本發(fā)明屬于模具鋼技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種Al-Nb-V復(fù)合合金化高臨界點(diǎn)模具鋼；適用于沖裁、沖壓、冷鐓、拉伸、壓印模具用鋼，也可應(yīng)用于具有高溫要求的壓鑄模具用鋼以及軋輥用鋼等。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，為了降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，提高材料利用率，節(jié)能降耗，國內(nèi)外制造工業(yè)廣泛使用模具加工技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的切削加工工藝。模具的工作條件苛刻，對(duì)模具材料—模具鋼的要求很高。按照模具的使用用途分類，模具鋼分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼。冷作模具鋼在工作中承受相當(dāng)大的壓應(yīng)力和摩擦力，必須具有相當(dāng)高的硬度和耐磨性，為了避免沖擊載荷引起的斷裂和崩刃，還應(yīng)具有適當(dāng)好的韌性。目前，較為通用的冷作模具鋼仍是以D2鋼(Cr12Mo1V1)為代表的Cr12系列冷作模具鋼。這類鋼的硬度和耐磨性較高，然而，由于鑄態(tài)組織偏析嚴(yán)重，共晶碳化物顆粒尺寸大，因此韌性極差，模具常常因韌性不足而發(fā)生早期失效。相比于Cr12系列模具鋼，以DC53鋼(Cr8Mo2SiV)為代表的Cr8型冷作模具鋼具有更高的韌性和強(qiáng)度配合，因此得到廣泛應(yīng)用，然而耐磨性稍低。熱作模具鋼用于制造將加熱到再結(jié)晶溫度以上的金屬或液態(tài)金屬壓制成工件的模具。如鍛壓模具、熱擠壓模具、壓鑄模具等。熱作模具鋼通常在較高的溫度下進(jìn)行工作，尤其是壓鑄模具，模具材料必須具備抵抗高溫應(yīng)力的能力。金屬壓鑄是機(jī)械化程度和生產(chǎn)效率很高的生產(chǎn)技術(shù)，是先進(jìn)的少無切削工藝。壓鑄生產(chǎn)是將熔化的金屬直接壓鑄成各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精確、表面光潔、組織致密以及用其它方法難以加工的零件、如薄壁、小孔、凸緣、花紋、齒輪、螺紋、字體以及鑲襯組合等零件。以銅合金壓鑄模具為例，銅液澆注溫度在1100～1350℃范圍內(nèi)，而模具在壓射過程中模具最高溫度達(dá)800～900℃?？紤]到一般熱作模具鋼的臨界點(diǎn)Ac1溫度在800℃左右，因此材料很容易發(fā)生失效。因此，采用合金化思路設(shè)計(jì)高耐磨性Cr8型冷作模具鋼，并利用其高臨界點(diǎn)的特性，可能應(yīng)用于工作溫度極高的壓鑄模具具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種Al-Nb-V復(fù)合合金化高臨界點(diǎn)模具鋼，具有高耐磨性、高臨界點(diǎn)、適當(dāng)韌性的模具鋼。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明整體的技術(shù)方案是：
本發(fā)明在D2鋼的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)合金元素Cr的含量，降低C含量，提高沖擊韌性；增加二次強(qiáng)化元素Mo，與C形成碳化物在高溫回火時(shí)產(chǎn)生二次硬化，增加二次硬化硬度；并加入W、V、Nb強(qiáng)碳化物形成元素，形成高硬度碳化物強(qiáng)化基體，增加耐磨性并細(xì)化晶粒；加入元素Al，與Nb，V共同作用，提高鋼的臨界點(diǎn)。使該模具鋼具有良好的韌性又具有很高的耐磨性，同時(shí)，還具有較高的臨界點(diǎn)特性，而成為優(yōu)良的模具用鋼，具有良好的使用性和應(yīng)用前景。
具體為：(1)加入提高臨界點(diǎn)元素Al，通過Al-Nb-V復(fù)合合金化顯著提高臨界點(diǎn)，使鋼材具有較高的臨界點(diǎn)溫度；(2)重新設(shè)計(jì)C及Cr、Mo、V的含量使鋼材具有更好的沖擊韌性以及在高溫回火時(shí)產(chǎn)生更高的二次硬化效應(yīng)，提高其綜合性能；(3)加入元素W，Nb，形成高硬度碳化物，分布于基體，產(chǎn)生高耐磨性，并細(xì)化晶粒；(3)加入Co元素，促進(jìn)二次硬化效果，增加硬度和耐磨性。
根據(jù)上述目的和整體技術(shù)方案，本發(fā)明具體的技術(shù)方案為：
本發(fā)明的具體化學(xué)成分(重量％)如下：C：0.80～1.20％，Si：≤0.50～1.60％，S：≤0.030％，P：≤0.030％，Mn：≤0.40％，W：0.80～1.20％，Mo：1.50～2.20％，Cr：7.80～8.20％，V：1.50～3.20％，Nb：0.50～2.00％，Al：1.25～2.50％，Co：0～5.0％，Ti：0～2.0％，其余為Fe及不可避免的不純物。
上述各元素的作用及配比依據(jù)如下：
C：碳是工業(yè)用鋼的主要元素之一，鋼的性能與組織在很大程度上取決于碳在鋼中的含量及其分布的形式，在模具鋼中碳的影響尤為顯著。碳在模具鋼中的含量不能很低，一方面碳在鋼中是最有效的強(qiáng)化元素，另一方面碳是形成各種碳化物的形成元素，尤其在冷作模具鋼中，要保證充足的碳化物含量用以保證耐磨性。但碳含量過高的負(fù)面影響是降低鋼的沖擊韌性，尤其是碳和合金含量同時(shí)高到一定程度，將發(fā)生共晶反應(yīng)，形成粗大共晶碳化物，顯著降低鋼的韌性。所以，從強(qiáng)度、耐磨性與韌性方面來看，碳在模具鋼中的作用是互相矛盾的。碳含量過高，會(huì)影響韌性。碳含量過低，模具鋼的強(qiáng)度和耐磨性不足。本發(fā)明根據(jù)其它元素含量并綜合考慮強(qiáng)度、耐磨性和韌性確定碳含量為0.80～1.20％。
Cr：鉻是相對(duì)廉價(jià)的合金元素，幾乎所有的合金模具鋼都含有元素鉻。對(duì)于要求高耐磨性以及高耐蝕性的模具鋼，鉻更是不可或缺。鉻與碳的親和力在形成碳化物的諸多元素中大于鐵和錳而低于鎢、鉬等。當(dāng)鉻含量低于3％時(shí)，鉻取代一部分鐵而形成復(fù)合滲碳體(Fe,Cr)3C。當(dāng)鉻含量大于3％，小于5％時(shí)，碳化物類型變成(Fe,Cr)7C3。當(dāng)鉻含量高于11％時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)(Fe,Cr)23C6碳化物。此外，在這些含量的中間區(qū)域，有兩種碳化物共存的混合區(qū)域。(Fe,Cr)7C3和(Fe,Cr)23C6對(duì)鋼的性能有顯著影響，特別是鋼的耐磨性。因此，對(duì)于需要特別耐磨的冷作模具、精密量具和量規(guī)等常使用鉻含量要大于5％。然而Cr含量太高則會(huì)發(fā)生共晶反應(yīng)形成粗大共晶碳化物，嚴(yán)重影響韌性，因此綜合考慮以上原因，控制其含量在7.80～8.20％。
Mn：作為脫氧劑而加入，含量一般控制在0.20～0.40％。
Si：作為脫氧元素而加入，含量一般控制在0.20～0.40％。然而有些研究表明，Si具有很好的固溶強(qiáng)化效果，同時(shí)，Si還能夠細(xì)化回火析出的碳化物進(jìn)而改善沖擊韌性。因此，考慮到利用Si的益處，設(shè)計(jì)Si含量在0.50～1.60％。
P：磷在鋼液凝固時(shí)形成微觀偏析，隨后在奧氏體化溫度加熱時(shí)偏聚在晶界，使鋼的脆性顯著增大?？刂芇的含量在0.030％以下，并且含量越低越好。
S：不可避免的不純物，給鋼帶來熱脆性。控制S含量在0.030％以下，并且含量越低越好。
Mo：鉬固溶于鐵素體時(shí)有固溶強(qiáng)化作用，形成碳化物時(shí)有提高碳化物穩(wěn)定性的作用，固溶于奧氏體中還能夠提高淬透性。鉬是重要的二次硬化元素，通過高溫回火在馬氏體基體中析出M2C型碳化物而形成二次硬化。鉬能夠增加鋼對(duì)回火軟化的抗力，也就是提高鋼的回火穩(wěn)定性。另外，鉬對(duì)回火脆性的影響頗為復(fù)雜。作為單一的合金元素存在鋼中時(shí)，鉬增加鋼的回火脆性；但和其他導(dǎo)致回火脆性元素，如鉻、錳等并存時(shí)，鉬又降低或抑制因其他元素所導(dǎo)致的回火脆性。在本發(fā)明鋼中，控制Mo含量在1.50～2.20％。
W：鎢是碳化物形成元素，形成碳化物增加耐磨性。W在模具鋼中除形成碳化物外，部分地溶入鐵中形成固溶體。固溶在基體中的W還能夠顯著增加回火穩(wěn)定性、紅硬性、熱強(qiáng)性，以便支撐模具在較高溫度使用。在本發(fā)明鋼中，W含量控制在0.80～1.20％。
V：釩和碳、氮都有極強(qiáng)的親和力，與之形成極為穩(wěn)定的碳化物，在鋼中也主要以碳化物的形態(tài)存在。VC的熔點(diǎn)為2830℃，硬度為HV 2094。因此，即使在較高的奧氏體化溫度下加熱VC也能有效地阻止晶粒長大，同時(shí)增加鋼的耐磨性。釩和鎢、鉬一樣溶入基體中可提高α-Fe的自擴(kuò)散激活能，另外它偏聚在位錯(cuò)線附近形成氣團(tuán)，與位錯(cuò)產(chǎn)生交互作用阻止位錯(cuò)的滑移及位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的重新排列而形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，增加了馬氏體的回復(fù)再結(jié)晶抗力，增加回火穩(wěn)定性。釩也是重要的二次硬化元素，當(dāng)加入量超過0.5％時(shí)，通過VC的沉淀亦可產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)，且隨釩量增加二次硬化峰值溫度有向高溫推移的趨勢，硬化強(qiáng)度提高，過時(shí)效速度亦較低。在2％Mo鋼中加入0.5％V時(shí)，則釩將不足以形成VC，而釩會(huì)固溶于Mo2C。釩的原子半徑為0.135nm(Mo為0.145nm)，不增大點(diǎn)陣錯(cuò)配度，但因?yàn)殁C和碳有更大的親和力，會(huì)提高M(jìn)o2C的穩(wěn)定性，提高二次硬化的峰值溫度。另外，利用V和碳有較強(qiáng)親和力的特性，使V結(jié)合大量的碳，能夠有效地縮小γ相區(qū)，提高臨界點(diǎn)溫度。本發(fā)明鋼中將V含量控制為1.50～3.20％。
Nb：鈮和釩的作用相似，因此，Nb和V復(fù)合作用增加了V的效果。但Nb是比V和C具有更強(qiáng)親和力的元素，Nb和C形成的碳化物NbC的穩(wěn)定性要明顯高于VC(NbC熔點(diǎn)：3500℃，VC：2830℃)，因此，NbC具有很高的耐磨性。同時(shí)，Nb能夠進(jìn)入VC中取代一部分V原子，形成(Nb,V)C，這有利于更多的V可以固溶在基體用于二次硬化。另外，Nb還有細(xì)化晶粒，細(xì)化鑄態(tài)組織的作用。向本發(fā)明鋼中添加元素Nb，控制其含量在0.50～2.00％。
Al：提高臨界點(diǎn)溫度元素。單純?cè)黾覣l含量并不會(huì)顯著提高臨界點(diǎn)溫度，本發(fā)明利用Al-Nb-V復(fù)合作用，將顯著提高鋼的臨界點(diǎn)溫度，獲得高臨界點(diǎn)模具鋼。添加元素Al，控制其含量在Al：1.25～2.50％。
Co：鈷主要固溶在基體中，在鋼中幾乎不形成碳化物，只有極少量的Co原子能進(jìn)入到析出相中，因此，Co主要起固溶強(qiáng)化作用。Co對(duì)促進(jìn)二次硬化以及增加鋼的耐磨性也具有一定的效果，因此本發(fā)明利用Co的增加鋼的二次硬化效應(yīng)、硬度和耐磨性。Co在回火或使用過程中阻止、延緩其它元素特殊碳化物的聚集，本發(fā)明鋼中，Co的加入對(duì)延緩Cr碳化物聚集粗化有一定作用。本發(fā)明鋼中，Co含量控制在0～5.0％。
Ti：鈦也是強(qiáng)碳化物形成元素，作用與Nb、V相類似。為了進(jìn)一步提高臨界點(diǎn)并增加耐磨性，本發(fā)明鋼中可添加2.0％的Ti。故Ti含量控制在0～2.0％。
本發(fā)明采用與現(xiàn)有技術(shù)相似的制備方法：
本發(fā)明鋼可采用電弧爐、感應(yīng)爐冶煉，鋼水澆鑄成鋼錠，根據(jù)需要可進(jìn)行電渣重熔，經(jīng)鍛造成材或開坯后軋制成棒、線材等。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有高臨界點(diǎn)、高耐磨性優(yōu)良的合性能的優(yōu)點(diǎn)。與現(xiàn)有模具鋼相比，本發(fā)明鋼在擁有良好的韌性的基礎(chǔ)上，具有很高的臨界點(diǎn)溫度，很高的耐磨性，可滿足用戶需求。本發(fā)明鋼具有較高的臨界點(diǎn)溫度(Ac1：990℃)，較高的硬度(62～63.4HRC)，較好的沖擊吸收功(9.3～10J)。
具體實(shí)施方式
根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的化學(xué)成分范圍，在25kg真空感應(yīng)爐上冶煉了3爐本發(fā)明鋼，其具體化學(xué)成分如表1所示。鋼水澆鑄成錠，并經(jīng)鍛造制成棒材。鋼材退火后，加工成試樣，經(jīng)淬、回火處理(1000～1200℃淬火，200～600℃回火)，其室溫力學(xué)性能見表2～6。
本發(fā)明鋼具有高的硬度、耐磨性和較好的沖擊韌性。
1.發(fā)明鋼具有比對(duì)比鋼更高的硬度。(見表2、5)
2.經(jīng)相同溫度淬火，520～580℃回火后，發(fā)明鋼具有比對(duì)比鋼更高的沖擊韌性。(見表4)
3.發(fā)明鋼具有較高的臨界點(diǎn)溫度。(見表3)
表1實(shí)施例與對(duì)比鋼的化學(xué)成分，重量％
表2實(shí)施例與對(duì)比鋼1110℃淬火不同溫度回火的硬度值
說明：⑴淬火試驗(yàn)在箱式電阻爐中進(jìn)行，保溫20分鐘，油淬。
⑵不同溫度回火2次，每次保溫1小時(shí)。
表3實(shí)施例與對(duì)比鋼的臨界點(diǎn)
表4實(shí)施例與對(duì)比鋼沖擊吸收功值
表5實(shí)施例1140℃淬火不同溫度回火與對(duì)比鋼最佳處理方案的硬度值
說明：(1)淬火試驗(yàn)在箱式電阻爐中進(jìn)行，保溫20分鐘，油淬。
(2)不同溫度回火2次，保溫1小時(shí)。
(3)對(duì)比鋼為1030℃淬火。