專利名稱：一種低合金模具鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冷作模具鋼，尤其是涉及ー種具有淬透性好，淬火溫度較低，熱處理變形小，合金成本低，具有較好的強(qiáng)度和韌性配合的低合金冷作模具材料，用于冷作成型的精密復(fù)雜模具的制造。
背景技術(shù)：
冷作模具用于金屬或非金屬材料的沖裁、拉伸、彎曲、冷擠、冷鐓等エ序。工作對象處于室溫狀態(tài)，模具工作條件相當(dāng)惡劣。通常選用的冷作模具鋼要求有足夠的強(qiáng)度、韌度、硬度、抗磨能力及抗疲勞能力。對于大載荷的冷擠壓和冷鐓鍛體成型模具，要求材料具有更高的抗變形和斷裂能力。目前，國內(nèi)外模具材料市場上應(yīng)用最為廣泛的冷作模具鋼材料是高碳高鉻冷作模 具鋼 D2 鋼(ASTM A681)，其成分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為C :1. 4-1. 6%, Si ^ O. 60%, Mn ^ O. 60%,Cr 11. 0-13. 0%, Mo :0. 7-1. 2，V 彡 I. 10，P 彡 O. 030%, S 彡 O. 030 %，屬于萊氏體鋼，具有較高的淬透性、淬硬性、耐磨性，高溫抗氧化性能好，可以作為通用型冷作模具鋼材料用于制造各種用途的冷作模具，例如形狀復(fù)雜的沖孔凹模、冷擠壓模、滾螺紋輪、冷剪切刀和精密量具等。但是，這種通用型冷作模具鋼材料中的合金元素組成中的Cr含量達(dá)到11. 0-13. 0%，而過多的鉻元素含量會使材料顯微組織中存在網(wǎng)狀的萊氏體碳化物，造成材料的韌性不高。D2鋼的性能指標(biāo)是，經(jīng)過1030°C淬火200°C回火之后，沖擊韌性為65J/cm2，硬度為62HRC、抗彎強(qiáng)度為5000MP。而這些性能指標(biāo)是冷作模具鋼的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。冷作模具主要用于金屬或非金屬材料的冷成型，包括冷沖壓、冷擠壓和冷鐓等。這類模具工作載荷大、尺寸精度、表面質(zhì)量要求高。通常選用的冷作模具鋼要求有足夠的強(qiáng)度、韌度、硬度和耐磨性。而D2鋼由于組織中含有不均勻的萊氏體碳化物，雖然經(jīng)過淬火回火之后有較高的硬度和耐磨性能，但是韌性較低。在實際使用中容易發(fā)生崩裂和塌陷。上述D2鋼采用電弧爐熔煉，澆鑄成鋼錠鍛造開坯，具體步驟依次為煉鋼、鍛造、熱處理，最后形成產(chǎn)品。其鍛造的加熱溫度為1120°C _1160°C，終鍛溫度為彡850°C，冷卻方式采用高溫退火、坑冷或者砂冷。由于D2鋼形成大量粗大的呈連續(xù)網(wǎng)狀分布的共晶碳化物。這種網(wǎng)狀共晶碳化物嚴(yán)重割裂基體，還可作為模具鋼斷裂時的裂紋源和裂紋擴(kuò)展途徑，從而使得模具鋼的晶界嚴(yán)重脆化，韌性很低。并且在鍛造吋，由于受到鍛造比的限制，對于大尺寸鑄坯，其心部的共晶碳化物很難打碎，所以在鍛造后的模具鋼組織中經(jīng)常存在帶狀碳化物偏析，使模具鋼的性能出現(xiàn)各向異性。而且由于網(wǎng)狀共晶碳化物的存在，在鍛造過程中容易出現(xiàn)開裂和過燒等引起的廢品。CN101182619A公開了ー種高強(qiáng)韌性冷作模具鋼及其制造方法，其中化學(xué)成份重量百分比含量為c 0. 9-1. 0%, Si 1. 0% 以下，Mn 0. 5-0. 8%, P < O. 02%, S < O. 02%, Cr 9-10%, Cu :0. 8-1. 0%,Mo :2. 0%以下，V :0. 8-1. 0%，其余Fe余量。該材料含有較高的鉻元素和鑰、釩元素，而鉻元素是造成碳化物不均勻性的主要原因之一，容易形成網(wǎng)狀的碳化物，降低材料的韌性。
CN101250667A公開了ー種通用型冷作模具鋼，其化學(xué)成分設(shè)計針對傳統(tǒng)的冷作鋼的化學(xué)元素設(shè)計，適當(dāng)降低了 Cr的含量(但是和本發(fā)明中的Cr元素成分設(shè)計相比，還是高出許多)，并加入了鎢元素來提高鋼的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種高強(qiáng)韌低合金冷作模具鋼，全面提升冷作模具材料的綜合性能。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的高淬透性合金球鐵模具材料，其成分重量百分比為C O. 68-0. 78%, Si 0. 7-1. 0%,Mn :0. 7-1. 1%,P ^ O. 02%, S く O. 02%, Cr :2. 2-2. 5%,Mo O. 2-0. 3%, V 0. 15-0. 35%, Ni :0. 3-0. 4%，余量為 Fe 及不可避免的雜質(zhì)。以下是本發(fā)明主要元素的作用及其限定說明
C :0.68-0. 78%C碳元素是高強(qiáng)韌性冷作模具鋼的主要化學(xué)元素之一，是形成釩碳化物、鑰碳化物和鉻碳化物等各種碳化物的不可缺少的基本元素，也是影響鋼的成分偏析和鋼的組織均勻性的重要元素，溶解在馬氏體中能夠保證馬氏體擁有良好的強(qiáng)度和淬透性。鋼中含碳量增カロ，屈服點和抗拉強(qiáng)度升高，但塑性和沖擊性降低。此外，碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。本設(shè)計鋼成分與D2鋼相比較，碳含量有較大的降低，其目的是改善鋼的顯微組織中的碳化物的分布和性質(zhì)，改善鋼的網(wǎng)狀碳化物的級別。較低的碳元素含量可以防止鋼在凝固的過程中產(chǎn)生偏析組織從而造成鋼的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性下降。因此，碳含量如果高于此成分設(shè)計上限，將導(dǎo)致過多的碳化物的形成和組織的偏析產(chǎn)生，影響鋼的網(wǎng)狀性能指標(biāo)，特別是造成鋼的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性降低；但是碳元素低于此成分的設(shè)計范圍也將要造成碳元素和其他合金元素結(jié)合形成碳化物的當(dāng)量發(fā)生偏差，不能有效地形成穩(wěn)定的細(xì)小的碳化物和碳化物的復(fù)合作用，影響鋼的強(qiáng)度和鋼的淬硬性。Si :0. 7-1.0%Si溶于基體中能夠提高基體強(qiáng)度，回火時能夠阻礙馬氏體的分解提高了鋼的回火穩(wěn)定，在煉鋼過程中能夠起到還原劑和脫氧劑的作用。如果鋼中含硅量超過O. 50-0. 60%,硅就算合金元素。硅能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點和抗拉強(qiáng)度。硅元素可以在奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變之后的回火過程中有效阻礙馬氏體的分解，這主要是通過擬制ε碳化物質(zhì)點的長大和擴(kuò)大ε碳化物穩(wěn)定區(qū)，延遲了 ε碳化物向Fe3C的轉(zhuǎn)變。本專利的硅含量的控制相對目前D2鋼稍有提高，目的是進(jìn)一歩阻止馬氏體轉(zhuǎn)變后在回火過程中的分解，對提高鋼在淬火后的抗彎強(qiáng)度和沖擊性能值有一定的作用。Mn O. 7-1. 1%Mn在奧氏體化的過程中，大部分溶入到了基體當(dāng)中，提高了基體中的合金含量，カロ強(qiáng)了固溶強(qiáng)化作用，從而提高基體的強(qiáng)度。但是Mn有嚴(yán)重的正偏析傾向，可富集于共晶團(tuán)晶界處形成晶間碳化物，能降低材料的韌性。本發(fā)明鋼相對于D2鋼的Mn含量稍有提高，并控制在一定的范圍內(nèi)。目的是增加基體的強(qiáng)度，并使材料的性能穩(wěn)定。Cr 2. 2-2. 5%Cr是強(qiáng)碳化物形成元素，能夠提高材料的淬透性，同時價格低廉。但Cr也是網(wǎng)狀碳化物形成的主要原因，影響材料的韌性，因此Cr的含量不宜過高。在D2鋼中含有11.O-13. O %的Cr，這些Cr與C形成了網(wǎng)狀的萊氏體碳化物，這些鉻的碳化物在鋼的結(jié)晶過程中分布不均勻，不僅影響了鉻元素在鋼種提升淬透性的作用，而且降低了鋼的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性值指標(biāo)。本專利鋼與D2鋼相比極大的降低了 Cr含量，這種Cr含量的配比不會使得材料產(chǎn)生大塊的萊氏體組織，從根本上消除了組織粗大，沖擊韌性低的內(nèi)部因素，其目的是使材料的組織均勻，提高材料的韌性。Mo 0. 4-0. 6% ；V 0. 15-0. 35%Mo和V在鋼中形成彌散的第二相析出物，這些彌散的析出物不僅能夠起到沉淀強(qiáng)化作用，而且能夠有效地阻礙奧氏體晶粒的長大，提高材料的強(qiáng)韌性。并且由于Mo和V與碳原子的親和力強(qiáng)，在回火過程中降低了馬氏體的分解速度，提高鋼的穩(wěn)定性。本專利鋼中的Mo和V與D2鋼相比較都有所降低，這是因為本專利鋼中的C含量比D2鋼低。過多的Mo和V將消耗基體中的C使馬氏體中的C含量降低，從而降低材料的強(qiáng)度。因此將本設(shè)計鋼的Mo和V控制在一定的范圍，使組織總既有較多的二次碳化物彌散析出，并使馬氏體中保持足夠的強(qiáng)度。 Ni :0.3-0. 4%Ni能提高鋼的強(qiáng)度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力。但由于鎳是較稀缺的資源，故應(yīng)盡量采用其他合金元素代用鎳鉻鋼。本設(shè)計中的鎳元素是控制在少量的范圍，鎳元素本身不是碳化物形成元素，在鋼的基體中不會起到強(qiáng)化的作用，但是過多的鎳元素會造成金屬間化合物的結(jié)合作用，從而降低鋼的性能，所以控制鎳元素在鋼種的含量對防止鋼的性能的下降起到一定的作用。與D2鋼相比較，本專利鋼含有O. 3-0. 4%的Ni，能夠很好的強(qiáng)韌化基體。P^O. 020wt%
磷是鋼中的有害元素，增加鋼的脆性，降低鋼的沖擊韌性，因此磷元素控制較原技術(shù)D2鋼低ー些，對性能指標(biāo)值的提高有一定的作用。S^O. 020wt%硫元素在一定的程度上容易造成鋼的加工性能的惡化，容易使得鋼在熱加工的過程中產(chǎn)生過熱和過燒現(xiàn)象。因此控制硫含量較原有技術(shù)D2鋼低ー些可以提高鋼加工性能和機(jī)械性能，特別是對徑鍛機(jī)鍛造開坯時的連續(xù)鍛造加工所產(chǎn)生的過熱現(xiàn)象起到擬制的作用。本發(fā)明還提供一種高冷作模具材料的制備方法，該方法包括如下步驟按照本發(fā)明的化學(xué)成分的配比，采用感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉之后澆鑄成的鋼錠作為自耗電極放置于電渣重熔裝置中，進(jìn)行電渣重熔，液體金屬經(jīng)過渣池的渣層下落至下面的水冷結(jié)晶器中，再重新凝固成2. 0-2. 5t鋼錠；將上述鋼錠加熱至1200-1230°C溫度范圍內(nèi)保溫3-5小時后進(jìn)行鍛造加工；始鍛溫度1050-1100°C，終鍛溫度> 850°C，優(yōu)選850_900°C。主要エ藝參數(shù)控制如下鋼錠在徑鍛機(jī)加熱爐內(nèi)以60_120°C /h的升溫速度加熱至1200°C _1230°C后保溫3-5小時鋼錠在加熱過程中的熱應(yīng)カ敏感性較高，容易產(chǎn)生應(yīng)カ裂紋，鋼錠的入爐溫度控制在600-800°C，升溫速度控制在60-120°C /h可以防止鋼錠在加熱的過程中產(chǎn)生熱應(yīng)カ裂紋，在加熱至1200-1230°C后保溫3-5小時，使得鋼錠的整個表面至心部的溫度都可以保持均勻，這樣可以改善鋼錠的可鍛形，防止鋼在鍛造過程中的開裂傾向，并可以改善鋼的顯微組織指標(biāo)，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。經(jīng)過鍛機(jī)鍛造開坯開鍛溫度為1050-1100°C 由于這種鋼在1050-1100°C溫度范圍是鋼的奧氏體単相組織區(qū)域，有著最佳的高溫?zé)崴苄?，有利于高溫變形加工處理，不容易產(chǎn)生高溫?zé)峒庸ら_裂。該鋼的徑鍛機(jī)停鍛溫度為彡8500C，優(yōu)選850_900°C 由于鋼錠終軋溫度對鋼錠軋制質(zhì)量有著重要的影響，徑鍛機(jī)停鍛溫度低于所規(guī)定的控制范圍，非常容易引起鋼錠在徑鍛機(jī)鍛造開坯過程中產(chǎn)生鋼錠開裂，但是，停鍛溫度高于控制范圍容易引起鋼在徑鍛機(jī)鍛造開坯后產(chǎn)生鋼組織粗晶現(xiàn)象，并形成嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物，降低鋼的性能。
本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，化學(xué)成分的配比更加合理，降低了碳和鉻元素的含量使得鋼的組織偏析狀況的到很大的改善。從而使得高強(qiáng)韌性冷作模具鋼的抗彎強(qiáng)度、網(wǎng)狀碳化物等性能指標(biāo)提高；本發(fā)明鋼中的鑰和釩與D2鋼相比較都有所降低，這是因為本發(fā)明鋼中的C含量比D2鋼低。過多的鑰和釩將消耗基體中的C使馬氏體中的C含量降低，從而降低材料的強(qiáng)度。因此將本發(fā)明鋼的鑰和釩控制在一定的范圍，使組織有較多的二次碳化物彌散析出，并使馬氏體中保持足夠的強(qiáng)度；適當(dāng)提高鋼中的硅含量可以進(jìn)一歩阻止鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變后的回火過程中的分解，對提高鋼在淬火后的抗彎強(qiáng)度和沖擊性能值有一定的作用；控制鎳元素的含量在一定的低值可以防止脆性的產(chǎn)生和金屬間化合物的產(chǎn)生，提高鋼的性能；降低磷和硫的含量可以使得鋼液更加純凈，減少鋼的非金屬夾雜物形成趨勢，降低鋼調(diào)質(zhì)回火脆性。由于本發(fā)明鋼與D2鋼相比較，合金元素含量低，降低了制造成本，提高了產(chǎn)品的市場競爭力，并且本發(fā)明鋼的顯微組織中的碳化物的分布和性質(zhì)網(wǎng)狀碳化物的級別都有很大的改善。因此在同等的鍛造比條件下，本發(fā)明鋼比D2更能夠使鑄態(tài)的組織中樹枝狀碳化物形態(tài)得到更好的碎化，細(xì)化鋼的顯微組織，提高鋼的性能。本發(fā)明合理的化學(xué)成分配比和先進(jìn)的制造エ藝使得鋼的性能指標(biāo)明顯提升，傳統(tǒng)的D2鋼經(jīng)過1000-1050°C淬火180_220°C回火熱處理之后，沖擊韌性為65J/cm2，硬度HRC為62。而本發(fā)明鋼經(jīng)過910-950°C淬火160-200°C回火熱處理之后，沖擊韌性為135J/cm2以上，硬度HRC為62以上。在相同的硬度狀況下，其沖擊韌性提高I. 08倍。本發(fā)明鋼其主要的特點是，成分上面把C和Cr控制在合理的范圍，并加入一定量的Mo、V等碳化物形成元素，加入少量的Ni和Si，即能夠強(qiáng)韌化基體有控制了合金元素的成本。使冷作模具鋼鑄態(tài)下的碳化物形態(tài)得到改善，則在鍛打時就能以較小的鍛造比獲得較好的，也就是說可以使得碳化物在相同鍛造比的情況下獲得更好的均勻分布。本發(fā)明開發(fā)了淬透性好，淬火溫度較低，熱處理變形小，價格低，具有較好的強(qiáng)度和韌性的配合，適用于制造精密復(fù)雜模具用鋼。能在較大的范圍內(nèi)取代通用的D2型冷作模具鋼。該冷作模具鋼通過加熱到910-950°C奧氏體化后，促使合金元素大量溶入基體，提高合金度，增強(qiáng)固溶強(qiáng)化效果。同時，在進(jìn)行回火過程中，彌散析出細(xì)小均勻的第二相粒子通過沉淀強(qiáng)化，提高材料強(qiáng)韌性。


圖I為本發(fā)明鋼和D2鋼經(jīng)過淬火回火后的金相組織比較。圖I (a)為SDC55在熱處理為930°C淬火180°C回火后的金相照片。圖中可見馬氏體基體上均勻分布著彌散細(xì)小的碳化物顆粒。這樣的組織確保SDC55有優(yōu)良的強(qiáng)韌性配合。圖1(b)為D2鋼經(jīng)過1030°C淬火180°C回火后的金相照片。圖片中看出存在萊氏體碳化物的偏析導(dǎo)致材料韌性的下降。圖2為SDC55在熱處理工藝為930°C淬火180°C回火后與D2鋼經(jīng)過1030°C淬火200°C回火后，兩者的沖擊韌性和硬度比較。圖中可以看出，兩者的硬度相當(dāng)，都是62HRC。但是SDC55的韌性比D2鋼有較大的提高。D2鋼的韌性為65J/cm2而SDC55的韌性為135J/cm2。這是因為經(jīng)過淬火回火之后，SDC55的碳化物都是非常彌散細(xì)小的二次碳化物，不會相D2鋼那樣存在碳化物的偏析情況。
具體實施例方式以下通過具體實施例對本發(fā)明的特點進(jìn)行較為詳細(xì)的說明。
實施例I本實例中，采用冷作模具鋼的組成成分及其重量百分比如下C 0. 69 %, Si 0. 72 %, Mn 0. 89 %, Cr 2. 33 %, Mo 0. 25 %, V 0. 25 %, Ni O. 37%, P 0. 016%, S 0. 011%，余量為 Fe。本實施例中，冷作模具鋼的エ藝過程和步驟如下采用感應(yīng)爐中進(jìn)行熔煉之后澆鑄成的鋼錠作為自耗電極放置于電渣重熔裝置中，進(jìn)行電渣重熔，液體金屬經(jīng)過渣池的渣層下落至下面的水冷結(jié)晶器中，再重新凝固成2. O噸鋼錠；將上述鋼錠加熱，鋼錠入爐溫度為750°C，鋼錠升溫速度為110°C，鋼錠加熱至1230°C溫度范圍內(nèi)保溫4小時后進(jìn)行鍛造加工；始鍛溫度1100°C，終鍛溫度870°C。采用本實施例的高強(qiáng)韌性冷作模具鋼的熱處理硬度達(dá)到HRC62，韌性值有明顯的提高，提高到了 135J/cm2。實施例2-6的具體化學(xué)成分(重量百分比Wt% )見表I所示，エ藝參數(shù)控制見表
2所示，性能指標(biāo)見表3所示。表I
實施例"I C 「Mn "I Cr [ Ni |_ Si I" Mo 「V P 「S
10.69 0.89 2. 33 O. 37 O. 72 0.25 0.25 0.016 0.011
2O. 70 I. 10 2. 50 0.35 O. 78 0.25 0.20 0.010 0.015
30.78 0.9 2.20 0.40 I. O 0.23 0.25 0.019 0.009
40.68 O. 70 2. 35 O. 38 O. 75 0.22 O. 15 0.020 0.012
5O. 75 0.85 2.40 O. 30 O. 70 0.20 0.23 0.013 0.011
6O. 72 0.95 2.45 O. 32 0.98 O. 30 O. 18 0.015 0.013表權(quán)利要求
1.ー種低合金模具鋼材料，其成分重量百分比為C 0. 68-0. 78%, Si 0. 7-1.0%,Mn O.7-1. 1%, P < O. 02%, S < O. 02%, Cr 2. 2-2. 5%, Mo 0. 2-0. 3%, V 0. 15-0. 35, Ni O.3-0. 4%，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求I所述的低合金模具鋼材料的制造方法，包括 所述成分鋼經(jīng)冶煉澆鑄成鋼錠； 鋼錠以600-800°C入徑鍛機(jī)加熱爐內(nèi)，以60-120°C /h的升溫速度加熱至1200_1230°C，然后保溫3-5小時； 經(jīng)過鍛機(jī)鍛造成材開鍛溫度為1050-1100°C，終鍛溫度為彡850°C。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，終鍛溫度為850-950°C。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在干，所述成分鋼在感應(yīng)爐中熔煉后澆鑄成鋼錠，并作為自耗電極進(jìn)行電渣重熔，液體金屬經(jīng)過渣池的渣層下落后再重新凝固成2.0-2. 5t 鋼錠。
5.如權(quán)利要求2-4任一所述的方法制造的模具鋼材料，在經(jīng)過910-950V淬火和160-200°C回火熱處理后，沖擊韌性為135J/cm2以上，硬度HRC為62以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低合金模具鋼材料，其成分重量百分比為C0.68-0.78％，Si0.7-1.0％，Mn0.7-1.1％，P≤0.02％，S≤0.02％，Cr2.2-2.5％，Mo0.2-0.3％，V0.15-0.35，Ni0.3-0.4％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。其制造方法，包括所述成分鋼經(jīng)冶煉澆鑄成鋼錠；鋼錠以600-800℃入徑鍛機(jī)加熱爐內(nèi)，以60-120℃/h的升溫速度加熱至1200-1230℃，然后保溫3-5小時；經(jīng)過鍛機(jī)鍛造成材開鍛溫度為1050-1100℃，終鍛溫度為≥850℃。得到的模具鋼在經(jīng)過910-950℃淬火和160-200℃回火熱處理后，沖擊韌性為135J/cm2以上，硬度HRC為62以上。
文檔編號C22C33/04GK102691005SQ201110073698
公開日2012年9月26日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者吳曉春, 王慶亮, 續(xù)維, 鄧?yán)栎x 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司