一種高性能高速沖壓冷作模具鋼及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高速沖壓冷作模具鋼及其制備方法,其特征在于:主要物質(zhì)組分包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、W、V、Al、Cu和Ni,各物質(zhì)組分的質(zhì)量百分含量分別為:C 0.85?0.95%、Si 0.80?1.20%、Mn 0.30?0.60%、P≤0.025、S≤0.015、Cr7.90?8.40%、Mo 1.40?1.70%、W 1.90?2.20%、V 2.20?2.50%、Al 0.90?1.20%,Cu≤0.20,Ni≤0.25;余量為Fe。本發(fā)明通過加入合金元素鋁,進(jìn)一步提高鋼的硬度、紅硬性與滲氮后的表面硬度和熱穩(wěn)定性,加入的鉬能夠提高鋼的淬透性、熱強(qiáng)性、防止回火脆性、抗回火軟化能力,具有高硬度、熱硬性及熱穩(wěn)定性,滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要,減少冷作模具鋼的消耗,增加社會效益的突出的有益效果。
【專利說明】
一種高性能高速沖壓冷作模具鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種高速沖壓冷作模具鋼及其制備方法。屬于鋼鐵冶煉技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)全球化和工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展,許多工業(yè)產(chǎn)品都依靠模具進(jìn)行生產(chǎn),例 如;家電行業(yè)的80 %零部件,機(jī)電工業(yè)的70 %零部件,塑料、陶瓷、建材等制品85 %以上都用 模具成型。工業(yè)產(chǎn)品的模具絕大部份也用模具鋼來制造。模具鋼幾乎都是合金鋼,主要分為 三大類:冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼。冷作模具鋼的消耗約占模具鋼總消耗的 40%。我國是全世界模具鋼消耗最大的國家。冷作模具鋼應(yīng)用十分廣泛,各種冷狀態(tài)下使用 的沖裁模、鐓鍛模、擠壓模、拉伸模廣泛使用于工廠生產(chǎn)。
[0003]目如,冷作t旲具鋼中,性能好、壽命尚、應(yīng)用面最廣是尚碳尚絡(luò)鋼,主要的鋼號有: 012(鉻12),0121〇¥,0121〇1¥1。這類鋼的含碳量為1.4-2.3%,含鉻量12%,有的型號還 含有0.4-1.2 %的鉬和0.15-1.1 %的釩,個(gè)別型號含有彡1.0 %的鈷。這類鋼具有高的耐磨 性、淬透性、微變形和高抗壓強(qiáng)度的特點(diǎn)。高碳高鉻鋼屬于萊氏體鋼,共晶碳化物多而且偏 析嚴(yán)重,縱向和橫向之間性能差別大,脆性大。為此,其制作成模具時(shí)必須進(jìn)行改鍛,但它屬 于高合金鋼改鍛加熱時(shí)導(dǎo)熱性差、塑性低、變形抗力大、鍛造加熱溫區(qū)窄、鍛打變形時(shí)發(fā)熱 效應(yīng)大,所以改鍛困難,報(bào)廢率高,使用大大受到了限制。對于要求高耐磨性的模具,往往選 擇高速鋼,但高速鋼韌性差、價(jià)格高,熱處理要求1240Γ高溫淬火,一般熱處理爐不能處理, 不能被普遍使用;也有選用基體鋼或低碳高速鋼,但耐磨性又不能滿足要求。對于要求高的 模具,一般會選用硬質(zhì)合金和粉末高速鋼,但這些材料比較昂貴。
[0004] 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器的速度和效率越來越高,例如高速沖床其沖壓頻 率達(dá)到800~1200次/分,高速冷乳機(jī)的乳速己達(dá)到1200米/分,這些沖床模具的刃部和乳輥 輥面因高速磨擦而產(chǎn)生高熱,往往會超過冷作模具鋼的回火溫度而導(dǎo)致硬度和耐磨性下 降。前面所述的大部份冷作模具鋼都無法滿足要求。所以在上世紀(jì)七、八十年代世界各國均 開展了高韌性高耐磨性冷作模具鋼的研究;例如日本的DC53鋼、QCM-8鋼、SLD-8鋼、TCD鋼和 AUDll鋼;美國的Vasco Die鋼和Vasco Wear鋼,國內(nèi)有7Cr7Mo3V2Si鋼、GM鋼、ER5鋼等,這類 鋼的化學(xué)成分具有如下特點(diǎn);含碳量0.7-1.4%,含鉻量8.0 %左右且還含有1.0-3.0 %的 硅、鉬、釩、鎢等合金元素。這類鋼與鉻12系列比較,降低了含碳和含鉻量,同時(shí)消除了大塊 的共晶碳化物,鋼的顯微組織中碳化物呈細(xì)小、均勻分布,所以其斷裂韌性及抗彎強(qiáng)度、磨 削性、切削性能和鍛造性能都大為改善,其熱處理變形小,抗回火穩(wěn)定性也有所提高。國內(nèi) 外專家預(yù)測:鉻8系列有可能取代鉻12系列成為用途廣泛的冷作模具鋼。但是,這類鋼用作 高速沖壓和高速乳制工作條件的模具來說,其紅硬性和熱穩(wěn)定性及耐磨性仍顯不足;而且 高速乳輥還要求輥面硬度達(dá)HRc65以上,并保證乳輥不脆斷。目前國內(nèi)外的高韌性、高耐磨 性冷作模具鋼很難滿足該要求。
[0005] 為此,需要設(shè)計(jì)一種高速沖壓冷作模具鋼,能夠滿足在高速沖壓和高速冷乳工作 條件下模具的高紅硬性、熱穩(wěn)定性及耐磨性的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006] 本發(fā)明的目的之一,是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中冷作模具鋼紅硬性、熱穩(wěn)定性、耐磨性 不足的問題,提供一種高速沖壓冷作模具鋼;能夠滿足高速沖壓和高速冷乳工作條件。具有 比目前國內(nèi)外的高耐磨性、高韌性冷作模具鋼的更高硬度、熱硬性及熱穩(wěn)定性,滿足現(xiàn)代工 業(yè)發(fā)展的需要,減少冷作模具鋼的消耗,增加社會效益的特點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明的目的之二,是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中冷作模具鋼紅硬性、熱穩(wěn)定性、耐磨性 不足的問題,提供一種高速沖壓冷作模具鋼的制備方法。
[0008] 本發(fā)明的目的之一可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到:
[0009] 一種高速沖壓冷作模具鋼,其特征在于:主要物質(zhì)組分包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、 W、V、A1、Cu和Ni,各物質(zhì)組分的質(zhì)量百分含量分別為:C 0.85-0.95 %、Si 0.80-1.20 %、Mn 0·30-0·60%、Ρ彡0.025、S彡0.015、Cr 7·90-8·40%、Μο 1.40-1.70%、W 1.90-2.20%、V 2·20-2·50%、Α1 0.90-1.20%,Cu彡0.20,Ni彡0.25;余量為Fe。
[0010] 本發(fā)明的目的之一還可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到:
[0011] 進(jìn)一步地,主要物質(zhì)成分是在前述主要物質(zhì)組分的基礎(chǔ)上減少Cu和Ni,即主要物 質(zhì)組分包括(:、3^11、?、3、(^、1〇、1、¥和41,各物質(zhì)組分的質(zhì)量百分含量分別為 :(:0.85-0.95%、Si 0·80-1·20%、Μη 0·30-0·60%、Ρ彡0.02、S<0.015、Cr7.90-8.40%、Mol.40-1.70%、W 1.90-2.20%、V 2·20-2·50%、Α1 0.90-1.20%;余量為Fe。
[0012] 本發(fā)明的目的之二可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到:
[0013] -種高速沖壓冷作模具鋼的制備方法,其特征在于:
[0014] 1)按設(shè)定的物質(zhì)組分準(zhǔn)備高速沖壓冷作模具鋼的原料,準(zhǔn)備好堿性電弧爐或感應(yīng) 熔煉爐;
[0015] 2)冶煉工藝采用氧化法或返回法;
[0016] 采用氧化法冶煉時(shí),配料時(shí)熔清碳在成品碳的0.40%以上,嚴(yán)格控制廢鋼的硫、磷 含量,即熔清后硫、磷含量在<0.025%以下,合金爐料按各生產(chǎn)廠已有條件的燒損率配入;
[0017] 采用返回法冶煉時(shí),廢鋼中本鋼種返回料高達(dá)60%以上,配碳時(shí)熔清碳控制在規(guī) 格上限0.20%以上,嚴(yán)格控制爐料的磷含量在<0.020%以下,防止砷、錫、鉛、銅的帶入;
[0018] 3)鋁的加入,是將鋁塊放在鋼包內(nèi),出鋼時(shí)將鋼水對準(zhǔn)鋁塊倒出,鋁塊將迅速熔化 與鋼水混合,保證鋁在鋼水中的均勻性和低的燒損率;
[0019] 4)鋼水脫氧,出鋼前要求鋼水脫氧,由于本新鋼種屬高性能冷作模具鋼有必要進(jìn) 行電渣重熔處理,電渣重熔時(shí)鋁的燒損率增大,冶煉配料時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加配鋁量以保證鋁的 質(zhì)量百分含量在設(shè)定比例范圍內(nèi);
[0020] 5)經(jīng)過原料的裝料、熔化、氧化、還原精煉、出鋼和澆注工序,確保各物質(zhì)組分的質(zhì) 量百分含量分別為:C 0.85-0.95%、Si 0·80-1·20%、Μη 0.30-0.60%K0.025、S彡 0.015、Cr 7·90-8·40%、Μο 1.40-1.70%、W 1.90-2.20%、V 2·20-2·50%、Α10·90-1.20%,Cu彡0.20,Ni彡0.25,余量為Fe;或者確保各物質(zhì)組分的質(zhì)量百分含量分別為:C 0.85-0.95%、Si 0·80-1·20%、Μη 0.30-0.60%、P<0.02、S<0.015、Cr 7.90-8.40%、Mo 1.40-1.70%、W 1.90-2.20%、V 2·20-2·50%、Α1 0.90-1.20%;余量為Fe;所述裝料、熔 化、氧化、還原精煉、出鋼和澆注工序按各廠高合金工具鋼的冶煉規(guī)程執(zhí)行;
[0021] 6)注錠并在注錠后均勻化退火、鍛造,制成高速沖壓冷作模具鋼,即101鋼。
[0022] 所述退火、鍛造工序參照高鉻高合金工具鋼的工藝和操作規(guī)程執(zhí)行;考慮到新鋼 種含有鋁較容易脫炭,在均勻化退火,鍛造加熱,鍛后退火時(shí)加以重視,即鍛后退火采用等 溫退火和球化退火,新鋼種熱處理淬火溫度較高在1150 °C左右,在真空爐或鹽浴爐中加熱, 回火在鹽浴爐回火。
[0023] 本發(fā)明的目的之二還可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到:
[0024] 進(jìn)一步地,在采用氧化法或返回法的基礎(chǔ)上,采用爐外精煉、電渣重溶冶煉方法冶 煉,或者采用真空處理的精煉方法冶煉。
[0025] 進(jìn)一步地,在采用氧化法或返回法的基礎(chǔ)上,按各鋼廠高鉻合金工具鋼的冶煉操 作規(guī)程進(jìn)行冶練,鋁的加入量按成分范圍的中、上限另加燒損率,加入方法是將鋁塊在出鋼 前放入鋼包內(nèi),鋼水的含氧量要盡量低,以保證鋼獲得低的氧化物夾雜和鋁的低燒損率;出 鋼時(shí)將鋼水對鋁塊并及時(shí)加入防止鋼水氧化的保護(hù)劑;出鋼后經(jīng)真空處理或經(jīng)精煉方法精 煉;錠型大小與鍛材規(guī)格相匹配。
[0026]進(jìn)一步地,在進(jìn)行電渣重熔時(shí),按各鋼廠電渣重熔冶煉操作規(guī)程執(zhí)行,以保證得到 更純凈更優(yōu)質(zhì)的鋼材;澆注工藝、鍛造工藝、退火工藝及操作規(guī)程與各鋼廠高鉻合金工具鋼 的規(guī)程相同。
[0027]試制產(chǎn)品,鍛材規(guī)格為纟95,按森吉米爾20輥乳機(jī)的成品乳輥尺寸經(jīng)下料,機(jī)加工, 在真空爐或鹽浴爐中1130-1150 °C加熱淬火,在520-530°C鹽浴爐中回火3-4次,回火后硬度 控制在HRc65左右,然后上磨床精磨即可得到高質(zhì)量高壽命的冷乳輥;若希望冷乳輥有更高 的使用壽命,即在熱處理精磨后再進(jìn)行氮化處理,液體氮化或離子氮化均可,氮化溫度比常 規(guī)的低一些,選在520-530 °C為佳,氮化后加精拋光,表面顯微硬度達(dá)到Hv5(X) = 1120以上,使 用壽命比未氮化處理高1-3倍;氮化層被磨去后可重新氮化。
[0028]本發(fā)明具有如下突出的有益效果:
[0029] 1、本發(fā)明的各物質(zhì)組分的質(zhì)量百分含量分別為:(:0.85-0.95%、510.80- 1.20%、Mn 0.30-0.60%、P<0.025、S<0.015、Cr 7.90-8.40%、Mol.40-1.70%、W1.90-2.20%、V 2·20-2·50%、Α1 0.90-1.20%,Cu彡0.20,Ni彡0.25;余量為Fe;或者各物質(zhì)組分 的質(zhì)量百分含量分別為:C 0.85-0.95%、Si 0·80-1·20%、Μη 0.30-0.60%K0.02、S< 0.015、Cr 7·90-8·40%、Μο 1.40-1.70%、W 1.90-2.20%、V 2·20-2·50%、Α10·90-1.20%;余量為Fe;加入合金元素鋁,進(jìn)一步提高鋼的硬度、紅硬性與滲氮后的表面硬度和 熱穩(wěn)定性,加入的鉬能夠提高鋼的淬透性、熱強(qiáng)性、防止回火脆性、抗回火軟化能力,因此, 能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中冷作模具鋼紅硬性、熱穩(wěn)定性、耐磨性不足的問題,具有高耐磨性、高 韌性、高硬度、熱硬性及熱穩(wěn)定性的特點(diǎn),能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要、減少冷作模具鋼 的消耗和增加社會效益的突出的有益效果。
[0030] 2、本發(fā)明在鉻8系列冷作模具鋼中首次加入合金元素鋁,作為進(jìn)一步提高鋼的硬 度、紅硬性、回火穩(wěn)定性與滲氮后的表面硬度和熱穩(wěn)定性的重要措施,從而獲得高于目前國 內(nèi)外鉻8系列高韌性、高耐磨性的新鋼種,經(jīng)試驗(yàn)?zāi)軡M足高速沖壓和高速乳輥的工作條件。 在高速鋼中W6Mo5Cr4V2和W6Mo5Cr4V2Al相比,由于加入1%的Al在高硬度的情況下仍能提 高在淬火、回火后的硬度。W6Mo5Cr4V2鋼經(jīng)1240°C淬火,550°C回火硬度為HRc66.2,而 W6Mo5Cr4V2Al鋼同樣1240 °C淬火,550 °C回火硬度為HRc68.2,后者比前者硬度高2HRc。
【附圖說明】:
[0031]圖1為日本大同公司的DC53回火硬度曲線圖。
[0032]圖2為日立金屬公司SLD-8鋼回火曲線圖。
[0033] 圖3為7Cr7Mo3V2Si鋼IlOOcC淬火硬度與回火的關(guān)系圖。
[0034]圖4為合金工具鋼二次硬度與Cp和A的關(guān)系圖。
[0035] 圖5為W6Mo5Cr4V2鋼的回火硬度曲線圖。
[0036] 圖6為W6Mo5Cr4V2Al鋼的回火硬度曲線圖。
[0037] 圖7為101鋼與我國LD鋼及日本大同、日立公司的冷作模具鋼回火穩(wěn)定性比較曲線 圖。
[0038] 圖8為101鋼與高速工具鋼經(jīng)氮化后不同加熱溫度下的硬度比較曲線圖。
[0039] 圖9為101鋼在1120-1150°C淬火和520-530°C回火其回火硬度曲線圖。
[0040] 圖10為101鋼馬氏體轉(zhuǎn)變。
【具體實(shí)施方式】:
[0041 ]具體實(shí)施例1:
[0042]本實(shí)施例涉及的一種高速沖壓冷作模具鋼,主要物質(zhì)成分包括C、Si、Mn、P、S、Cr、 Mo、W、V、A1、Cu和Ni,各物質(zhì)組分的質(zhì)量百分含量分別為:C 0 · 85-0 · 95 %、Si 0 · 80-1 · 20 %、 Mn 0·30-0·60%、Ρ彡0.025、S彡0.015、Cr 7·90-8·40%、Μο 1.40-1.70%、W 1.90-2.20%、 V 2·20-2·50%、Α1 0.90-1.20%,Cu彡0.20,Ni彡0.25;余量為Fe。
[0043] 本實(shí)施例涉及的一種高速沖壓冷作模具鋼的制備方法,其特征在于:
[0044] 1)按設(shè)定的物質(zhì)組分準(zhǔn)備高速沖壓冷作模具鋼的原料,準(zhǔn)備好堿性電弧爐或感應(yīng) 熔煉爐;
[0045] 2)冶煉工藝采用氧化法或返回法;
[0046] 采用氧化法冶煉時(shí),配料時(shí)熔清碳在成品碳的0.40%以上,嚴(yán)格控制廢鋼的硫、磷 含量,即熔清后硫、磷含量在<0.025%以下,合金爐料按各生產(chǎn)廠已有條件的燒損率配入; [0047]采用返回法冶煉時(shí),廢鋼中本鋼種返回料高達(dá)60%以上,配碳時(shí)熔清碳控制在規(guī) 格上限0.20%以上,嚴(yán)格控制爐料的磷含量在<0.020%以下,防止砷、錫、鉛、銅的帶入;
[0048] 3)鋁的加入,是將鋁塊放在鋼包內(nèi),出鋼時(shí)將鋼水對準(zhǔn)鋁塊倒出,鋁塊將迅速熔化 與鋼水混合,保證鋁在鋼水中的均勻性和低的燒損率;
[0049] 4)鋼水脫氧,出鋼前要求鋼水脫氧,由于本新鋼種屬高性能冷作模具鋼有必要進(jìn) 行電渣重熔處理,電渣重熔時(shí)鋁的燒損率增大,冶煉配料時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加配鋁量以保證鋁的 質(zhì)量百分含量在設(shè)定比例范圍內(nèi);
[0050] 5)經(jīng)過原料的裝料、熔化、氧化、還原精煉、出鋼和澆注工序,確保各物質(zhì)組分的質(zhì) 量百分含量分別為:C 0.85-0.95%、Si 0·80-1·20%、Μη 0.30-0.60%K0.025、S彡 0.015、Cr 7.90-8.40%、Mol.40-1.70%、W 1.90-2.20%、V 2.20-2.50%、A10.90-1.20 %,CuSO . 20,Ni <0.25,余量為Fe;所述裝料、熔化、氧化、還原精煉、出鋼和澆注工序 按各廠高合金工具鋼的冶煉規(guī)程執(zhí)行;
[0051] 6)注錠并在注錠后均勻化退火、鍛造,制成高速沖壓冷作模具鋼,即101鋼。
[0052]所述退火、鍛造工序參照高鉻高合金工具鋼的工藝和操作規(guī)程執(zhí)行;考慮到新鋼 種含有鋁較容易脫炭,在均勻化退火,鍛造加熱,鍛后退火時(shí)加以重視,即鍛后退火采用等 溫退火和球化退火,新鋼種熱處理淬火溫度較高在1150 °C左右,在真空爐或鹽浴爐中加熱, 回火在鹽浴爐回火。
[0053]進(jìn)一步地,在采用氧化法或返回法的基礎(chǔ)上,采用爐外精煉、電渣重溶冶煉方法冶 煉,或者采用真空處理的精煉方法冶煉。
[0054]進(jìn)一步地,在采用氧化法或返回法的基礎(chǔ)上,按各鋼廠高鉻合金工具鋼的冶煉操 作規(guī)程進(jìn)行冶練,鋁的加入量按成分范圍的中、上限另加燒損率,加入方法是將鋁塊在出鋼 前放入鋼包內(nèi),鋼水的含氧量要盡量低,以保證鋼獲得低的氧化物夾雜和鋁的低燒損率;出 鋼時(shí)將鋼水對鋁塊并及時(shí)加入防止鋼水氧化的保護(hù)劑;出鋼后經(jīng)真空處理或經(jīng)精煉方法精 煉;錠型大小與鍛材規(guī)格相匹配。
[0055]進(jìn)一步地,在進(jìn)行電渣重熔時(shí),按各鋼廠電渣重熔冶煉操作規(guī)程執(zhí)行,以保證得到 更純凈更優(yōu)質(zhì)的鋼材;澆注工藝、鍛造工藝、退火工藝及操作規(guī)程與各鋼廠高鉻合金工具鋼 的規(guī)程相同。
[0056]進(jìn)一步地,鍛材規(guī)格為纟95,按森吉米爾20輥乳機(jī)的成品乳輥尺寸經(jīng)下料,機(jī)加工, 在真空爐或鹽浴爐中1130-1150 °C加熱淬火,在520-530°C鹽浴爐中回火3-4次,回火后硬度 控制在HRc65左右,然后上磨床精磨即可得到高質(zhì)量高壽命的冷乳輥;若希望冷乳輥有更高 的使用壽命,即在熱處理精磨后再進(jìn)行氮化處理,液體氮化或離子氮化均可,氮化溫度比常 規(guī)的低一些,選在520-530°C為佳,氮化后加精拋光,表面顯微硬度達(dá)到HVO. 5 = 1120以上, 使用壽命比未氮化處理高1-3倍;氮化層被磨去后重新氮化。
[0057]本實(shí)施例的原理解釋如下:
[0058] 為了滿足高速沖壓和高速冷乳工作條件下模具的高性能要求,本發(fā)明運(yùn)用合金化 原理,利用碳化物形成元素的特性和綜合作用使其具有足夠數(shù)量的碳化物保證其耐磨性。 加入合金元素鋁提高其紅硬性和熱穩(wěn)定性,計(jì)算平衡碳合金度Cp和碳飽和度A,保證二次硬 化獲得高硬度,控制總碳量和馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)及回火溫度保證其韌性,使新冷作模具鋼比目 前國內(nèi)外的高耐磨性高韌性冷作模具鋼具有更高的硬度和熱硬性及熱穩(wěn)定性,滿足現(xiàn)代工 業(yè)發(fā)展的需要,減少冷作模具鋼的消耗,增加社會效益。本發(fā)明相應(yīng)其他牌號其含鋁量< 3.0%〇
[0059] 為了確保該鋼具有足夠的耐磨性,以碳化物形成元素鉻、鉬、鎢、釩為主要加入元 素。其中,鉻是主加元素,鉻是中強(qiáng)碳化物形成元素,在鋼中與碳形成Cr23C6+Cr7C3碳化物, 也可熔于固溶體和Fe3C中,考慮加入量時(shí),為避免如鉻12系列所形成過多的萊氏體共晶和 大塊碳化物,又要保證足夠碳化物量和溶于基體而提高基體耐磨性的量,所以鉻定為 8.0 %。鉬、鎢、釩都是很強(qiáng)的碳化物形成元素。鉬、鎢形成M〇6C,W6C碳化物,釩形成VC碳化 物。鉬在鋼中有眾多的良好作用,能夠提高鋼的淬透性、熱強(qiáng)性、防止回火脆性、增加抗回火 軟化能力。在高溫回火時(shí),鉬使鋼產(chǎn)生二次硬化作用,溶于固溶體有固溶強(qiáng)化作用同時(shí)能提 尚碳化物穩(wěn)定性。在工具鋼中能改善鋼的初性和提尚耐磨性,有絡(luò)同時(shí)加入時(shí)還能增強(qiáng)^-次硬化效果。所以在各類鋼中得到廣泛的應(yīng)用。
[0060] 保證鉬在鋼中的良好作用,加入量考慮為1.5 %。鎢能增加鋼的回火穩(wěn)定性、紅硬 性和熱強(qiáng)性。一般在冷作模具鋼中很少加入,主要用于高速鋼和熱作模具鋼;考慮到高速沖 壓冷作模具鋼工作條件比較惡劣,高速沖壓模具和乳輥工作時(shí)表面溫度高,加入一定量的 鎢提高其回火穩(wěn)定性,紅硬性和熱強(qiáng)性也很有必要;而且鎢在鋼中與鉬的作用相同,降低一 定的含鉬量而加入一定的鎢量可以起彌補(bǔ)鉬的作用鎢加入量為2.0%。釩是工模具鋼中提 高耐磨性的最主要因素,釩的碳化物與其他碳化物相比它的硬度和穩(wěn)定性都是最高的,每 增加1.0 % V,耐磨性增強(qiáng)一倍,但含釩量過高將大大降低其磨削性,為了獲得高的耐磨性又 不至于惡化其磨削性含釩量控制在2.4%。在本實(shí)施例中碳量的高低是十分重要的;鉻12系 列冷作模具鋼含碳量都是高碳,C%在1.4%-2.3%,Cr%達(dá)12%這是該系列鋼性能差的主 要先天性內(nèi)在原因。
[0061]參照圖1-圖3,為了準(zhǔn)確的確定在上述合金元素含量的基礎(chǔ)上的配比碳量有必要 講桿平衡碳Cn和碳飽和度A的i+宣,按.斯菩玄(Steven)平衡i+宣式i+宣
[0064] 注:上表中日本公司、美國公司的產(chǎn)品數(shù)據(jù)屬于"CP和A平均值"
[0065] 參照圖4,從上述計(jì)算結(jié)果與圖4比較可以看出:鉻12系列的A值>1為1.5-2.9說明 其碳含量大大超過該鋼合金元素所需的定比碳,鋼中將出現(xiàn)大量的Fe3C,這是該系列鋼性 能惡化的主要原因,日本的高韌性高耐磨性鋼的A>1,而美國的高韌性高耐磨性鋼及粉末 鋼的A<1 AClOl鋼的A = O. 8其二次硬化能力介乎于幾十種合金工具鋼CP與A分布曲線的中 值其合金元素含量與定比碳匹配比較合理,這是保證新鋼具有高硬度水平的基礎(chǔ),而且A值 的±0.002非常小,換言之在這樣的成分范圍內(nèi),鋼的性能波動將很小。本發(fā)明設(shè)定A = O.8-0.85之間是綜合了冷作模具鋼、高速鋼和國內(nèi)外高韌性高耐磨性鋼的CP和A值與其性能之 間的大量研究結(jié)果而設(shè)定的,在己進(jìn)行的試驗(yàn)中已取得了良好的工業(yè)產(chǎn)品使用效果。
[0066] 加入的鉬在鋼中有眾多良好作用,能夠提高鋼的淬透性、熱強(qiáng)性、防止回火脆性、 抗回火軟化能力。在高溫回火時(shí),鉬使鋼產(chǎn)生二次硬化作用,溶于固溶體有固溶強(qiáng)化作用并 能提高碳化物穩(wěn)定性,改善鋼整體的韌性和提高耐磨性,同時(shí)加入鉻能增強(qiáng)二次硬化效果。 鎢能增加鋼的回火穩(wěn)定性,紅硬性和熱強(qiáng)性。釩是提高耐磨性的最主要因素,釩的碳化物與 其他碳化物相比,它的硬度和穩(wěn)定性都是最高的,釩量控制在2.4%左右可使本發(fā)明獲得高 耐磨性和適合加工成模具的磨削性。在本發(fā)明中碳含量在0.85-0.95%之間,SClOl鋼的A = 0.8其二次硬化能力介乎于幾十種合金工具鋼的CP值與A分布曲線的中值,其合金元素含量 與定比碳匹配合理,保證本發(fā)明具有高硬度水平的基礎(chǔ)。且A值的±0.002非常小,換言之在 這樣的成分范圍內(nèi),鋼的性能波動將很小。從而使本發(fā)明具有良好的工業(yè)生產(chǎn)效果。本發(fā)明 運(yùn)用合金化的組分結(jié)構(gòu),利用碳化物元素的特性,足夠數(shù)量的碳化物能保證材料的耐磨性, 加入合金元素鋁提高其紅硬性和熱穩(wěn)定性。通過平衡碳合金度Cp和碳飽和度A,保證二次硬 化獲得高硬度,控制總碳量和馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)及回火溫度保證其韌性,從而形成高速沖壓冷 作模具鋼。
[0067] 另外,本發(fā)明在高韌性高耐磨性鋼中加入合金元素鋁>0.7%,進(jìn)一步提高鋼的硬 度、紅硬性和滲氮后的表面硬度和熱穩(wěn)定性的重要手段。這在鉻8系列鋼中無此先例,在國 內(nèi)外冷作模具鋼中也極少見。鋁是與氧和氮有很大親和力的元素,作為煉鋼時(shí)的強(qiáng)脫氧和 固氮?jiǎng)?,并能?xì)化晶粒,提高鋼在低溫下的韌性。作為合金元素可以提高鋼抗氧化性.改善 鋼的電磁性能,提高滲氮鋼的耐磨性和疲勞強(qiáng)度;在耐熱不起皮鋼、不銹耐酸鋼、電熱合金、 磁鋼和滲氮鋼中在國內(nèi)外很早就得到了應(yīng)用。在切削工具鋼中在上世紀(jì)第二次世界大戰(zhàn)時(shí) 因缺少鎢前蘇聯(lián)有人研究過用鋁來代替鎢,戰(zhàn)后就沒有推廣應(yīng)用;上世紀(jì)七十年代我國在 高速鋼研究中在美國M2(W6Mo5Cr4V2)鋼中加入1%的鋁,成功的開發(fā)出W6Mo5Cr4V2Al高硬 度高速鋼及相關(guān)的幾個(gè)高速鋼在國內(nèi)得到很好的應(yīng)用;同年代在熱作模具鋼中 5Cr4M 〇3SiMnAl鋼中為了提高鋼的沖擊韌性及熱加工塑性加入0.3-0.7 %A1;本發(fā)明人在另 一項(xiàng)發(fā)明專利(專利號:〇〇117148.8)中,在中鉻合金工具鋼基礎(chǔ)上為了提高鋼的紅硬性,滲 氮性能和滲氮層表面硬度和熱穩(wěn)定性加入0.9-1.3%A1開發(fā)出一個(gè)高性能熱作模具鋼,查 閱文獻(xiàn)資料,國內(nèi)曾有人在D2 (即Cr 12Mol Vl)冷作模具鋼中加入微量鋁,鎳,氮進(jìn)行微合金 化研究,未能有效的改善D2的性能未取得成功。
[0068] 參見圖5、圖6,本實(shí)施例涉及的絡(luò)8系列冷作模具鋼中,首次加入合金元素鋁,作為 進(jìn)一步提高鋼的硬度、紅硬性、回火穩(wěn)定性和滲氮后的表面硬度和熱穩(wěn)定性的重要措施,從 而獲得高于目前國內(nèi)外鉻8系列高韌性高耐磨性的新鋼種經(jīng)試驗(yàn)?zāi)軡M足高速沖壓和高速乳 輥的工作條件。在高速鋼中W6Mo5Cr4V2和W6Mo5Cr4V2Al相比,由于加入1%的Al在高硬度的 情況下仍能提高在淬火、回火后的硬度,從圖5圖6中看出:W6M 〇5Cr4V2鋼經(jīng)1240°C淬火,550 °C回火硬度為HRc66.2,而W6Mo5Cr4V2Al鋼同樣1240°C淬火,550°C回火硬度為HRc68.2,后 者比前者硬度高2HRc〇
[0069] 參見圖7,在熱作模具鋼中,本發(fā)明
【申請人】另一項(xiàng)發(fā)明專利鋼SMM301(專利號 00117148.8)與日本大同公司的DH31 - S鋼有相近的合金成分但前者多加入0.9-1.3%A1淬 火后在500-550°C回火前者的硬度比后者高4-6HRc,兩者在600°C加熱40小時(shí),SMM301比 DH31 - S硬度高 13HRc。
[0070]本發(fā)明涉及的鉻8系列高韌性高耐磨性冷作模具鋼之一的101鋼與M2、M35、M42高 速鋼相比,滲氮后經(jīng)550-800°C的重新加熱保溫1小時(shí)101鋼的表面顯微硬度及熱硬性比M2、 M35、M42鋼還高,550°C的表面顯微硬度高達(dá)HvO. 51350,M2等鋼只有HvO. 51260以下,加熱到 750°C前者表面硬度還有HvO.5980,M2等只有H v0.5610-680。
[0071] 參見圖8,關(guān)于心部硬度問題:M2鋼合金元素總量達(dá)17%,而且W、Mo、V的量達(dá)13%, 而101鋼的合金元素總量只有14%,W、Mo、V元素的量不到6%,所以M2等鋼的心部硬度比 SC221鋼稍高;101鋼在1120-1150°C淬火和520°C_530°C回火其回火硬度可達(dá)HRc65左右。 [0072]參見圖9和圖10,高硬度鋼的韌性是至關(guān)重要的,前面已經(jīng)提到新鋼種的韌性是通 過選擇不同淬火溫度控制馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)得到不同數(shù)量的殘留奧氏體量再通過不同回火溫 度和次數(shù)保證一定殘留奧氏體量來確保韌性。
[0073]所以,鋁作為合金元素加入鋼中可以促進(jìn)合金碳化物的析出,增加其彌散度,提高 二次硬化的能力,從而提高鋼的抗氧化性、紅硬性和抗回火穩(wěn)定性。鋼中含鋁在氮化處理時(shí) 與氮形成極為穩(wěn)定的、高度彌散的氮化物,大幅度提高滲氮層的硬度和熱穩(wěn)定性,從而提高 其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度。
[0074]有條件的情況下最好進(jìn)行真空處理或其他精煉方法處理。冶煉工藝可以采用氧化 法或返回法;氧化法配料時(shí)熔清碳在成品碳的0.40%以上,嚴(yán)格控制廢鋼的硫,磷含量,熔 清后在<0.025%以下,合金爐料按各生產(chǎn)廠條件的燒損率配入。也可以用返回法冶煉,廢 鋼中本鋼種返回料可高達(dá)60%以上,配碳時(shí)熔清碳控制在規(guī)格上限0.20%以上。嚴(yán)格控制 爐料的磷含量在<0.020%以下,此外還應(yīng)該嚴(yán)格控制砷、錫、鉛、銅的帶入。其他工序:氧 化、裝料、熔化、氧化、還原精煉、出鋼、澆注等按各廠高合金工具鋼的冶煉規(guī)程執(zhí)行。特別提 示;鋁的加入是將鋁塊放在鋼包內(nèi),出鋼時(shí)將鋼水對準(zhǔn)鋁塊倒出,鋁塊將迅速熔化與鋼水混 合,保證鋁在鋼水中的均勻性和低的燒損率。出鋼前要求鋼水很好脫氧,保證出鋼前達(dá)到盡 量低的含氧量,這一點(diǎn)對保證鋼獲得低的氧化物夾雜和鋁的低燒損率是十分必要的。
[0075]由于本發(fā)明屬高性能冷作模具鋼有必要進(jìn)行電渣重熔處理,這樣可以保證獲得更 純凈,更佳的材質(zhì)。但電渣重熔時(shí)鋁的燒損率增大,冶煉配料時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加配鋁量。注錠后 均勻化退火,鍛造,退火等工序可參照高鉻高合金工具鋼的工藝和操作規(guī)程執(zhí)行。需注意的 是新鋼種含有鋁較容易脫炭,在均勻化退火,鍛造加熱,鍛后退火時(shí)加以重視;鍛后退火宜 采用等溫退火和球化退火。另外,新鋼種熱處理淬火溫度較高在1150°C左右,應(yīng)在真空爐或 鹽浴爐中加熱,回火也最好在鹽浴爐回火。需氮化處理或表面涂層處理按這些處理的規(guī)程 執(zhí)行。
[0076] 具體實(shí)施例2:
[0077] 本發(fā)明具體實(shí)施例2的特點(diǎn)是:涉及的高速沖壓冷作模具鋼,主要物質(zhì)成分是在權(quán) 利要求1的基礎(chǔ)上減少Cu和Ni,即主要物質(zhì)組分包括(:、3^11、?、3、0、1〇、1、¥和41,各物質(zhì) 組分的質(zhì)量百分含量分別為:C 0.85-0.95%、Si 0.80-1.20%、Μη0·30-0·60%、Ρ彡(h02、S <0.015、Cr 7.90-8.40%、Mol.40-1.70%、W 1.90-2.20%、V 2.20-2.50%、A10.90- 1.20% ;余量為Fe。其制備方法同具體實(shí)施例1。
[0078] 本發(fā)明的新鋼種與現(xiàn)有的高韌性高耐磨性冷作模具鋼相比有如下突出的優(yōu)點(diǎn):
[0079] 1、比我國7Cr7Mo3V2Si鋼,日本大同公司的DC53鋼和日立金屬公司的SLD - 8鋼有 更高的回火硬度;見圖9,在1130-1150 °C淬火,530 °C回火后硬度達(dá)HRc65以上,上述三個(gè)鋼 均無法達(dá)到,能滿足高速沖模尤其是高速冷乳輥的高硬度要求。
[0080] 2、新鋼種在高硬度的情況下其韌性可以通過淬火溫度的選擇、冷處理、回火溫度、 回火次數(shù)來調(diào)整,控制其殘留奧氏體量來保證。由于新鋼種屬中高碳高合金鋼,其馬氏體點(diǎn) 隨淬火溫度的高低而改變,下馬氏體點(diǎn)Mf甚至降至一 (TC以下見圖10,該鋼工件在油冷淬火 降至室溫時(shí)由于大量奧氏體尚未轉(zhuǎn)變成馬氏體,硬度很低甚至在HRc20以下,所以淬火過程 不會出現(xiàn)淬裂或變形問題。隨著在室溫冷卻的時(shí)間推移,淬火硬度逐步上升至HRc57-62左 右,通過回火或進(jìn)行冷處理硬度即升至HRc65以上,而且基體仍保存有一定數(shù)量的殘留奧氏 體,保證了產(chǎn)品在高硬度時(shí)仍有足夠的韌性。
[0081 ] 3、新鋼種由于含鉻量為8%,含碳量0.9%,碳飽和度A在0.8-0.85之間所以不會出 現(xiàn)大塊碳化物,碳化物細(xì)小和均勻分布,所以避免了鉻12系列的鍛造性差,脆性大,磨削性 差等一系列缺陷;由于其含釩量達(dá)2.4%,因此有很高的耐磨性。
[0082] 4、許多高速沖壓模需要高壽命時(shí)往往要進(jìn)行氮化處理;新鋼種經(jīng)氮化后鋼中的鋁 與氮生成高彌散的氮化鋁提高了鋼的表面硬度,甚至比M2高速鋼在相同條件下的硬度還 高,見圖8,高硬度意味著高耐磨性和高使用壽命。
[0083] 5、新鋼種另一個(gè)顯著特點(diǎn):經(jīng)氮化處理后,鋼表面所獲得的鋁氮化物有很高的熱 穩(wěn)定性和紅硬性。因?yàn)榈X在真空中加熱到1100 °C還是穩(wěn)定的,而氮化鉻、氮化釩在400 °C已開始分解,氮化鈦、氮化鎢在600°C開始分解,在所有氮化物當(dāng)中氮化鋁的熱穩(wěn)定性最 尚。
[0084] 6、如上所述,這就是新鋼種的合金總量雖然比M2高速鋼低,但氮化后熱穩(wěn)定性和 紅硬性比M2鋼還高的原因,這意味著鋼能在更高的溫度,更長的時(shí)間保持高硬度和耐磨性, 這對高速沖模和高速冷乳輥是十分重要的。
[0085] 7、新鋼種中鋁的加入量比普通煉鋼時(shí)加入的量多,由于鋁是強(qiáng)脫氧劑將進(jìn)一步降 低鋼的含氧量;模具鋼中含氧量的降低能提高其熱塑性和疲勞性能,降低熱裂紋和沖擊裂 紋的廣生,對提尚t旲具鋼的性能和壽命有利。
[0086] 8、本鋼種是一種高韌性、高耐磨性的新鋼種,比目前應(yīng)用廣泛的鉻12系列的冷作 模具鋼有更高的硬度,耐磨性和抗回火穩(wěn)定性,在高硬度的情況下其韌性可調(diào)控;鍛造性 能、磨削性、線切割性都比鉻12系列好;熱處理性能方面淬火不會淬裂,變形小;能滿足鉻12 系列無法滿足用于高速沖壓模和高速冷乳輥的工作條件要求;它比目前國內(nèi)外的高韌性、 高耐磨性的7Cr7Mo3V2Si鋼,日本大同公司的DC53鋼和日立金屬公司的SLD-8鋼性能都好。 經(jīng)氮化處理后,具有更高的表面硬度和紅硬性,比相同處理的M2、M35、M42等高速鋼還高,所 以能代替鉻12系列的冷作模具鋼和用作模具的M2高速鋼,在廣泛的冷作模具中應(yīng)用,是很 有前途的通用性強(qiáng)高性能冷作模具鋼。
[0087]以上所述,僅為發(fā)明較具體的實(shí)施例,但發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限與此,任何熟悉 本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的范圍內(nèi),根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及構(gòu)思加以等同替 換或改變,都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高速沖壓冷作模具鋼,其特征在于:主要物質(zhì)組分包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、W、 V、A1、Cu和Ni,各物質(zhì)組分的質(zhì)量百分含量分別為:C 0 · 85-0 · 95 %、Si 0 · 80-1 · 20 %、Mn 0·30-0·60%、Ρ彡0.025、S彡0.015、Cr 7·90-8·40%、Μο 1.40-1.70%、W 1.90-2.20%、V 2·20-2·50%、Α1 0.90-1.20%,Cu彡0.20,Ni彡0.25;余量為Fe。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速沖壓冷作模具鋼,其特征在于:主要物質(zhì)成分是在權(quán) 利要求1主要物質(zhì)組分的基礎(chǔ)上減少Cu和Ni,即主要物質(zhì)組分包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、W、V 和A1,各物質(zhì)組分的質(zhì)量百分含量分別為:(:0.85-0.95%、31 0.80-1.20%、]?110.30-0.60%、P<0.02、S<0.015、Cr 7.90-8.40%、Mol.40-1.70%、W 1.90-2.20%、V2.20-2·50%、Α1 0.90-1.20%;余量為 Fe。3. -種高速沖壓冷作模具鋼的制備方法,其特征在于: 1) 按設(shè)定的物質(zhì)組分準(zhǔn)備高速沖壓冷作模具鋼的原料,準(zhǔn)備好堿性電弧爐或感應(yīng)熔煉 爐; 2) 冶煉工藝采用氧化法或返回法; 采用氧化法冶煉時(shí),配料時(shí)熔清碳在成品碳的0.40%以上,嚴(yán)格控制廢鋼的硫、磷含 量,即熔清后硫、磷含量在<0.025%以下,合金爐料按各生產(chǎn)廠已有條件的燒損率配入; 采用返回法冶煉時(shí),廢鋼中本鋼種返回料高達(dá)60%以上,配碳時(shí)熔清碳控制在規(guī)格上 限0.20%以上,嚴(yán)格控制爐料的磷含量在<0.020%以下,防止砷、錫、鉛、銅的帶入; 3) 鋁的加入,是將鋁塊放在鋼包內(nèi),出鋼時(shí)將鋼水對準(zhǔn)鋁塊倒出,鋁塊將迅速熔化與鋼 水混合,保證鋁在鋼水中的均勻性和低的燒損率; 4) 鋼水脫氧,出鋼前要求鋼水脫氧,由于本新鋼種屬高性能冷作模具鋼有必要進(jìn)行電 渣重熔處理,電渣重熔時(shí)鋁的燒損率增大,冶煉配料時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加配鋁量以保證鋁的質(zhì)量 百分含量在設(shè)定比例范圍內(nèi); 5) 經(jīng)過原料的裝料、熔化、氧化、還原精煉、出鋼和澆注工序,確保各物質(zhì)組分的質(zhì)量百 分含量分別為:C 0.85-0.95%、Si 0·80-1·20%、Μη 0·30-0·60%、Ρ彡0.025、S彡0.015、Cr 7·90-8·40%、Μο 1.40-1.70%、W 1.90-2.20%、V 2.20-2.50%、A10.90-1.20%,Cu彡 0.20,Ni彡0.25,余量為Fe;或者確保各物質(zhì)組分的質(zhì)量百分含量分別為:C 0.85-0.95%、 Si 0·80-1·20%、Μη 0·30-0·60%、Ρ彡0.02、S彡0.015、Cr 7·90-8·40%、Μο 1.40-1.70%、 W 1.90-2.20%、V 2.20-2.50%、A1 0.90-1.20%;余量為Fe;所述裝料、熔化、氧化、還原精 煉、出鋼和澆注工序按各廠高合金工具鋼的冶煉規(guī)程執(zhí)行; 6) 注錠并在注錠后均勻化退火、鍛造,制成高速沖壓冷作模具鋼,即101鋼。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高速沖壓冷作模具鋼的制備方法,其特征在于:在采用氧 化法或返回法的基礎(chǔ)上,采用爐外精煉、電渣重溶冶煉方法冶煉,或者采用真空處理的精煉 方法冶煉。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高速沖壓冷作模具鋼的制備方法,其特征在于:在采用氧 化法或返回法的基礎(chǔ)上,按各鋼廠高鉻合金工具鋼的冶煉操作規(guī)程進(jìn)行冶練,鋁的加入量 按成分范圍的中、上限另加燒損率,加入方法是將鋁塊在出鋼前放入鋼包內(nèi),鋼水的含氧量 要盡量低,以保證鋼獲得低的氧化物夾雜和鋁的低燒損率;出鋼時(shí)將鋼水對鋁塊并及時(shí)加 入防止鋼水氧化的保護(hù)劑;出鋼后經(jīng)真空處理或經(jīng)精煉方法精煉;錠型大小與鍛材規(guī)格相 匹配。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高速沖壓冷作模具鋼的制備方法,其特征在于:在進(jìn)行電 渣重熔時(shí),按各鋼廠電渣重熔冶煉操作規(guī)程執(zhí)行,以保證得到更純凈更優(yōu)質(zhì)的鋼材;澆注工 藝、鍛造工藝、退火工藝及操作規(guī)程與各鋼廠高鉻合金工具鋼的規(guī)程相同。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高速沖壓冷作模具鋼的制備方法,其特征在于:試制產(chǎn) 品,鍛材規(guī)格為纟95,按森吉米爾20輥乳機(jī)的成品乳輥尺寸經(jīng)下料,機(jī)加工,在真空爐或鹽浴 爐中1130-1150 °C加熱淬火,在520-530 °C鹽浴爐中回火3-4次,回火后硬度控制在HRc65左 右,然后上磨床精磨即可得到高質(zhì)量高壽命的冷乳輥;若希望冷乳輥有更高的使用壽命,即 在熱處理精磨后再進(jìn)行氮化處理,液體氮化或離子氮化均可,氮化溫度比常規(guī)的低一些,選 在520-530°C為佳,氮化后加精拋光,表面顯微硬度達(dá)到H V5Q() = 1120以上,使用壽命比未氮 化處理高1-3倍;氮化層被磨去后可重新氮化。
【文檔編號】C22C38/04GK106086668SQ201610408091
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月9日
【發(fā)明人】黎炳雄, 董小虹, 梁航
【申請人】廣東世創(chuàng)金屬科技股份有限公司