专利名称：一种新型9SiCrAlBN合金工具钢的制作方法
一种新型9S i CrAIBN合金工具钢技术领域：
本发明涉及一种合金工具钢，具体讲涉及一种加Al、B、N和氮化物及Na、Mg的合金钢。背景技术：
在碳素工具钢的基础上加入合金元素而形成的合金钢，简称工具钢。常用的中国牌号的量具钢有9SiCr、8MnSi、Cr2和9Cr2等。与碳素工具钢比，合金工具钢淬透性好，热处理开裂倾向性好、耐磨性与耐热性高，可以适应不同用途需要。广泛用于碳工具钢性能不能满足要求的各种工具。例如板牙、丝锥、钻头、铰刀、齿轮铣刀、切削工具、冷轧辊、钢印、 冲孔凿等。这种钢具有淬火温度低，变形小等特点，但由于钢加合金含量小，同冷作模具钢 Crl2、Crl2MolVl比，其耐磨性、强度差距较大，且铬、钨、钒为贵重金属，冶炼过程中消耗能量较多，且加入铬、钥、钒使钢的淬火温度提高，不适合环保，不是节能性产品，这些金属又为稀缺性战略资源。
本发明人经长期大量研究发现，加入低熔点的Al、Na、Mg和氮，合成金属陶瓷类 (BN、AlN和TiN)可有效提高钢的耐磨性和强度，使9SiCr的强度等性能提高了，达到甚至超过Crl2、Crl2MolVl，使用范围更加广泛，更经济、环保、节约资源。
发明内容
本发明的目的是，提供一种在合金工具钢9SiCr中加入Na、Mg、Al、N及氮化物类(BN、AIN、TiN等)大幅度提高耐磨性和强度的合金工具钢，代替冷作模具钢Crl2、 Crl2MolVl。本发明的技术方案中加入低熔点Na、Ma、B、Al，但不含这些化合物的氧化物杂质，不但S < O. 008%和PS O. 03%，而且氧化物总量OS O. 003%。
钠本发明人经长期试验、研究发现钠细化晶粒的同时，可在低熔点下在钢中形成 Na2S，使其单质S有效固溶成高熔点Na2S，从而改变S在钢中的性能和形态尺寸。
镁在提高钢的抗氧化性的同时，低熔点金属Mg使其在退火锻打加热过程中，析出的Mg金属与基体共格的有害低熔点Sn、Pb、As、Sb、Bi等元素形成的二元合金成为较高熔点的金属间化合物，同时改变低熔点元素的尺寸和形式。
铝能细化钢铸态组织、减少小技晶臂间距。通过改变碳化物的尺寸和分布更有效地阻止奥氏体晶粒长大，可以促进残余奥氏体向马氏体转变、提高回火硬度，降低回火温度。在韧性损失小的情况下，提高了钢材的抗弯强度和耐磨性。同时具有良好的抗氧化性倉泛。
硼有利于抑制钢的r-a相变，显著抑制珠光体的形成，提高贝氏体的含量，在细化贝氏体的亚结构的同时，提高了强度并保持良好的低温韧性。钢中加入适量的硼，可增加钢在高温下的持久寿命，及提高钢的综合性能和淬透性。
氮化物主要添加在奥氏体钢中以提高其强度和耐蚀性，而在低合金高强度钢中， 氮也被作为微合金化元素，通过形成微合金化碳，氮化物起到强化作用。
钢中的氮化物比碳化物具有更高的稳定性，析出相中弥散的细小M(C. N)型氮化物强化效果明显提高。回火后形成弥散的碳氮化物析出相促进二次硬化，到一定数量时甚至具有三次硬化的功能。
氮以间隙溶质原子的形式存在于基体中，具有细化晶粒、产生固溶强化和缩短二次枝晶臂间距、降低晶内偏析、改善夹杂物分布，提高钢的机械强度、改善冲击韧性和耐磨性的功能。固溶态氮，可降低奥氏体中的密排不完全位错，限制含间隙杂质原子团的位错运动，强化效应比碳强。固溶氮与碳、镍的作用相似，能扩大r相互并使奥氏体稳定化。固溶氮可提高材料的淬透性，在同样的淬火工艺下淬硬层更深，同时使芯部组织得到一定程度的改善。氮原子在残余奥氏体中存在短程有序，不需要长距离扩散，易于首先析出(FeCr)2N; 可降低回火温度。
9SiCr合金工具钢材存在着合金元素少,耐磨性强度差的缺点,且使用寿命大大低于冷作模具钢Crl2、Crl2MolVl。对I 3吨中频冶炼后，经二次冶炼加入Na、Mg、Al、B、N 和金属陶瓷类(BN、AlN、TiN等)后，经锻造、退火、淬火和回火处理，使用寿命比传统9SiCr 合金提高5倍以上，硬度超过Crl2、Crl2MolVl。
本发明的目的是提供一种改进的9SiCrAlBN合金工具钢，另有说明除外，本申请中所述量为重量份计。
本发明提供的改进的9SiCrAlBN合金工具钢，既保持了冷作模具钢的机械性能， 又大大降低了淬火温度，节省了大量能源。
本发明提供的9SiCrAlBN合金工具钢，所述工具钢含C、Si、Mn、Cr、Al、B、Na、Mg、N 和氮化物，其改进之处在于，按质量份计，C :0. 8 I. O ；Si 0. 3 I. 8 ；Mn 0. 3 I. 8 ;Cr :0.6 I. 4 ；A1 0. 8 I. 8 ；Na 0 0· 006 ；Mg 0 0· 003 ；B 0 0· 10 ；N 0. 01 0. 10 ; 氮化物0. I 0. 08 ;余量为Fe以及不可避免的杂质。
本发明提供的优选的9SiCrAlBN合金工具钢中，含C 0. 9 ；Si 1. 4 ；Mn 0. 4 ；Cr 1.I ；Na 0. 005 ；Mg 0. 002 ；A1 1. 0 ；B 0. 06 ；N 0. 05 及氮化物 0. 03。
本申请提供的第二优选的9SiCrAlBN合金工具钢中，其中，含C:0. 85 0. 95 ;Si I. 2 I. 6 ；Mn 0. 3 O. 6 ；Cr 0. 6 I. 4 ；Na 0. 003 0· 006 ；Mg 0. 001 O. 003 ；A1 0· 8 I. 2 ;B 0. 03 0· 08 ；Ν 0. 02 O. 10 及氮化物 O. 02 O. 07。
本申请提供的第三优选的9SiCrAlBN合金工具钢中，其中，含C:0. 85 O. 95 ;Si I. O I. 8 ；Mn 0. 3 I. 2 ；Cr 0. 6 I. 4 ；Na 0. 003 0· 006 ；Mg 0. 001 O. 003 ；A1 0· 8 I. 2 ;B 0. 03 0· 08 ；Ν 0. 01 O. 10 及氮化物 O. 06 O. 08。
本申请提供的第四优选的9SiCrAlBN合金工具钢中，其中，含C:0. 85 O. 95 ;Si I. 2 I. 6 ；Mn 0. 3 O. 6 ；Cr 0. 6 I. 4 ;A1 :1. 2 I. 6 ;B 0. 03 0. 08 ；N 0. 01 0. 08 及氮化物O. 01 O. 06。
本申请提供的第五优选的9SiCrAlBN合金工具钢中，其中，含C:0. 85 O. 95 ;Si I. 2 I. 6 ；Mn 0. 3 O. 6 ；Cr 0. 6 I. 4 ；Mg 0. 001 0· 003 ；A1 0. 8 I. 2 ;Β 0. 03 0.08 ；Ν 0. 01 O. 08 及氮化物 O. 02 O. 06。
本申请提供的第六优选的9SiCrAlBN合金工具钢中，其中，含C:0. 85 O. 95 ;Si 1.2 I. 6 ；Mn 0. 3 O. 6 ；Cr 0. 6 I. 4 ；Na 0. 003 0· 006 ；A1 0. 8 I. 2 ;Β 0. 03 O.08 ；Ν 0. 01 O. 08 及氮化物 O. 02 O. 05。
本申请提供的第七优选的9SiCrAlBN合金工具钢中，其中，含C:0. 85 O. 95 ;Si I. 2 I. 6 ；Mn 0. 8 I. 4 ；Ct 0. 6 I. 4 ；Na 0. 003 0· 006 ；Mg 0. 001 O. 003 ；A1 0· 8 I. 2 ;B 0. 03 0· 08 ；Ν 0. 01 O. 08 及氮化物 O. 01 O. 05。
本申请提供的第八优选的9SiCrAlBN合金工具钢中，其中，含C:0. 85 O. 95 ;Si I. 2 I. 6 ；Μη :0· 8 I. 4 ；Cr :0· 6 I. 4 ;Α1 :1· 2 I. 8 ；Ν 0. 01 O. 08 及氮化物 O. 02 0.06。
本申请提供的第九优选的9SiCrAlBN合金工具钢中，其中，含C:0. 85 O. 95 ;Si 1.2 I. 6 ；Μη :0· 8 I. 4 ；Ct :0· 6 I. 4 ；Α1 :1· 2 I. 8 ；Ν 0. 01 O. 10 及氮化物 O. 02 O. 08。
本申请提供的第十优选的9SiCrAlBN合金工具钢中，其中，含C:0. 85 O. 95 ;Si O. 4 I. 2 ；Μη :0· 8 I. 4 ；Cr :0· 6 I. 4 ;Α1 :1· 2 I. 8 ；Ν 0. 01 O. 06 及氮化物 O. 02 O. 04。
图I为热处理工艺图。具体实施方式
实施例I
本发明提供的9SiCrAlBN合金工具钢中，按重量百分比计包括
碳C_0.80， 硅 Si_0.40， 锰 Μη_0·50， 铬 Cr_0.70，
铝Α1_0· 90， 硼 Β_0· 01， 钠 Na_0. 01， 镁 Mg_0. 001，
氮N_0. 03， 氮化物_0. 02，余量为Fe以及不可避免的杂质。
上述新型9SiCrAlBN合金工具钢热处理工艺的步骤如下
(I)、预加热将全部原料预加热温度为560°C 600°C，预加热时间为60分钟；
(2)、淬火加热淬火加热温度为920°C 980°C，采用油冷却或者空气冷却或者盐浴冷却，淬火时间为20 30分钟；
⑶、回火回火温度为180°C 220°C，然后空气冷却至室温。
实施例2
本发明提供的9SiCrAlBN合金工具钢中，按重量百分比计包括
碳C_0. 80， 硅 Si_0. 30， 锰 Μη_0· 90， 铬 Cr_l. 30，
铝Α1_1·80，钠 Na_0.04， 氮 Ν_0·09， 氮化物 _0.06，
余量为Fe以及不可避免的杂质。
上述新型9SiCrAlBN合金工具钢热处理工艺的步骤如下
(I)、第一次预加热将全部原料预加热温度为560°C 600°C，预加热时间为60分钟；
(2)、第二次预加热第一次预加热后，进行第二次预加热，然后进行淬火，第二次预加热温度750V 800°C，第二次预加热时间为40 50分钟。
(3)、淬火加热淬火加热温度为920°C 980°C，采用油冷却或者空气冷却或者盐浴冷却，淬火时间为20 30分钟；
(4)、第一次回火回火温度为180°C 220°C，然后空气冷却至室温。
(5)、第二次回火第一次回火空气冷却后再进行第二次回火，第二次回火温度 180°C 220°C，然后空气冷却至室温。
实施例3
本发明提供的9SiCrAlBN合金工具钢中，按重量百分比计包括
碳C_0. 90， 硅 Si_0. 50， 锰 Μη_1· 20， 铬 Cr_l. 00，
铝Α1_1· 10，硼 Β_0· 09， 钠 Na_0. 02， 镁 Mg_0. 003，
氮N_0.03， 氮化物_0. 01，余量为Fe以及不可避免的杂质。
上述新型9SiCrAlBN合金工具钢热处理工艺的步骤如下
(I)、第一次预加热将全部原料预加热温度为560°C 600°C，预加热时间为60分钟；
(2)、第二次预加热第一次预加热后，进行第二次预加热，然后进行淬火，第二次预加热温度750V 800°C，第二次预加热时间为40 50分钟。
(3)、淬火加热淬火加热温度为920°C 980°C，采用油冷却或者空气冷却或者盐浴冷却，淬火时间为20 30分钟；
(4)、第一次回火回火温度为180°C 220°C，然后空气冷却至室温。
(5)、第二次回火第一次回火空气冷却后再进行第二次回火，第二次回火温度 180°C 220°C，然后空气冷却至室温。
(6)第三次回火在第二次回火空气冷却至室温后，再进行第三次回火，第三次回火温度180°C 220°C，然后空气冷却至室温。
实施例4 10热处理工艺的步骤同于实施例3。
除本发明的实施例I 10的9SiCrAlBN合金工具钢中的余量为Fe以及不可避免的杂质外的各成分及性能列于表I。
表I
权利要求
1.一种新型9SiCrAlBN合金工具钢，所述工具钢含C、Si、Mn、Cr、Al、B、Na、Mg、N和氮化物，其特征在于，按质量份计，C :0· 8 I. O ;S :0· 3 I. 8 ；Mn 0. 3 I. 8 ；Cr :0· 6 I. 4 ; Na 0 O. 006 ；Mg 0 O. 003 ；A1 0. 8 I. 8 ;B :0 O. 10 ；N 0. 01 O. 10 ;氮化物 O. I O. 08 ;余量为Fe以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求I新型9SiCrAlBN合金工具钢，其特征在于C 0. 9 ；Si 1. 4 ；Mn 0. 4 ；Cr 1. I ；Na 0. 005 ；Mg 0. 002 ；A1 1. 0 ；B 0. 06 ；N 0. 05 及氮化物0. 03。
3.根据权利要求I新型9SiCrAlBN合金工具钢，其特征在于C 0. 85 O. 95 ;S :1· 2 I. 6 ；Mn 0. 3 O. 6 ；Cr 0. 6 I. 4 ；Na 0. 003 0· 006 ；Mg O. 001 O. 003 ；A1 0. 8 I. 2 ;B 0. 03 0· 08 ；N 0. 02 0· 10 及氮化物 O. 02 O. 07。
4.根据权利要求I新型9SiCrAlBN合金工具钢，其特征在于C 0. 85 O. 95 ；Si :1· O I. 8 ；Μη :0· 3 I. 2 ；Cr :0· 6 I. 4 ；Na 0. 003 0. 006 ；Mg 0. 001 0. 003 ；A1 0. 8 I. 2 ;B 0. 03 0. 08 ；N 0. 01 0. 10 及氮化物 0. 06 O. 08。
5.根据权利要求I新型9SiCrAlBN合金工具钢，其特征在于C 0. 85 O. 95 ；Si 1. 2 I. 6 ；Mn 0. 3 O. 6 ；Cr 0. 6 I. 4 ；A1 1. 2 0. 03 0· 08 ；N 0. 01 0· 08 及氮化物 O. 01 O. 06。
6.根据权利要求I新型9SiCrAlBN合金工具钢，其特征在于C 0. 85 O. 95 ；Si 1. 2 I. 6 ；Mn 0. 3 O. 6 ；Cr 0. 6 I. 4 ；Mg 0. 001Al 0. 8 I. 2 ;B 0. 03 0. 08 ；N 0. 01 0. 08 及氮化物 0· 02 O. 06。
7.根据权利要求I新型9SiCrAlBN合金工具钢，其特征在于C 0. 85 O. 95 ；Si 1. 2 I. 6 ；Mn 0. 3 O. 6 ；Cr 0. 6 I. 4 ；Na 0. 003 0. 006 Al 0. 8 I. 2 ;B 0. 03 0. 08 ；N 0. 01 0. 08 及氮化物 0· 02 O. 05。
8.根据权利要求I新型9SiCrAlBN合金工具钢，其特征在于C 0. 85 O. 95 ；Si :1. 2 I. 6 ；Mn :0. 8 I. 4 ；Cr :0. 6 I. 4 ；Na 0. 003 0. 006 ；Mg 0. 001 0· 003 ；A1 0. 8 I. 2 ;B 0. 03 0. 08 ；N 0. 01 0. 08 及氮化物 0· 01 O. 05。
9.根据权利要求I新型9SiCrAlBN合金工具钢，其特征在于C 0. 85 O. 95 ；Si 1. 2 I. 6 ；Mn 0. 8 I. 4 ；Cr 0. 6 I. 4 ；A1 1. 2 I. 8 ;N 02 0. 06。新型9SiCrAlBN合金工具钢，其特征在于；1. 2 I. 6 ；Mn 0. 8 I. 4 ；Cr 0. 6 I. 4 ；A1 1. 2 I. 8 ;N 02 0· 08。新型9SiCrAlBN合金工具钢，其特征在于C 0. 85 O. 95 ；Si 0. 4 I. 2 ；Mn 0. 8 I. 4 ；Cr 0. 6 I. 4 ；A1 1. 2 0. 01 0. 06及氮化物O. 02 O. 04。I. 6 ；BO. 003O. 01 O. 08及氮化物O.
10.根据权利要求I C 0. 85 O. 95 ；SiO. 01 O. 10及氮化物O.
11.根据权利要求II. 8 ；N
全文摘要
本发明提供的新型9SiCrAlBN合金工具钢，所述工具钢含C、Si、Mn、Cr、Al、B、Na、Mg、N和氮化物，其改进之处在于，按质量份计，C0.8～1.0；Si0.3～1.8；Mn0.3～1.8；Cr0.6～1.4；Na0～0.006；Mg0～0.003；Al0.8～1.8；B0～0.10；N0.01～0.10；氮化物0.01～0.08；余量为Fe以及不可避免的杂质，和现有技术比，本发明提供的新型9SiCrAlBN的优异效果是保持了冷作模具钢Cr12、Cr12Mo1V1的机械性能，又大大降低了淬火温度，节省了大量能源。
文档编号C22C38/34GK102936690SQ20121036781
公开日2013年2月20日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者周畅超, 赵春芳, 周章龙, 应振强, 舒泫淏, 周向儒 申请人:周畅超