一种新型5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种新型5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，所述工具钢含C、Si、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Al、B、Mg、N和氮化物BN、AlN或/和TiN。按质量份计，其中C：0.40～0.60；Si：0.30～1.20；Mn：0.30～1.20；Cr：2.80～3.80；Mo：1.00～2.00；V：0.10～0.50；Nb：0～0.40；Al：0～1.00；B：0～0.01；Mg：0～0.007；N：0～0.12；氮化物0～0.08和稀土元素0.05以下；余量为Fe及不可避免的杂质。和现有技术比，本发明提供的耐冲击工具钢可有效提高钢的耐磨性和强度，使5Cr3MnSiMo1V的强度等性能提高了，使用范围更加广泛，更经济、环保、节约资源。
【专利说明】—种新型5Cr3MnSiMoIVBN耐冲击工具钢
【【技术领域】】
[0001]本发明涉及一种耐冲击工具钢，具体讲涉及一种加Mg、B、Al、N和氮化物的耐冲击
工具钢。
【【背景技术】】
[0002]在碳素工具钢基础上加入合金元素形成的合金钢简称合工钢。与碳素工具钢相t匕，合金工具钢淬透性好，热处理开裂倾向小、耐磨性与耐热性高，可以适应不同用途需要。广泛用于碳工钢性能所不能满足要求的各种工具。合工钢按用途及性能不同分为量具、刃具用钢、耐冲击工具钢、冷作模具钢、热作模具钢、无磁模具钢和塑料模具钢等。耐冲击工具钢对这类钢的性能要求是:(I)冲击韧性高。(2)疲劳性能好。(3)耐磨。中国的耐冲击工具钢有:4CrW2S1、5CrW2Si和6CrW2Si。广泛用于高冲击载荷下操作的工具，用于手动和风动凿子、空气锤工具、铆钉工具、重振动的切割器、冷冲裁和切边用凹模；也用于热作工具，如热冲孔和穿孔工具、热剪切模、热锻模、易熔合金的压铸模等。在高温时有较好的强度和硬度，回火后有较高的韧度，有一定的淬透性和高温力学强度，热处理时对脱碳、变形的开裂的敏感性不大，且钨、钥、钒为贵重金属，冶炼过程中消耗能量较多，而加入钨、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。
[0003]本发明人经长期大量研究发现，加入低熔点的Mg、B、Al、N和氮化物(BN、A1N和/或TiN)的耐冲击工具钢可有效提高钢的耐磨性和强度，使传统5Cr3MnSiMolV的强度等性能提高了，使用范围更加广泛，更经济、环保、节约资源。
【
【发明内容】
】
[0004]本发明的目的是，提供一种在耐冲击工具钢5Cr3MnSiMolV中加入低熔点的Mg、B、Al、N和氮化物BN、A1N和/或TiN的5Cr3MnSiMolVBN合金钢，这种合金钢大幅度提高耐磨性和强度的合金工具钢。
[0005]本发明的技术方案中:加入低熔点Mg、B、Al、N和氮化物(BN、AlN或/和TiN)的合金钢，但不含这些化合物的氧化物杂质，不但SS0.008%和PS0.03%，而且氧化物总量 O ≤0.005% ο
[0006]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。本发明Mg适合的含量为O~0.007%。
[0007]铝:能细化钢铸态组织、减少晶臂间距。这样通过改变碳化物的尺寸和分布能更有效地阻止奥氏体晶粒长大，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。在对韧性损失小的情况下，却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能。本发明提供的技术方案中，Al适合的含量为O (~1.00%。
[0008]硼:该组份有利于抑制钢的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。本发明的技术方案中B适合的含量为O~0.01%在奥氏体钢中添加氮化物主要是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。
[0009]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。本发明氮化物的总量以N质量百分数计为0.02 ~0.08%。
[0010]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。本发明N适合的含量为O~0.12%。
[0011]C(碳):C与Fe、Cr、Mo、V、Nb等碳化物形成元素结合而形成碳化物。由于淬火时C向基体固溶，与固溶的Cr、Mo、V、Nb等元素结合，作为碳化物析出而赋予二次硬化，所以可以确保回火时的回火硬度。
[0012]经本发明人的大量实验、观察、分析、检测，发现并且确定了本发明的技术方案中的各种成分的含量范围。
[0013]为了确保淬火、回火后最低限的硬度，C的添加量在0.40%以上。另一方面，C的添加量过量时，淬火残留的硬质碳化物将增加，会导致作为耐冲击使用的工具钢最重要特性之一的冲击值的降低，基于此，将其上限定为0.60%。这样，就能确保稳定的硬度和韧性。所以本发明将C含量限定为0.40~0.60%。
`[0014]Si (娃):添加Si主要作为脱氧剂，同时又能固溶于碳化物和基体中，导致硬度的增加。当其添加量在0.30%以上。但为防止因Si的增加引起热加工性或韧性的降低，所以其上限为1.20%。因此本发明的技术方案中将Si的量限定为0.30~1.20%。
[0015]Cr (铬):铬作为碳化物形成元素形成碳化物。另外，碳化物可以分类为以V为主的MC碳化物，以Mo为主的M6C系碳化物、以Cr为主的M23C6系或M7C3系碳化物。
[0016]这里，大幅增加Cr添加量的场合，会导致淬火处理时残余碳化物的怎家引起的韧性降低。因此，将其上限定为3.80%。另外，Cr系碳化物的量少时，通过900°C至950°C的热处理，很难确保回火后的硬度。因此，将其下限定为2.8%。更加优先添加3.50%，以更加确保硬度。本发明Cr适合的含量为2.8~3.80%。
[0017]Mo (钥):Mo主要形成硬质的M6C碳化物。同时在淬火时向基体固溶，在480°C至520°C以上的回火中赋予二次硬化。为充分确保该二次硬化产生的硬度所必须的Mo含量。本发明Mo适合的含量为1.00%~2.00%。
[0018]V (钒):V与C结合，形成硬质的在高温下也稳定的MC型碳化物。因此，在碳化物量少、大体上不含碳化物的材料中，该元素被用来防止淬火时的晶粒的粗大化。这里通过淬火处理，同样也可以防止晶粒的粗大化。为了能够获得该作用，加入量须至少为0.10%。另外，V添加量过多，由于凝固时形成粗大的MC碳化物而成为断裂的起点，所以将其上限定为0.50%。本发明的技术方案中，V适合的含量为0.10~0.50%。
[0019]Nb (铌):Nb比V更加容易形成MC型碳化物。因此，也可以与V同时添加Nb。但是，由于Nb比V容易形成粗大的MC碳化物，所以将其上限定为0.40%。本发明Nb适合的含量为O~0.40%。
[0020]REM (稀土类元素)=REM主要由La、Ce、Pr构成。在凝固初期，由其强力的化合物形成能。因此能减缓由Nb、V、Cr、Mo等形成的碳化物，凝固组织中的MC碳化物微细化，赋予组织的均质化。本发明的技术方案中REM的含量小于0.05%。
[0021]Ti (钛):Ti与V、Nb同样是容易形成MC型碳化物的元素。因此，也可以与Nb、V同时添加而使用。本发明Ti适合的含量为≤0.1%。
[0022]5Cr3MnSiMolV耐冲击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基体钢6Cr4W3Mo2VNb (代号65Nb)。对I~3吨中频冶炼后，经二次冶炼加入低熔点的Mg、B、Al、N和氮化物(BN;AlN;TiN)的合金钢后，经锻造、退火、淬火和回火处理，使用寿命比传统5Cr3MnSiMolV耐冲击工具钢提高5倍以上。
[0023]本发明的目的是提供一种改进的5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢，另有说明除外，本申请中所述量为重量份计。
[0024]本发明提供的改进的5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢，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。
[0025]本发明提供的5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢，所述工具钢含C:0.40~0.60 ；S1:0.30 ~1.20 ；Mn:0.30 ~1.20 ；Cr:2.80 ~3.80 ；Mo:1.00 ~2.00 ；V:0.10 ~0.50 ；Nb:O ~0.40 ；A1:0 ~1.00 ；B:0 ~0.01 ；Mg:0 ~0.007 ；N:0 ~0.12 ;氮化物 O ~0.08 和稀
土元素0.05以下；余量为Fe及不可避免的杂质。
[0026]本发明提供的优选的5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢中，C:0.50 ；S1:0.60 ；Mn:0.60 ；Cr:3.25 ；Mo:1.60 ；V:0.30 ；Nb:0.10 ；A1:0.50 ；B:0.005 ；Mg:0.003 ；N:0.06 ;氮化物 0.04 ；
[0027]本发明提供的再一优选5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢中，S1:C:0.45~0.55 ;S1:0.30 ~0.70 ；Mn:0.60 ~1.00 ；Cr:3.30 ~3.80 ；Mo:1.60 ~2.00 ；V:0.10 ~0.30 ；Nb:0.10 ~0.30 ；A1:0.30 ~0.80 ；B:0.001 ~0.005 ；Mg:0.001 ~0.005 ；N:0.06 ~0.10 ;氮化物0.04~0.08 ;
[0028]本发明提供的第三优选5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢中，C:0.40~0.50 ；S1:0.60 ~1.00 ；Mn:0.30 ~0.60 ；Cr:2.80 ~3.20 ；Mo:1.20 ~1.60 ；V:0.20 ~0.40 ；A1:0.10 ~0.50 ；Mg:0.001 ~0.006 ；N:0.08 ~0.12 ;氮化物 0.06 ~0.08 ;
[0029]本发明提供的第四优选5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢中，C:0.45~0.55 ；S1:
0.80 ~1.20 ；Mn:0.80 ~1.20 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.00 ~1.40 ；V:0.10 ~0.30 ；Nb:
0.10 ~0.30 ；B:0.001 ~0.005 ；Mg:0.001 ~0.007 ；N:0.03 ~0.06 ;氮化物 0.02 ~0.04 ;
[0030]本发明提供的第五优选5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢中，C:0.45~0.55 ；S1:
0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.20 ~1.60 ；V:0.10 ~0.30 ；A1:
0.60 ~1.00 ；Mg:0.001 ~0.005 ；N:0.03 ~0.06 ;氮化物 0.02 ~0.04 ;
[0031]本发明提供的第六优选5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢中，C:0.45~0.55 ；S1:0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Μο:1.20 ~1.60 ；V:0.20 ~0.50 ；A1:
0.30 ~0.80 ；B:0.005 ~0.01 ；N:0.03 ~0.08 ;氮化物 0.02 ~0.06 ;
[0032]本发明提供的第七优选5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢中，C:0.45~0.55 ；S1:
0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.40 ~1.80 ；V:0.10 ~0.30 ；Nb:
0.20 ~0.40 ；A1:0.60 ~1.00 ；B:0.003 ~0.008 ；Mg:0.001 ~0.005 ；N:0.03 ~0.05 ;氮化物0.02~0.04 ;
[0033]本发明提供的第八优选5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢中，S1:C:0.45~0.60 ;S1:0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.40 ~1.80 ；V:0.30 ~0.50 ;Al:0.60 ~1.00 ；B:0.003 ~0.008 ；Mg:0.001 ~0.006。
[0034]和现有技术比，本发明提供的耐冲击工具钢可有效提高钢的耐磨性和强度，使5Cr3MnSiMolV的强度等性能提高了，使用范围更加广泛，更经济、环保、节约资源。
【专利附图】
【附图说明】:
[0035]图1为热处理工艺图。
【【具体实施方式】】
[0036]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0037]实施例1
[0038]本发明提供的5Cr3MnSiMolVBN耐冲击`工具钢，按重量百分比计包括:`[0039]C_0.50，Si_0.60，Μη_0.60，Cr_3.25，Μο_1.60，V_0.30，Nb_0.10，
[0040]A1_0.50,B_0.005,Mg_0.003, N_0.06，氮化物 _0.04，余量为 Fe 以及不可避免的杂质。
[0041]上述新型5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢热处理工艺的步骤如下:
[0042](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；
[0043](2)、淬火加热:淬火加热温度为900°C~960°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；
[0044](3)、回火:回火温度为480°C~500°C，然后空气冷却至室温。
[0045]实施例2
[0046]本发明提供的5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢，按重量百分比计包括:
[0047]C_0.55，Si_0.80，Μη_0.40，Cr_3.50，Μο_1.80，V_0.20，Nb_0.20，
[0048]AlJX 50,B_0.003,Mg_0.002, N_0.08，氮化物 _0.06，余量为 Fe 以及不可避免的杂质。
[0049]上述新型5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢热处理工艺的步骤如下:
[0050](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；
[0051](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。
[0052](3)、淬火加热:淬火加热温度为900°C~960°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；[0053](4)、第一次回火:回火温度为480°C~500°C，然后空气冷却至室温。
[0054](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480°C~500°C，然后空气冷却至室温。
[0055]实施例3
[0056]本发明提供的5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢，按重量百分比计包括:
[0057]C_0.45，Si_0.40，Μη_0.80，Cr_3.00，Μο_1.40，V_0.30，Α1_0.30，
[0058]Mg_0.005，N_0.10，氮化物_0.08，余量为Fe以及不可避免的杂质。
[0059]上述新型5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢热处理工艺的步骤如下:
[0060](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；
[0061](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。
[0062](3)、淬火加热:淬火加热温度为900°C~960°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；
[0063](4)、第一次回火:回火温度为480°C~500°C，然后空气冷却至室温。
[0064](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480°C~500°C，然后空气冷却至室温。
[0065](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480°C~500°C，然后空气冷却至室温。
[0066]实施例4~8热处理工艺的步骤与实施例3同。
[0067]除本发明的实施例4~85Cr3MnSiMolVBN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1。
[0068]表1各成分配比
[0069]
【权利要求】
1.一种新型5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢，所述工具钢含C、S1、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Al、B、Mg、N和氮化物BN、A1N或/和TiN,其特征在于，按质量份计，C:0.40~0.60 ；S1:0.30~1.20 ；Mn:0.30 ~1.20 ；Cr:2.80 ~3.80 ；Mo:1.00 ~2.00 ；V:0.10 ~0.50 ；Nb:0 ~0.40 ;Al:0 ~1.00 ；B:0 ~0.01 ；Mg:0 ~0.007 ；N:0 ~0.12 ;氮化物 O ~0.08 和稀土元素 0.05以下；余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢，其特征在于，C:0.50 ；S1:0.60 ；Mn:0.60 ；Cr:3.25 ；Mo:1.60 ；V:0.30 ；Nb:0.10 ；A1:0.50 ；B:0.005 ；Mg:0.003 ；N:0.06 ；氮化物0.04。
3.根据权利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢，其特征在于；S1:C:0.45~0.55 ；S1:0.30 ~0.70 ；Mn:0.60 ~1.00 ；Cr:3.30 ~3.80 ；Mo:1.60 ~2.00 ；V:0.10 ~0.30 ；Nb:0.10 ~0.30 ；A1:0.30 ~0.80 ；B:0.001 ~0.005 ；Mg:0.001 ~0.005 ；N:0.06 ~0.10 ;氮化物 0.04 ~0.08。
4.根据权利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢，其特征在于，
C:0.40 ~0.50 ；S1:0.60 ~1.00 ；Mn:0.30 ~0.60 ；Cr:2.80 ~3.20 ；Mo:1.20 ~1.60 ；V:0.20 ~0.40 ；A1:0.10 ~0.50 ；Mg:0.001 ~0.006 ；N:0.08 ~0.12 ;氮化物0.06 ~0.08。
5.根据权利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢，其特征在于，
C:0.45 ~0.55 ；S1:0.80 ~1.20 ；Mn:0.80 ~1.20 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.00 ~1.40 ；V:0.10 ~0.30 ；Nb:0.10 ~0.30 ；B:0.001 ~0.005 ；Mg:0.001 ~0.007 ；N:0.03 ~0.06 ;氮化物 0.02 ~0.04。
6.根据权利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢，其特征在于，
C:0.45 ~0.55 ；S1:0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.20 ~1.60 ；V:0.10 ~0.30 ；A1:0.60 ~1.00 ；Mg:0.001 ~0.005 ；N:0.03 ~0.06 ;氮化物0.02 ~0.04。
7.根据权利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢，其特征在于，C:0.45~0.55 ;S1:0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.20 ~1.60 ；V:0.20 ~0.50 ;Al:0.30 ~0.80 ；B:0.005 ~0.01 ；N:0.03 ~0.08 ;氮化物 0.02 ~0.06。
8.根据权利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢，其特征在于，
C:0.45 ~0.55 ；S1:0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.40 ~1.80 ；V:0.10 ~0.30 ；Nb:0.20 ~0.40 ；A1:0.60 ~1.00 ；B:0.003 ~0.008 ；Mg:0.001 ~0.005 ；N:0.03 ~0.05 ;氮化物 0.02 ~0.04。
9.根据权利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐冲击工具钢，其特征在于；S1: C:0.45~0.60 ；S1:0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.40 ~1.80 ；V:0.30 ~0.50 ；A1:0.60 ~1.00 ；B:0.003 ~0.008 ；Mg:0.001 ~0.006。
【文档编号】C22C38/32GK103834869SQ201210485103
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月22日 优先权日:2012年11月22日
【发明者】应振强, 潘少君, 周向儒 申请人:应振强