专利名称：一种高强韧耐磨冷作模具钢及其制备方法
技术领域：
本发明涉及耐磨模具钢，特别是涉及一种具有高淬硬性，合金成本低廉，具有较好强度韧性的配合及耐磨冷作模具钢及其制造方法。本发明钢适用于冷成型精密冲压模冷锻、汽车部件弯曲模具、液压成型模具。
背景技术：
冷作模具钢主要用于制造在冷状态(室温)条件下进行压制成形的模具，如冷拉伸模具、冷镦模具、冷挤压模具、压印模具、辊压模具等。冷作模具的工作条件和刃具有些相似，但因被加工材料在冷态下变形，故变形抗力很大。与刃具钢相比，冷作模具钢应当要求更高的淬透性、耐磨性和韧性，而红硬性的要求可低些，一般冷作模具工作时温度升高不会超过 200-300°C。
目前，国内模具材料市场上应用最为广泛的冷作模具钢材料是高碳高铬冷作模具钢Crl2MoV作为主选通用型的冷作模具钢材料。这种钢具有较高的淬透性、淬硬性、耐磨性，高温抗氧化性能好，可以作为通用型冷作模具钢材料用于制造各种用途的冷作模具，例如形状复杂的冲孔凹模、冷挤压模、滚螺纹轮、冷剪切刀和精密量具等。但是，这种Crl2MoV通用型冷作模具钢材料中的合金元素组成中含有较高的碳和铬元素(该材料化学成分质量百分数为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% )，而过多的碳和铬元素含量会使材料显微组织中存在网状的莱氏体碳化物，造成材料的韧性不高。模具在使用中易崩刃、断裂或塌陷。Crl2MoV钢的性能指标在经过980°C淬火以及200°C回火之后，冲击功为39J，硬度为60HRC。而这些性能指标是冷作模具钢的关键技术指标。冷作模具主要用于金属或非金属材料的冷成型，包括冷冲压、冷挤压和冷镦等。这类模具工作载荷大、尺寸精度、表面质量要求高。通常选用的冷作模具钢要求有足够的强度、韧度、硬度和耐磨性。而Crl2MoV钢由于组织中含有不均匀的莱氏体碳化物，虽然经过淬火和回火之后有较高的硬度和耐磨性能，但是韧性较低。在实际使用中容易发生崩裂和塌陷。上述Crl2MoV钢采用电弧炉熔炼，浇铸成钢锭锻造开坯，具体步骤依次为炼钢、锻造、热处理，最后形成产品。其锻造的加热温度为1110-1130°C，终锻温度为彡900°C，冷却方式采用高温退火、坑冷或者砂冷。由于Crl2MoV钢形成大量粗大的呈连续网状分布的共晶碳化物。这种网状共晶碳化物严重割裂基体，还可作为模具钢断裂时的裂纹源和裂纹扩展途径，从而使得模具钢的晶界严重脆化，韧性很低。并且在锻造时，由于受到锻造比的限制，对于大尺寸铸还，其心部的共晶碳化物很难打碎，所以在锻造后的模具钢组织中经常存在带状碳化物偏析，使模具钢的性能出现各向异性。而且由于网状共晶碳化物的存在，在锻造过程中容易出现开裂和过烧等引起的废品。CN1854324A公开了一种高合金冷作模具钢的生产工艺。其化学成份重量百分比含量为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。该冷作模具钢含有较高的碳元素和钥、钒元素，并且采用喷射成形技术、一道次达变形量热轧以及等温球化热处理工艺进行生产。但该高合金冷作模具钢未涉及韧性。CN101182619A公开了一种高韧性冷作模具钢及其制造方法。其化学成份重量百分比含量为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的碳化物强化作用，提高材料的硬度，但是由于碳、铬在凝固过程中易形成大量的一次碳化物，从而导致钢的韧性不是很理想。为此，提供一种高强度高韧性，适合用于冷成型精密冲压模冷锻、汽车部件弯曲模具、液压成型模具的耐磨冷作模具钢具有十分重要的意义
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强韧耐磨冷作模具钢。为实现上述目的，本发明的高强韧高耐磨冷作模具钢的主要合金元素为(质量百分比):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%，余量为 Fe 及不可避免的杂质。本发明的另一个目的是提供上述高强韧高耐磨冷作模具钢的制造方法，该方法包括如下步骤按照本发明的化学成分的配比冶炼、浇铸以及电渣重熔得到钢锭；将上述钢锭加热至1190-1230°C温度范围并保温2-4小时后进行锻造加工，其中始锻温度为1020-1100°C，终锻温度为彡8300C ；然后在1020-1040°C温度淬火，时间为I. 0-1. 5小时，在180_230°C温度回火，时间为I. 5-2. 0小时。本发明钢合理的化学成分配比和先进的制造工艺使得本发明钢经过淬火以及回火热处理之后，性能指标达到冲击功为79J以上，硬度为62HRC以上。
图I为本发明钢(实施例I)和CrMoV钢经过淬火回火后的金相组织比较。图I (a)为本发明钢在1030°C淬火以及200°C回火后的金相照片。图1(b)为Crl2MoV钢的金相照片。图2是本发明钢(实施例3)经过1040°C淬火以及210°C回火后检测的耐磨性能与传统的冷作模具钢Crl2MoV的耐磨性进行比较的直方图。
具体实施例方式以下结合实施例详细说明本发明的特点和优点。本发明中，除非另有指明，含量均指重量百分比含量。为了实现本发明的提供高强韧高耐磨冷作模具钢的目的，各主要元素控制如下C 0. 85-0. 95%C碳元素是高强韧性冷作模具钢的主要化学元素之一，是形成钒碳化物、钥碳化物和铬碳化物等各种碳化物的不可缺少的基本元素，也是影响钢的成分偏析和钢的组织均匀性的重要元素，溶解在马氏体中能够保证马氏体拥有良好的强度和淬透性。钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低。此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。本设计钢成分与Crl2MoV钢相比较，碳含量有较大的降低，其目的是改善钢的显微组织中的碳化物的分布和性质，改善钢的网状碳化物的级别。较低的碳元素含量可以防止钢在凝固的过程中产生偏析组织从而造成钢的抗弯强度和冲击韧性下降。因此，碳含量如果高于此成分设计上限，将导致过多的碳化物的形成和组织的偏析产生，影响钢的网状性能指标，特别是造成钢的抗弯强度和冲击韧性降低；但是碳元素低于此成分的设计范围也将要造成碳元素和其他合金元素结合形成碳化物的当量发生偏差，不能有效地形成稳定的细小的碳化物和碳化物的复合作用，影响钢的强度和钢的淬硬性。因此，本发明中控制C :
0.85-0. 95%，优选地控制 C :0. 86-0. 94% Si 0. 45-1. 0%Si溶于基体中能够提高基体强度，回火时能够阻碍马氏体的分解提高了钢的回火稳定，在炼钢过程中能够起到还原剂和脱氧剂的作用。如果钢中含硅量超过I. 0%，硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度。硅元素可以在奥氏体到马氏体的转变之后的回火过程中有效阻碍马氏体的分解，这主要是通过拟制e碳化物质点的长大和扩大e碳化物稳定区，延迟了 e碳化物向Fe3C^A转变。本发明的硅含量的控制相对目前Crl2MoV钢稍有提高，目的是进一步阻止马氏体转变后在回火过程中的分解，对提高钢在淬火后的抗弯强度和冲击性能值有一定的作用。因此，本发明中控制Si 0. 45-1.0%,优选地控制Si :0. 55-1. 0%0Mn 0. 2-0. 4%Mn在奥氏体化的过程中，大部分溶入到了基体当中，提高了基体中的合金含量，力口强了固溶强化作用，从而提高基体的强度。但是Mn有严重的正偏析倾向，可富集于共晶团晶界处形成晶间碳化物，能降低材料的韧性。将Mn元素控制在一定的范围内，目的是增加基体的强度，并使材料的性能稳定。因此，本发明中控制Mn :0. 20-0. 40%，优选地控制Mn
0.21-0. 39%。Cr 6. 5-8. 8%Cr是强碳化物形成元素，能够提高材料的淬透性，同时价格低廉。但Cr也是网状碳化物形成的主要原因，影响材料的韧性，因此Cr的含量不宜过高。在CrMoV钢中含有11. 0-13. 0%的Cr，这些Cr与C形成了网状的莱氏体碳化物，这些铬的碳化物在钢的结晶过程中分布不均匀，不仅影响了铬元素在钢种提升淬透性的作用，而且降低了钢的抗弯强度和冲击韧性值指标。适当降低Cr含量，目的是使材料的组织均匀，提高材料的韧性。另一方面降低了 Cr的含量也同时降低了合金元素的制造成本。因此，本发明中控制Cr
6.5-8. 8%，优选地控制 Cr :6. 55-8. 75%。Mo 1. 2-1. 3%, V 0. 2-0. 3%Mo和V在钢中形成弥散的第二相析出物，这些弥散的析出物不仅能够起到沉淀强化作用，而且能够有效地阻碍奥氏体晶粒的长大，提高材料的强韧性。并且由于Mo和V与碳原子的亲和力强，在回火过程中降低了马氏体的分解速度，提高钢的稳定性。与Crl2MoV相比适当提高Mo和V含量，使组织有较多的二次碳化物弥散析出，使马氏体有足够高的强度。因此，本发明中控制Mo :1. 2-1. 3%, V :0. 2-0. 3 % ;优选地控制Mo :1. 21-1. 29%, V
0.21-0. 29%。P < 0. 020%磷是钢中的有害元素，增加钢的脆性，降低钢的冲击韧性，因此磷元素控制较传统的冷作模具钢低一些，对性能指标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钢的加工性能的恶化，容易使得钢在热加工的过程中产生过热和过烧现象。因此控制硫含量较原有技术Cr 12MoV钢低一些可以提高钢加工性能和机械性能，特别是对径锻机锻造开坯时的连续锻造加工所产生的过热现象起到拟制的作用。 本发明通过控制合适的C、Cr、Mo和V，以减少并细化共晶碳化物，细化晶粒，控制适量的Si，以使这些成分以适量的Si固溶于基体，提高虑Cr和Mo和V的碳化物的析出强化作用，并形成索氏体组织，提高钢的硬度和韧性，并具有良好的耐磨性。该冷作模具钢通过加热到1020°C -1040°C奥氏体化后，促使合金元素大量溶入基体，提高合金度，增强固溶强化效果。同时，在进行二次回火过程中，弥散析出细小均匀的第二相粒子通过沉淀强化，提高材料强韧性。实施例I本实施例中，采用高强韧耐磨冷作模具钢化学元素配比组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%，余量为 Fe。本实施例中，冷作模具钢的工艺过程和步骤如下采用感应炉中进行熔炼之后浇铸成的钢锭作为自耗电极放置于电渣重熔装置中，进行电渣重熔，液体金属经过渣池的渣层下落至下面的水冷结晶器中，再重新凝固成2.0吨钢锭；将上述钢锭加热至1230°C温度范围内保温4小时后进行锻造加工；始锻温度1100°C，终锻温度 870°C。淬火回火的处理工序温度控制淬火温度1030°C ;回火温度200°C采用本实施例的高强韧耐磨冷作模具钢的硬度达到HRC62. 5，较通用型的冷作模具钢Crl2MoV相当；冲击功值79J，较通用型的冷作模具钢Crl2MoV提高103%。实施例2-6的具体化学成分(重量百分比)见表I所示，工艺参数控制见表2所
/Jn o表I本发明实施例钢的化学成分，Wt %
实施例~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权利要求
1.冷作模具钢，合金元素的质量百分比组成为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%，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.如权利要求I所述的冷作模具钢，其特征在于，C:0. 86-0. 94%。
3.如权利要求I或2所述的冷作模具钢，其特征在于，Si:0. 55-1. 0%。
4.如权利要求1-3任一所述的冷作模具钢，其特征在于，Mn:0. 21-0. 39%。
5.如权利要求1-4任一所述的冷作模具钢，其特征在于，Cr:6. 55-8. 75%。
6.如权利要求1-5任一所述的冷作模具钢，其特征在于，Mo:1. 21-1. 29%。
7.如权利要求1-6任一所述的冷作模具钢，其特征在于，V:0. 21-0. 29%。
8.如权利要求1-7任一所述的冷作模具钢，其室温冲击功为79J以上，硬度为62HRC以上。
9.如权利要求1-8任一所述的冷作模具钢的制造方法，包括如下步骤 按照本发明的化学成分的配比冶炼、浇铸以及电渣重熔得到钢锭； 将上述钢锭加热至1190-1230°C温度范围并保温2-4小时后进行锻造加工，其中始锻温度为1020-1100°C，终锻温度为彡8300C ； 然后在1020-1040°C温度淬火，在180-230°C温度回火。
10.如权利要求11所述的方法，其特征在于，按照本发明的化学成分的配比，采用感应炉熔炼之后浇铸成钢锭作为自耗电极放置于电渣重熔装置中，进行电渣重熔，液体金属经过渣池的渣层下落至下面的水冷结晶器中，再重新凝固成钢锭。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述钢锭在锻机加热炉内以80°C/h-120°C /h的升温速度加热至1190-1230°C后保温2_4小吋。
12.如权利要求9-11任一所述的方法，其特征在于，淬火时间为I.0-1. 5小时。
13.如权利要求9-12任一所述的方法，其特征在于，回火时间为I.5-2. 0小时。
全文摘要
本发明涉及一种冷作模具钢，其质量百分比组成为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％，余量为Fe及不可避免的杂质。上述钢的制造方法包括按照上述成分配比，经感应炉熔炼，浇铸钢锭，电渣重熔后，液体金属经过渣池的渣层下落至下面的水冷结晶器中，再重新凝固成钢锭；将上述钢锭加热至1190-1230℃并保温2-4小时后进行锻造，其中始锻温度为1020-1100℃，终锻温度为≥830℃；然后在1020-1040℃淬火，在180-230℃回火。得到的冷作模具钢的室温冲击功为79J以上，硬度为62HRC以上，适用于冷成型精密冲压模冷锻、汽车部件弯曲模具、液压成型模具。
文档编号C22C38/24GK102653837SQ201210044460
公开日2012年9月5日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者吴晓春, 李绍宏, 王庆亮, 续维 申请人:宝山钢铁股份有限公司