CN1006813B

CN1006813B - 高强韧性工模具钢

Info

Publication number: CN1006813B
Application number: CN 88105812
Authority: CN
Inventors: 李辉
Original assignee: METALLURGICAL MATERIAL INST HUNAN PROV
Current assignee: METALLURGICAL MATERIAL INST HUNAN PROV
Priority date: 1988-12-14
Filing date: 1988-12-14
Publication date: 1990-02-14
Also published as: CN1033846A

Abstract

本发明的高强韧性工模具钢，综合性能良好，强韧性见著，强硬性兼优，耐磨性高，高温性能好，适用于钢的冷挤、冷镦、冷冲和有色合金的热挤、压铸等冲模具及受冲击力大的刀具和硅钢片冷轧辊等，使用寿命比常用工模具钢高几倍至十余倍。其化学成分为(重量)；碳0.58～0.63%，钨7.5～9%，铬4.2～4.8%，钒0.8～1.2%，钛0.05～0.35%。

Description

本发明系高强韧性工模具钢。其主要特征是综合性能良好，强韧性见著，强硬性兼优，耐磨性高，高温性能好，因而适用范围广，可作冷热工模具兼用，使用寿命高，比常用工模具钢提高几倍至十余倍。

随着国内外少无切削加工新工艺和难加工新材料的发展，对工模具材料提出各种新的更高的要求：不仅要求有高硬度、高红硬性、高强度等，而且还要求有高韧性、高疲劳性等特性。可是，目前国内外大量应用的工模具钢，如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、Cr12、Cr12MoV等，虽然硬度、红硬性、抗压强度等性能高，但冲击韧性、抗弯强度、疲劳性能等不足，以致制作承受冲击应力较大的工模具，普遍存在着使用寿命甚低的问题。为寻求高强韧性工模具用新钢种，国内外开展了对基体钢类型模具钢的研制和应用。例如，美国VASCO公司的MA（5Cr4-Mo3W2V）和MotrixⅡ（55Cr4Mo5WVCo8）钢，日本特殊钢公司的Mo12（5Cr4Mo4W2V）钢;我国的65Nb（65Cr4W3Mo2VNb）钢和O12Al（5Cr4Mo3SiMnVA1）钢（见上海材料研究所编印的“几种新型模具钢”，第2页）等。这些钢虽然强韧性、疲劳性能等，比常用工模具钢提高较大，但还存在着强硬性、红硬性、耐磨性等不足的弱点，以致钢的适用范围不广，还属于专用性模具钢。

本发明的目的，在于立足我国资源条件和经济原则，提供综合性能良好、强韧性见著、耐磨性高、高温性能好、红硬性较高的多用性工模具用钢。它既可以作冷作模具，又可作热作模具，既可以作多种冲模具，又可作承受冲击力大的刀具及硅钢片轧辊等，具有一钢多用的特点。

本发明提供了一种高强韧性工模具钢，其化学成份范围为（重量）：碳0.58～0.68%，钨7.5～9%，铬4.2～4.8%，钒0.8～1.2%，钛0.05～0.35%，硅≤0.6%，锰≤0.4%，硫≤0.03%，磷≤0.03%，铜＜0.30%，镍＜0.25%。

本发明钢化学成份确定的理由如下：

鉴于国内外常用工模具钢强韧性不够的主要原因，是因其中含有硬度虽高，但脆性大的过量合金碳化物较多，以致制作工模具使用时常易发生拆断、开裂、崩口等形式失效。因此，本发明为通过减少高速钢中的过量合金碳化物带来的脆性，来达到既保持高速钢适当的强硬性而又较大地提高强韧性，以实现一钢多用、适作多种工模具的目的，特在分析国内外现有工模具钢特性的基础上，对本发明钢的化学成份，既参考了高速钢W18Cr4V钢的基体成份（50Cr4.4 W8.6V），又根据碳平衡经验公式（C%＝0.033W+0.063Mo+0.200V+0.036Cr+0.250Ti+0.112Nb）和多种强化原理（如细晶粒强化、相变强化、析出强化、固溶强化等），为了进一步提高改善其性能，除适当地提高其碳含量，使钢还保持较高的强硬性、红硬性等性能之外，还结合我国资源条件和经济原则，在钢中添加了少量的强碳化物形成元素Ti，以进一步提高强韧性、耐磨性等。

为确定Ti、C在钢中的最佳含量，并初步探讨在钢中作用机理问题，本发明通过大量研究结果，得出如下几点：

1、在钢中添加0.05～0.35%的Ti，对钢的强韧性（包括抗弯强度和冲击韧性等）提高显著。这主要是由于Ti在钢中起了细化晶粒并改善马氏体形态和弥散析出强化等作用。同时，Ti因在钢中形成高硬度的TiC，分布在高强韧性的基体上，以致对提高钢的耐磨性也起重要作用。

2、在高速钢基体成份碳含量为0.50%的基础上，适当地提高钢的碳含量，使之介于高速钢的标准成份和基体成份碳含量之间，符合定碳比规律，能使钢具有强韧性显著、强硬性兼优等特点。因为当钢中碳化物过量时，钢的硬度虽高，但强韧性不足，用作承受冲击力较大的工模具，容易拆断开裂失效;而当碳含量在0.55%时，淬回火试样的冲击韧性虽可达2157KJ/m²，但硬度（HRC）＜60，用作承受压应力较大的冲模具，容易发生镦粗变形，亦降低使用寿命。因此，为使钢的强韧性和强硬性适当配合，碳含量宜在0.60～0.70%为好。

至于发明钢中的其他主要元素（W、Cr、Mo、V），由于为使冶炼时较易控制，仅在高速钢基体成份的上下，适当地扩大含量范围。鉴于这些元素在本发明钢中的作用，应与在高速钢中作用相似，故未作进一步研究，在此也不分别论述。

本发明钢的主要性能如下：

1、主要物理性能：如表1、2所示。

2、主要机械性能：如表3、4、5、6。

表1 本发明钢的临界点和残余奥氏体量、弹性模量、比重

临界点（℃）残余奥氏弹性模量比重

体量（%）

AC1 AC3 Ar1 Ar3 MS 淬火后回火后（Pa）（kg/m³）

860 920 698 780 255 5.3～ 3.2～ 0.2265 8.09×

6.1 1.1 10^-3

表2 本发明钢的膨胀系数和导热系数

试验试验温度（℃）

项目 100 200 300 400 500 600 700 800 900

线膨胀系数

（a.10^-68.78 10.78 11.43 11.58 12.00 12.30 12.55 12.65 /

/℃）

导热系数 29.31 31.40 31.82 31.40 31.40 30.56 30.15 28.89 28.4

（W/m.℃）

表4 本发明钢的纯弯曲多次冲击性能（平均值）

表6 本发明钢的高温机械性能（平均值）

测试项目测试温度（℃）

300 400 550 600 650 700 750

拉伸强度σb 未测未测 1559 1422 1000 680 212

（MPa）

延伸率δ ″ ″ 10.8 7.2 9.0 15.7 26.5

（%）

断面收缩率φ ″ ″ 21.3 15.4 29.0 40.8 82.0

（%）

梅氏样冲击值aK ″ ″ 275 294 284 432 785

（KJ/m²）

硬度 586 584 504 440 302 154 96

（HV）

由表3、4可见：本发明钢综合机械性能良好，在推荐淬火温度内，强韧性（包括抗弯和抗拉强度、挠度、冲击和断裂韧性、小能多冲性能）和强硬性（包括硬度和抗压强度）均较高，适于制作多种不同用途的工模具。其中，纯弯曲多冲性能，即使在冲击能量很大的情况下，冲断周次仍然较高。

从表5可见：1.本发明钢比W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2钢，除硬度较低和抗压强度相近之处，强韧性提高较大;抗弯强度提高将近1倍，冲击韧性提高2～4倍，挠度提高2～2.5倍;比Cr12MoV钢各项机械性能都高，特别是抗弯强度约高1倍，冲击韧性高1～2倍。因此，当用作多种冲模具及承受冲击应力大的刀具，使用寿命比W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和Cr12MoV钢等，提高几倍至十余倍。2.与油淬相比，等温淬火对机械性能影响不大，因此不必进行等温淬火。3.由于淬透性好，临界冷却速度小，故空冷对钢的机械性能影响不大，因而用作形状复杂的小型工模具，可采用风冷。

由表6可见：本发明钢高温强度和硬度都较高，因此，当用作热挤、压铸等热作模具，使用寿命比3Cr2W8V、5CrMnMo钢等提高几倍。

3、主要工艺性能：

淬透性：钢的淬透性较高：φ80mm以下的钢料在油中可淬透;φ40mm以下的钢料在空气中可淬透。这对制作形状复杂的工模具，防止或减少热处理变形和开裂，大为有利。

热处理过敏感性：允许的加热温度较高，最高可达1240℃;同时加热温度范围较宽，允许有40～0℃的波动。这对掌握钢的热处理操作较为有利。

回火稳定性：回火稳定性高，经580℃回火后还有高的硬度（HRC）：61.9～63.8。不过，在试验温度范围内，回火硬度一般比淬火硬度约降低1-2度，不象高速钢那样有二次硬化作用。

热处理变形量：比W18Cr4V钢的热处理变形量小1倍左右。因此，适于制作精密模具，而对一般模具也可减少磨削加工余量，有利于降低模具成本。

耐磨性：比W18Cr4V钢的耐磨性，在加油润滑磨损下，提高0.3倍;在干磨损下，提高2.8倍。

红硬性：在600℃下的红硬性（HRC）为60.7～61.3。这虽比高速钢的红硬性偏低，但钢的强韧性比高速钢高得多，因此，用作承受冲击大、不要求以红硬性为主的刀具，使用寿命比高速钢提高几倍。

锻造性能：比高速钢和Cr12钢的锻造性能都好，锻造温度范围宽，高温塑性延展性好，锻打中表面几乎不出现裂口，锻造后钢材表面光滑平整，成材率高。

本发明钢的试验结果：表7为本发明钢与常用工模具钢在典型工模具上的试验结果比较，从表中可以看出：本发明钢用作多种工模具，使用寿命比常用工模具钢提高几倍至十余倍。

本发明钢的生产工艺，基本上可参照W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢的生产工艺进行。为确保钢的各项冶金质量合符合工钢或高工钢标准要求，其生产工艺要点如下：

1、电炉冶炼：采用返回吹氧法冶炼时，在加入Ti-Fe前，应调整好炉渣，使之具有高碱度，当渣层厚时，应扒去部份渣;终脱氧后，于炉内加入Ti-Fe，约5分钟左右出钢。这样Ti的回收率一般在58～68%。

2、电渣重熔：为减少钛的烧损，确保重熔钢锭中钛元素在规格范围，应在重熔过程中采取保Ti措施。

3、钢锭退火：退火温度为900±20℃，保温时间8小时;升温速度≤100℃/时;冷却速度≤50℃/时;出炉温度＜500℃。

4、钢的锻造：锻造加热温度：钢锭为1190～1220℃，钢坯为1160～1190℃;开锻温度≥1100℃;停锻温度≥900℃。

5、钢的轧制：加热温度为1140～1170℃;开轧温度≥1050℃;终轧温度≥850℃。

6、钢材退火：锻造和轧制后的钢材，进行等温退火。加热温度为850±10℃，保温2～4小时后，冷却到740±10℃，再保温4～5小时，然后以＜40℃/时的速度冷却至≤500℃出炉。生产出的钢材，以退火状态交货。

本发明钢的使用工艺，有如下要点：

1、钢材改锻：经锻造和轧制出来的钢材，其碳化物虽因数量小、不均匀度级别比W18Cr4V钢相同规格低2级左右，但仍然多沿纵向呈带状分布。因此，在应用钢材时，应与使用高速钢一样，将较大规格钢材，通过改锻并进行三镦三拔成工模具毛坯，使其整个断面的碳化物不均匀度在在1～2级内，大有利进一步提高使用寿命。其加热方式和锻打方法等，与高速钢相同。加热温度为1160～1190℃;开锻温度≥1080℃;停锻温度≥850℃。

2、锻材退火：改锻后的工模具毛坯需进行软化退火。一般采用在箱式电炉中等温退火：锻件入炉后，随炉加温到850±10℃，保温时间按锻件直径或厚度每毫米2分钟计算，保温后，停电炉冷到740±10℃，再保温3～5小时，最后炉冷到低于500℃出炉空冷。退火后，硬度（HB）为200～230，组织为索氏体和少量碳化物，总脱碳层为0.3～0.6mm。

3、工模具热处理：淬火加热采用高温盐浴炉，预热温度、时间、次数与高速钢相同，加热后油冷到200℃以下空冷。若为形状复杂的小型工模具，也可吹风冷却。回火保温时间;小件1小时，大件1.5小时，共回火2次，对磨削加工量大的工模具，经在油中低温（约200℃）回火30～60分钟，以消除磨加工应力。表8为本发明钢各种工模具推荐的淬回火温度和加热系数以及所得硬度和组织。

表8 本发明钢的淬回火温度及加热系数

工模具淬火回火

温度系数硬度晶粒度温度硬度程度

类型 ℃ S/mm HRC 级 ℃ HRC

冷作 1200～ 18～15 64～ 10～8 560～ 63～充分

模具 1220 64.5 580 61.5

切削 1220～ 15～12 64.5 9～ 540～ 63.5 较充分

刀具 1240 ～65 8.5 560 ～63

热挤 1200～ 18～15 64～ 10～8 580～ 62～58 充分

模具 1220 64.5 610

压铸 1220～ 15～12 64.5 9～8.5 610～ 58～51 ″

模具 1240 ～65 650

综上所述，本发明钢比其它工模具钢有如下优越性：

1、化学成份设计合理：合金元素总含量仅为W18Cr4V钢的60%，所需原材料费较低;与其它工模具钢相比，不加稀贵元素，符合我国资源条件，

2、综合性能良好：比W18Cr4V钢的热膨胀性小，导热性好，热处理变形量小，锻造性能好，退火硬度低，切削加工性好，淬火温度低，耐磨性高，而淬透性、回火稳定性、红硬性等相近。机械性能优良：与常用工模具钢（如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和Cr12MoV等）相比，强硬性相近，而强韧性提高显著;与其它新型模具钢（如65Nb、O12Al、LD等）相比，强韧性相近，而强硬性较高。

3、适用范围广：由于综合性能优良，因而可作冷热工模具钢兼用，为其它新老工模具钢都不及，具有“一钢多用”的特点。

4、使用寿命高：比常用工模具钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、Cr12MoV、3Cr2W8V钢等，提高几倍至十余倍。因而经济效益十分显著。

5、由于具有上述优越性，因而可以说，是冷热工模具材料、特别是承受冲击力大的工模具材料，很有发展前途的新型工模具钢，大有推广应用的价值。

附注：凡本发明钢对比数据，均系本发明通过对比试验所得结果。

Claims

1、一种高强韧性工模具钢，其特征是钢的化学成份为(重量)：碳0.58～0.68%，钨7.5～9%，铬4.2～4.8%，钒0.8～1.2%，钛0.05～0.35%，余为铁和少量杂质。