括0.05％以下的稀土元素。
为了实现本发明的第二个目的，本发明的新型模具钢的热处理工艺，包括以下步骤(1)、预加热，处理温度在500～650℃，处理时间为30～60分钟；(2)、淬火加热，淬火加热温度为900～950℃，油冷或空冷或者盐浴冷却；(3)、回火，回火温度为160～200℃，然后空冷至室温。
作为优选，步骤(2)中采用油冷冷却，油冷中分级保温，保温温度为200～250℃。
作为优选，步骤(2)中采用盐浴冷却冷却，盐浴冷却中分级保温，保温温度为350～400℃。
作为优选，回火冷却以后再次进行回火处理，回火温度为160～200℃，然后空冷至室温。
本发明主要组份范围确定的理由如下
碳，它与碳化物形成元素形成的各种碳化物是钢获得高温强度的重要组织因素。适量的过剩碳化物可阻止晶粒长大，提高耐磨性。但碳含量过高，会使钢材失去塑性，另外由于碳化物过多，分布不均匀，也会引起模具崩裂。本发明碳适宜的含量为0.5～0.65％。
硅，其目的是提高钢的淬透性、回火稳定性与基体强度，保证钢的高温强度、高温硬度和热稳定性，本发明硅适宜的含量为Si0.2～1.2％。
锰，其目的是提高钢的淬透性，同时消除硫存在的有害影响，本发明锰适宜的含量为0.2～0.4％。
铬，主要作用是提高钢的淬透性和抗氧化性，铬是一种强烈的碳化物形成元素，它能与碳形成多种化合物，以及与铁碳形成复合的化合物，但过高的铬含量有损于钢的高温强度。本发明铬适宜的含量为4.5～5.5％。
钴，是非碳化物形成元素。主要提高合金钢的高温强度，提高钢的热硬性和可加工性。但过高的钴含量将影响本发明的经济性。本发明钴适宜的含量为0.3～2.0％。
钒、钼、钨均为强碳化物形成元素。加入钒0.2～0.6％可以防止钢的过热敏感倾向，提高钢的高温硬度和高温强度。加入钼Mo0.2～0.6％可以提高淬透性与热强性。加入钨0.2～0.6％起到提高热强性的作用。
镍，与钴一样，是非碳化物形成元素，通过固溶强化方式来提高钢的强度，同时对塑性、韧性也有改善。同时，加入镍能降低钢材的临界淬火速度，因而对钢材的淬透性大大提高。钢材中铬镍共存，能大大提高钢材的综合机械性能。本发明镍适宜的含量为0.1～0.2％。
铌，它是比钒还强的碳化物形成元素。钢中少量的铌主要以碳化铌的形式存在。可以阻止奥氏体晶粒长大，从而提高了韧性，改善了热加工的工艺性能。本发明采用0.3％以下的铌。
钛，可改善耐磨性能。本发明采用0.3％以下的钛。
稀土，对提高合金的抗氧化性能、有明显的作用，另外，稀土对疲劳裂纹的扩展，还有直接的改善。本发明采用0.05％以下的稀土元素。
本发明的硫S≤0.015％，磷P≤0.02％，合金钢的纯度高，合金钢的抗疲劳性能以及其他机械性能均十分优良。
本发明合金钢材料的球化退火硬度可达HRC5°以下，在这个硬度下，用户用“硬上公复模”方法制作模具，就不会使“主模”产生崩裂现象，该合金钢淬火后硬度为HRC58°-60°，和相同硬度的Cr12Mo1V1比韧性和耐磨性均优于后者。本发明解决了用于不锈钢，钛金属眼镜架和高档金属钮扣的模具制作，提高了模具的承压次数。同时，本发明采用了较低的钼含量，降低了合金钢的生产成本。解决了钛金属眼镜架的高档金属钮扣生产上的一大难题。
图1为本发明新型模具钢热处理工艺曲线图。
图2为本发明新型模具钢回火曲线图。
具体实施例方式
实施例1一种新型模具钢，按重量百分比计该模具钢包括碳C0.6％，硅Si1.1％，锰Mn0.3％，铬Cr5.0％，钴Co0.4％，钒V0.4％，镍Ni0.15％，钼Mo0.4％，钨W0.4％，铌0.3％、钛0.3％，稀土元素0.05％，硫S≤0.015％，磷P≤0.02％，其余量为铁Fe。
上述新型模具钢热处理工艺，可以采用以下步骤进行(1)、预加热，处理温度在500～650℃，处理时间为30～60分钟；
(2)、淬火加热，淬火加热温度为900～950℃，淬火时间为25+材料厚度/2(分钟)，然后空冷至室温；(3)、第一次回火，回火温度为160～200℃，然后空冷至室温。回火时间为2.5小时，然后空冷至室温。
(4)、第二次回火，回火温度为160～200℃，然后空冷至室温。回火时间为2.5小时，然后空冷至室温。
实施例2一种新型模具钢，按重量百分比计该模具钢包括碳C0.55％，硅Si1.0％，锰Mn0.2％，铬Cr4.5％，钴Co0.3％，钒V0.2％，镍Ni0.1％，钼Mo0.2％，钨W0.2％，铌0.3％、钛0.3％，稀土元素0.05％，硫S≤0.015％，磷P≤0.02％，其余量为铁Fe。
上述新型模具钢热处理工艺，可以采用以下步骤进行(1)、预加热，处理温度在500～650℃，处理时间为30～60分钟；(2)、淬火加热，淬火加热温度为900～950℃，淬火时间为25+材料厚度/2(分钟)，然后采用油冷；油冷中分级保温，保温温度为200～250℃，然后油冷至室温。
(3)、第一次回火，回火温度为160～200℃，然后空冷至室温。回火时间为2.5小时，然后空冷至室温。
(4)、第二次回火，回火温度为160～200℃，然后空冷至室温。回火时间为2.5小时，然后空冷至室温。
实施例3一种新型模具钢，按重量百分比计该模具钢包括碳C0.65％，硅Si1.2％，锰Mn0.4％，铬Cr5.5％，钴Co0.6％，钒V0.6％，镍Ni0.2％，钼Mo0.6％，钨W0.6％，铌0.3％、钛0.3％，稀土元素0.05％，硫S≤0.015％，磷P≤0.02％，其余量为铁Fe。
上述新型模具钢热处理工艺，可以采用以下步骤进行(1)、预加热，处理温度在500～650℃，处理时间为30～60分钟；(2)、淬火加热，淬火加热温度为900～950℃，淬火时间为25+材料厚度/2(分钟)，然后采用盐浴冷却；盐浴冷却中分级保温，保温温度为350～400℃，然后盐浴冷却至室温。
(3)、第一次回火，回火温度为160～200℃，然后空冷至室温。回火时间为2.5小时，然后空冷至室温。
(4)、第二次回火，回火温度为160～200℃，然后空冷至室温。回火时间为2.5小时，然后空冷至室温。
权利要求
1.一种新型模具钢，其特征在于按重量百分比计该模具钢包括碳C0.5～0.65％，硅Si0.2～1.2％，锰Mn0.2～0.4％，铬Cr4.5～5.5％，钴Co0.3～2.0％，钒V0.2～0.6％，镍Ni0.1～0.2％，钼Mo0.2～0.6％，钨W0.2～0.6％，硫S≤0.015％，磷P≤0.02％，其余量为铁Fe。
2.如权利要求1所述的一种新型模具钢，其特征在于按重量百分比计该模具钢包括碳C0.55～0.65％，硅Si1.0～1.2％，锰Mn0.2～0.4％，铬Cr4.5～5.5％，钴Co0.3～0.6％，钒V0.2～0.6％，镍Ni0.1～0.2％，钼Mo0.2～0.6％，钨W0.2～0.6％，硫S≤0.015％，磷P≤0.02％，其余量为铁Fe。
3.如权利要求1所述的一种新型模具钢，其特征在于按重量百分比计该模具钢包括碳C0.6％，硅Si1.1％，锰Mn0.3％，铬Cr5.0％，钴Co0.4％，钒V0.4％，镍Ni0.15％，钼Mo0.4％，钨W0.4％，硫S≤0.015％，磷P≤0.02％，其余量为铁Fe。
4.如权利要求1或2或3所述的一种新型模具钢，其特征在于该模具钢还包括0.3％以下的铌。
5.如权利要求1或2或3所述的一种新型模具钢，其特征在于该模具钢还包括0.3％以下的钛。
6.如权利要求1或2或3所述的一种新型模具钢，其特征在于该模具钢还包括0.05％以下的稀土元素。
7.如权利要求1所述的新型模具钢的热处理工艺，其特征在于包括以下步骤(1)、预加热，处理温度在500～650℃，处理时间为30～60分钟；(2)、淬火加热，淬火加热温度为900～950℃，油冷或空冷或者盐浴冷却；(3)、回火，回火温度为160～200℃，然后空冷至室温。
8.如权利要求7所述的新型模具钢的热处理工艺，其特征在于步骤(2)中采用油冷冷却，油冷中分级保温，保温温度为200～250℃。
9.如权利要求7所述的新型模具钢的热处理工艺，其特征在于步骤(2)中采用盐浴冷却，盐浴冷却中分级保温，保温温度为350～400℃。
10.如权利要求7所述的新型模具钢的热处理工艺，其特征在于回火冷却以后再次进行回火处理，回火温度为160～200℃，然后空冷至室温。
全文摘要
本发明涉及一种新型合金工具钢，尤其涉及一种新型模具钢及其热处理工艺。一种新型模具钢，按重量百分比计该模具钢包括碳C0.5～0.65％，硅Si0.2～1.2％，锰Mn0.2～0.4％，铬Cr4.5～5.5％，钴Co0.3～4.0％，钒V0.2～0.6％，镍Ni0.1～0.2％，钼Mo0.2～0.6％，钨W0.2～0.6％，硫S≤0.015％，磷P≤0.02％，其余量为铁Fe。本发明的模具钢经球化退火硬度低于HRC5，经淬火后还具有足够的韧性和耐磨性，可制作精细模具、使用寿命长，生产成本低的新型模具钢。本发明另外还公开了该模具钢的热处理工艺。
文档编号C21D11/00GK1824822SQ200610049259
公开日2006年8月30日 申请日期2006年1月25日 优先权日2006年1月25日
发明者周向儒, 赵春华, 廖德秀, 宋利秋 申请人:周向儒