專利名稱:高強韌性工模具鋼的制作方法
本發(fā)明系高強韌性工模具鋼。其主要特征是綜合性能良好，強韌性見著，強硬性兼優(yōu)，耐磨性高，高溫性能好，因而適用范圍廣，可作冷熱工模具兼用，使用壽命高，比常用工模具鋼提高幾倍至十余倍。
隨著國內(nèi)外少無切削加工新工藝和難加工新材料的發(fā)展，對工模具材料提出各種新的更高的要求不僅要求有高硬度、高紅硬性、高強度等，而且還要求有高韌性、高疲勞性等特性?？墒?，目前國內(nèi)外大量應(yīng)用的工模具鋼，如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、Cr12、Cr12MoV等，雖然硬度、紅硬性、抗壓強度等性能高，但沖擊韌性、抗彎強度、疲勞性能等不足，以致制作承受沖擊應(yīng)力較大的工模具，普遍存在著使用壽命甚低的問題。為尋求高強韌性工模具用新鋼種，國內(nèi)外開展了對基體鋼類型新型模具鋼的研制和應(yīng)用。例如，美國VASCO公司的MA(5Cr4Mo3W2V)和MotrixⅡ(55Cr4Mo5-WVCo8)鋼，日本特殊鋼公司的Mo12(5Cr4Mo4W2V)鋼;我國的65Nb(65Cr4W3Mo2VNb)鋼和O12A1(5Cr4Mo3SiMnVA1)鋼(見上海材料研究所編印的“幾種新型模具鋼”，第2頁)等。這些鋼，雖然強韌性、疲勞性能等，比常用工模具鋼提高較大，但還存在著強硬性、紅硬性、耐磨性等不足的弱點，以致鋼的適用范圍不廣，還均屬于專用性模具鋼。
本發(fā)明的目的，在于立足我國資源條件和經(jīng)濟原則，提供綜合性能良好、強韌性見著、耐磨性高、高溫性能好、紅硬性較高的多用性工模具用鋼。它既可以作冷作模具，又可作熱作模具，既可以作多種沖模具，又可作承受沖擊力大的刀具及硅鋼片軋輥等，具有一鋼多用的特點。
本發(fā)明提供兩種高強韌性工模具鋼，即6W8Cr4VTi(代號GM1)和7Cr5Mo3W2VSiTi(代號GM2)鋼。GM1鋼的化學成份范圍為(重量)碳0.58～0.68%，鎢7.5～9%，鉻4.2～4.8%，釩0.8～1.2%，鈦0.05～0.35%，硅≤0.6%，錳≤0.4%，硫≤0.03%，磷≤0.03%，銅＜0.30%，鎳＜0.25%;GM2鋼的化學成份為(重量)碳0.62～0.72%，鎢1.6～2.3%，鉻4.5～5.2%，釩1.0～1.4%，鈣2.8～3.4%，鈦0.05～0.35%，硅0.8～1.2%，錳≤0.4%，硫≤0.03%，磷≤0.03%，銅＜0.3%，鎳＜0.25%。
本發(fā)明鋼化學成分確定的理由如下鑒于國內(nèi)外常用工模具鋼強韌性不夠的主要原因，是因其中含有硬度雖高，但脆性大的過量合金碳化物較多，以致制作工模具使用時常易發(fā)生拆斷、開裂、崩口等形式失效。因此，本發(fā)明為通過減少高速鋼中的過量合金碳化物帶來的脆性，來達到既保持高速鋼適當?shù)膹娪残远州^大地提高強韌性，以實現(xiàn)一鋼多用、適作多種工模具的目的，特在分析國內(nèi)外現(xiàn)有工模具鋼特性的基礎(chǔ)上，對兩種新型工模具鋼的化學成份，既參考了兩種高速鋼的基本成份(GM1鋼系參考W18Cr4V鋼的基體成份50Cr4.4 W8.6V;GM2鋼系參考W6Mo5Cr4V2鋼基體成份50Cr4.6Mo3W2V)，又根據(jù)碳平衡經(jīng)驗公式(C%＝0.033W+0.063Mo+0.200V+0.036Cr+0.250Ti+0.112Nb)和多種強化原理(如細晶粒強化、相變強化、析出強化、固溶強化等)，為了進一步提高改善其性能，除適當?shù)靥岣咂涮己?，使鋼還保持較高的強硬性、紅硬性等性能之外，還結(jié)合我國資源條件和經(jīng)濟原則，在兩鋼中都添加了少量的強碳化物形成元素Ti，以進一步提高強韌性、耐磨性等，在GM2鋼中，還增加了少量的鐵素體強化元素Si，以進一步提高強韌性、疲勞性能等。
為確定Ti、Si、C在鋼中的最佳含量，并初步探討在鋼中作用機理問題，本發(fā)明通過大量研究結(jié)果，得出如下幾點1.在兩鋼中添加0.05～0.35%的Ti，對鋼的強韌性(包括抗彎強度和沖擊韌性等)提高顯著。這主要是由于Ti在鋼中起了細化晶粒并改善馬氏體形態(tài)和彌散析出強化等作用。同時，Ti因在鋼中形成高硬度的TiC，分布在高強韌性的基體上，以致對提高兩鋼的耐磨性也起了重要作用。
2.在GM2鋼中將含硅量增加到0.8～1.2%時，能明顯地提高鋼的強韌性。這主要是Si在鋼中強化了基體，起了固溶強化作用。
3.在高速鋼基體成份碳含量為0.50%的基礎(chǔ)上，適當?shù)靥岣邇射摰奶己浚怪橛诟咚黉摰臉藴食煞莺突w成份碳含量之間，符合定碳比規(guī)律，能使兩鋼具有強韌性顯著、強硬兼優(yōu)等特點。因為當兩鋼中碳化物過量時，鋼的硬度雖高，但強韌性不足，用作承受沖擊力較大的工模具，容易拆斷開裂失效;而當碳含量在0.55%時，淬回火試樣的沖擊韌性雖可達2157KJ/m2，但硬度(HRC)＜60，用作承受壓應(yīng)力較大的沖模具，容易發(fā)生鐓粗變形，亦降低使用壽命。因此，為使兩鋼的強韌性和強硬性適當配合，碳含量宜在0.60～0.70%為好。
至于發(fā)明鋼中的其他主要元素(W、Cr、Mo、V)，由于為使冶煉時較易控制，僅在兩種高速鋼基體成份的上下，適當?shù)財U大含量范圍。鑒于這些元素在兩鋼的作用，應(yīng)與在高速鋼中作用相似，故未作進一步研究，在此也不分別論述。
本發(fā)明鋼的主要性能如下1.兩鋼主要物理性能如表1、2所示。
2.兩鋼主要機械性能如表3、4、5、6。
表1 兩鋼臨界點和殘余奧氏體量、彈性模量、比重
表2 兩鋼膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)
表4 兩鋼純彎曲多次沖擊性能(平均值)
表6 兩鋼高溫機械性能(平均值)
由表3、4可見兩鋼綜合機械性能良好，在推薦淬火溫度內(nèi)，強韌性(包括抗彎和抗拉強度、撓度、沖擊和斷裂韌性、小能多沖性能)和強硬性(包括硬度和抗壓強度)均較高，適于制作多種不同用途的工模具。其中，純彎曲多沖性能，即使在沖擊能量很大的情況下，沖斷周次仍然較高。
從表5可見①GM1和GM2鋼分別比W18Cr4V和W6Mo5-Cr4V2鋼，除硬度較低和抗壓強度相近之外，強韌性提高較大;抗彎強度提高將近1倍，沖擊韌性提高2～4倍，撓度提高2～2.5倍。兩鋼比Cr12MoV鋼各項機械性能都高，特別是抗彎強度約高1倍，沖擊韌性約高1～2倍。因此，兩鋼當用作多種沖模具及承受沖擊應(yīng)力大的刀具，使用壽命比W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和Cr12MoV鋼等，提高幾倍至十余倍。②與油淬相比，等溫淬火對兩鋼機械性能影響不大，因此不必進行等溫淬火。③由于兩鋼淬透性好，臨界冷卻速度小，故空冷對鋼的機械性能影響不大，因而兩鋼用作形狀復(fù)雜的小型工模具，可采用風冷。
由表6可見兩鋼高溫強度和硬度都較高，特別是GM1鋼的高溫強度和硬度高。因此，當兩鋼用作熱擠、壓鑄等熱作模具，使用壽命比3Cr2 W8V、5CrMnMo鋼等提高幾倍。
3.兩鋼主要工藝性能淬透性兩鋼的淬透性較高φ80mm以下的鋼料在油中可淬透;φ40mm以下的鋼料在空氣中可淬透。這對制作形狀復(fù)雜的工模具，防止或減少熱處理變形和開裂，大為有利。
熱處理過熱敏感性兩鋼允許的加熱溫度較高GM1鋼最高可達1240℃，GM2鋼最高可達1220℃;同時兩鋼加熱溫度范圍較寬，允許有40～0℃的波動。這對掌握兩鋼的熱處理操作較為有利。
回火穩(wěn)定性兩鋼、特別是GM1鋼的回火穩(wěn)定性高，經(jīng)580℃回火后還有高的硬度(HRC)GM1鋼為61.9～63.8，GM2鋼為60～60.5。不過，兩鋼在試驗溫度范圍內(nèi)，回火硬度一般比淬火硬度約降低1～2度，不象高速鋼那樣有二次硬化作用。
熱處理變形量兩鋼比W18Cr4V鋼的熱處理變形量小1倍左右。因此，兩鋼適于制作精密模具，而對一般模具也可減少磨削加工余量，有利于降低模具成本。
耐磨性在加油潤滑磨損下，GM1和GM2鋼比W18Cr4V鋼的耐磨性分別提高0.3和1.4倍;在干磨損下，分別提高2.8和3倍。
紅硬性在600℃下的紅硬性(HRC)GM1鋼為60.7～61.3，GM2鋼為59.7～60.3。這雖比高速鋼的紅硬性偏低，但兩鋼的強韌性比高速鋼高得多。因此，兩鋼用作承受沖擊大、不要求以紅硬性為主的刀具，使用壽命比高速鋼提高幾倍。
鍛造性能兩鋼比高速鋼和Cr12鋼的鍛造性能都好，鍛造溫度范圍寬，高溫塑性延展性好，鍛打中表面幾乎不出現(xiàn)裂口，鍛造后鋼材表面光滑平整，成材率高。
本發(fā)明鋼的試驗結(jié)果表7為兩鋼與常用工模具鋼在典型工模具上的試驗結(jié)果比較。從表中可以看出兩鋼用作多種工模具，使用壽命比常用工模具鋼提高幾倍至十余倍。
本發(fā)明鋼的生產(chǎn)工藝，基本上可參照W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2鋼的生產(chǎn)工藝進行。為確保兩鋼的各項冶金質(zhì)量合符合工鋼或高工鋼標準要求，其生產(chǎn)工藝要點如下1.電爐冶煉采用返回吹氧法冶煉時，在加入Ti-Fe前，應(yīng)調(diào)整好爐渣，使之具有高堿度，當渣層厚時，應(yīng)扒去部份渣;終脫氧后，于爐內(nèi)加入Ti-Fe，約5分鐘左右出鋼。這樣Ti的回收率一般在58～68%。
2.電渣重熔為減少鈦的燒損，確保重熔鋼錠中鈦元素在規(guī)格范圍，應(yīng)在重熔過程中采取保Ti措施。
3.鋼錠退火退火溫度為900±20℃，保溫時間8小時;升溫速度≤100℃/時;冷卻速度≤50℃/時;出爐溫度＜500℃。
4.鋼的鍛造鍛造加熱溫度GM1鋼錠為1190～1220℃，鋼坯為1160～1190℃;GM2鋼錠為1170～1200℃，鋼坯為1140～1170℃。開鍛溫度GM1鋼≥1100℃;GM2鋼≥1080℃。停鍛溫度≥900℃。
5.鋼的軋制加熱溫度GM1鋼為1140～1170℃;GM2鋼為1130～1160℃。開軋溫度GM1鋼≥1050℃;GM2鋼≥1030℃。終軋溫度≥850℃。
6.鋼材退火兩鋼鍛造和軋制后的鋼材，進行等溫退火。加熱溫度為850±10℃，保溫2～4小時后，冷卻到740±10℃，再保溫4～5小時。然后以＜40℃/時的速度冷卻至≤500℃出爐。兩鋼生產(chǎn)出的鋼材，以退火狀態(tài)交貨。
本發(fā)明鋼的使用工藝，有如下要點
1.鋼材攺鍛兩鋼經(jīng)鍛造和軋制出來的鋼材，其碳化物雖因數(shù)量小、不均勻度級別比W18Cr4V鋼相同規(guī)格低2級左右，但仍然多沿縱向呈帶狀分布。因此，在應(yīng)用兩鋼材時，應(yīng)與使用高速鋼一樣，將兩鋼較大規(guī)格鋼材，通過改鍛并進行三鐓三拔成工模具毛坯，使其整個斷面的碳化物不均勻度在1～2級內(nèi)，大有利進一步提高使用壽命。其加熱方式和鍛打方法等，與高速鋼相同。加熱溫度GM1鋼為1160～1190℃，GM2鋼為1140～1170℃;開鍛溫度GM1鋼≥1080℃，GM2鋼≥1060℃。停鍛溫度兩鋼≥850℃。
2.鍛材退火改鍛后的工模具毛坯需進行軟化退火。一般采用在箱式電爐中等溫退火鍛件入爐后，隨爐加溫到850±10℃，保溫時間按鍛件直徑或厚度每毫米2分鐘計算，保溫后，停電爐冷到740±10℃，再保溫3～5小時，最后爐冷到低于500℃出爐空冷。退火后，硬度(HB)為200～230，組織為索氏體和少量碳化物，總脫碳層為0.3～0.6mm。
3.工模具熱處理淬火加熱采用高溫鹽浴爐，預(yù)熱溫度、時間、次數(shù)與高速鋼相同，加熱后油冷到200℃以下空冷。若為形狀復(fù)雜的小型工模具，也可吹風冷卻?；鼗鸨貢r間小件1小時，大件1.5小時，共回火2次。對磨削加工量大的工模具，經(jīng)在油中低溫(約200℃)回火30～60分鐘，以消除磨加工應(yīng)力。表8為兩鋼各種工模具推薦的淬回火溫度和加熱系數(shù)以及所得硬度和組織。
表8 兩鋼的淬回火溫度及加熱系數(shù)
綜上所述，本發(fā)明鋼比其它工模具鋼有如下優(yōu)越性1.化學成份設(shè)計合理兩鋼合金元素總含量僅為W18Cr4V鋼的50～60%，所需原材料費較低;與其它工模具鋼相比，添加Ti、Si元素，不加和少加稀貴元素，符合我國資源條件。
2.綜合性能良好兩鋼比W18Cr4V鋼的熱膨脹性小，導(dǎo)熱性好，熱處理變形量小，鍛造性能好，退火硬度低，切削加工性好，淬火溫度低，耐磨性高，而淬透性、回火穩(wěn)定性、紅硬性等相近。機械性能優(yōu)良與常用工模具鋼(如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和Cr12MoV等)相比，強硬性相近，而強韌性提高顯著;與其它新型模具鋼(如65Nb、O12A1、LD等)相比，強韌性相近，而強硬性較高。
3.適用范圍廣由于兩鋼綜合性能優(yōu)良，因而可作冷熱工模具鋼兼用，為其它新老工模具鋼都不及，具有“一鋼多用”的特點。并且，兩鋼相互比較，還各有側(cè)重用途GM1鋼因比GM2鋼的強硬性、紅硬性、回火穩(wěn)定性、高溫性能更好些，宜側(cè)重用作熱擠、壓鑄等熱作模具及承受沖擊力大的刀具;而GM2鋼因比GM1鋼的強韌性、耐磨性更高些，宜側(cè)重用作冷擠、冷鐓、冷沖等冷作模具及硅鋼片冷軋輥等。
4.使用壽命高兩鋼比常用工模具鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4-V2、Cr12MoV、3Cr2W8V鋼等，提高幾倍至十余倍。因而經(jīng)濟效益十分顯著。
5.兩鋼由于具有上述優(yōu)越性，因而可以說，是冷熱工模具材料、特別是承受沖擊力大的工模具材料，很有發(fā)展前途的新型工模具鋼，大有推廣應(yīng)用的價值。
附注凡本發(fā)明鋼對比數(shù)據(jù)，均系本發(fā)明通過對比試驗所得結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種高強韌性工模具鋼，其特征是鋼的化學成份為(重量)碳0.58～0.68%，鎢7.5～9%，鉻4.2～4.8%，釩0.8～1.2%，鈦0.05～0.35%，余為鐵和少量雜質(zhì)。
2.一種高強韌性工模具鋼，其特征是鋼的化學成份為(重量)碳0.62～0.72%，鎢1.6～2.3%，鉻4.5～5.2%，釩1.0～1.4%，鉬2.8～3.4%，鈦0.05～0.35%，硅0.8～1.2%，余為鐵和少量雜質(zhì)。
專利摘要
本發(fā)明的高強韌性工模具鋼(代號GM1和GM2)，綜合性能良好，強韌性見著，強硬性兼優(yōu)，耐磨性高，高溫性能好。GM1鋼的化學成分為(重量)碳0.58～0.68％，鎢7.5～9％，鉻4.2～4.8％，釩0.8～1.2％，鈦0.05～0.35％；GM2鋼的化學成分為(重量)碳0.62～0.72％，鎢1.6～2.3％，鉻4.5～5.2％，釩1.0～1.4％，鉬2.8～3.4％，鈦0.05～0.35％，硅0.8～1.2％。
文檔編號C22C38/28GK87102018SQ87102018
公開日1988年1月13日 申請日期1987年4月22日
發(fā)明者李輝 申請人:湖南省冶金材料研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan