CN101311289A - 一种冲压模用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冲压模用钢及其制造方法，其化学成分重量百分配比为：C0.35－0.40wt％、Mn0.30－0.60wt％、Cr4.70－5.50wt％、Si0.30－0.50wt％、Mo3.00－4.00wt％、V0.40－0.70wt％、 Cu≤0.30wt％、Ni≤0.30wt％、P≤0.020wt％、S≤0.015wt％，其余为Fe和不可避免杂质。其制造方法主要包含如下步骤：1)浇注钢锭；2)钢锭在初轧加热炉内加热后保温3～5小时；3)轧制或锻制成材。本发明生产出的冲压模用钢的性能指标明显提升，并且降低了生产成本，提高了产品的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及到一种冲压模具钢及其冶金制造方法，尤其是涉及一种机械行业制造冷冲压成形模具用的冲压模用钢及其冶金制造方法。
背景技术
模具钢一般可以分为热作模具钢、冷作模具钢和塑料模具钢三类，机械行业使用的制造冷成形冲压模具用的冲压模用钢属于冷作模具钢类中较为常用的一种，广泛使用于制造冲压成形模具；热作模具钢主要用于热成形模具的制造用钢，一般是用于高温状态下铝合金压铸模具的制造；塑料模具钢主要是用于塑料成形模具的制造。我国目前使用的冲压模用钢是采用国家标准GB/T1299-2000合金工具钢中的材料序号为T20201，钢号为Cr12MoV，这种冲压模用钢的化学成分采用C 1.45-1.70wt％、Cr 11.00-12.50wt％、Mo0.40-0.60wt％、V 0.15-0.30wt％、Si≤0.40wt％、Mn≤0.40wt％、P≤0.030wt％、S≤0.030wt％，这种钢的性能指标为：屈服强度1200MPa、塑性延伸率8％、截面收缩率35％、冲击韧性值190J/cm2，碳化物不均匀度4级、这些性能指标是冲压模用钢的关键技术指标，是衡量冲压模用钢质量好坏的主要技术参数指标。由于这种冲压模用钢是高碳高铬的莱氏体型钢，其显微组织存在碳化物不均匀、粗大而导致钢的性能指标低的问题，多年来，广大科研人员在冶金领域里一直在寻找一种高性能的冲压模用钢来替代目前的Cr12MoV冲压模用钢。
通过对中外专利进行检索发现，涉及到和本专利相关联的冲压模及其冶金制造技术的专利为1)专利号CN200610049260.3，其化学成份为：碳C0.8～1.05％，铬Cr7.3～8.5％，钼Mo1.2～2.0％，钒V0.3～0.9％，镍Ni0.3～0.9％，钨W1.2～2.0％，硅Si0.1～1.0％，锰Mn0.1～0.4％，硫S≤0.015％，磷P≤0.02％，其余量为铁Fe。2)专利号CN 1033846，其成份为：C0.58-0.68％，W 7.5-9％，Cr 4.2-4.8％，V 0.8-1.2％，Ti 0.05-0.35％。专利CN200610049260.3及CN 1033846是高碳高铬和高碳高钨的强化机理，采用的是高铬碳化物强化和采用高钨碳化物强化，专利CN200610049260中加入了镍元素，专利号CN 1033846加入了钛元素作为合金元素作用。
上述现有的冲压模用钢的制造工艺是采用电弧炉冶炼，浇注成小钢锭锻造开坯和轧钢机轧制成材的工艺，具体步骤依次为炼钢、锻造开坯、轧制成材、热处理，最后形成产品，其中，电弧炉冶炼完成之后浇注成600Kg-1300Kg小钢锭；锻造开坯过程要进行5个火次(加热-锻造-回炉，循环一次称为一个火次)，目前，这种制造工艺主要存在如下问题：
1)浇注锭型较小，降低了产品的成材率；
2)采用锻造开坯工艺，导致生产成本较高；
3)锻造开坯需要5火次进行，增加了开坯所需的能耗和产品制造成本；
4)屈服强度、塑性延伸率、截面收缩率、碳化物不均匀度等主要性能指标较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种冲压模用钢及其制造方法，从而在提高冲压模用钢的性能指标的同时，降低其冶金制造成本。
本发明解决上述问题的技术方案为：一种冲压模用钢，其化学成分的重量百分配比为：C 0.35-0.40wt％、Mn 0.30-0.60wt％、Cr 4.70-5.50wt％、Si0.30-0.50wt％、Mo 3.00-4.00wt％、V 0.40-0.70wt％、Cu≤0.30wt％、Ni≤0.30wt％、P≤0.020wt％、S≤0.015wt％，其余为Fe和不可避免杂质。
C 0.35-0.40wt％：碳元素是冷成形冲压模的主要化学元素，是形成各种碳化物的基本元素，也是影响钢的成分偏析和钢的碳化物分布和碳化物性质的重要元素，本发明碳含量相对原有的材料Cr12MoV有较大幅度的降低，其目的是改善钢的显微组织中的碳化物的分布和性质，较低的碳元素含量可以防止钢在凝固的过程中产生莱氏体组织从而造成严重的碳化物不均匀性使得钢的冲击韧性下降。因此，碳含量如果高于此成分设计上限，将导致大量的共晶碳化物形成的莱氏体组织的生成，而莱氏体组织随着碳含量的增加而不断向粗大发展，影响钢的性能指标，特别是造成钢的屈服强度和冲击韧性降低；但是如果碳元素低于此成分的设计范围也将要造成碳元素和其他合金元素结合形成碳化物的当量发生偏差，不能有效地形成稳定的细小的碳化物，从而影响钢的强度和钢的淬硬性。
Mn 0.30-0.60wt％：锰元素不是碳化物形成元素，一定量的锰元素可以增加钢的基体强化作用并能推迟贝氏体的转变，但是，由于锰元素可以造成钢中的残余奥氏体的含量增加的趋势，锰元素太高会造成钢的冲击韧性的下降，因此锰含量的设计要较原来Cr12MoV钢的锰含量下降了很多，这更有利于提高钢的性能指标。
Cr 4.70-5.50wt％：铬元素在本发明中起着重要的作用，铬元素是莱氏体组织形成的关键元素，也是碳化物形成元素和提高淬透性的合金元素，但是，在原有的材料T20201中存在大量的铬元素含量，使得钢在凝固的过程中形成大量的莱氏体组织，这种共晶莱氏体组织不但增加了碳化物的级别，而且降低了钢的塑性延伸率和冲击韧性值指标。本发明中的铬含量较原有的Cr12MoV钢的铬元素含量下降了百分之六十左右，其目的是防止大块状共晶莱氏体组织在钢液凝固过程中的形成，降低钢的偏析造成钢的韧性的下降，铬元素控制在本发明的范围内其目的是在钢种形成稳定的多种碳化物类型，主要是Cr7C3和Cr23C6类型碳化物起到强化基体的作用，一定量的铬元素可以提高钢的淬透性，热处理过程中使得珠光体的转变临界值向右移动，并且这种铬元素的控制使得钢在回火的过程中析出稳定的弥散相，这种弥散相M7C3不但能够提高钢的抗回火性能，而且能够使得钢产生一定的红硬性，提高钢的屈服强度，减少了铬元素的含量也起到了降低碳化物级别的作用。
Si 0.30-0.50wt％：硅元素不是碳化物形成元素，加入少量的硅元素主要是可以使得钢在回火的过程中马氏体的分解减缓，硅元素可以在奥氏体到马氏体的转变之后的回火过程中有效阻碍马氏体的分解，这主要是通过拟制ε碳化物质点的长大和扩大ε碳化物稳定区，延迟了ε碳化物向Fe3C的转变。
Mo 3.00-4.00wt％：钼元素也是本发明中的重要化学元素之一，在本发明中的钼元素的加入量比原来的Cr12MoV多加将近3.5倍，钼元素的加入提高了钢奥氏体的稳定性以及钢的淬透性，并且在钢的回火过程中和碳元素结合形成数量较多的稳定的M3C合金碳化物的析出，这种析出过程是一种弥散的质点强化相析出，析出碳化物较为均匀的分布在钢的基体中，产生重要的基体强化作用。钼的加入量控制在此范围使得钢在回火的过程中受到两次较大的强化作用，从而提高了钢的韧性和屈服强度，同时提高了钢的截面收缩率。
V 0.40-0.70wt％：钒元素是强碳化物形成元素，其在钢中的强化作用和钼元素相似，钒元素在钢中形成的是M2C和MC类型的碳化物，产生弥散强化相，提高钢的强度性能。提高一些钒元素在钢中的含量也起到了进一步细化钢的晶粒的作用，而且效果较好。
Cu≤0.30wt％：本发明中的铜元素的含量是作为一种残余元素加以控制的，对铜元素的控制可以降低钢在热加工时的脆裂倾向，防止开坯热加工时的铜脆发生，提高钢的冶金质量和成材率。
Ni≤0.30wt％：本发明中将镍元素控制在少量的范围，镍元素本身不是碳化物形成元素，在钢的基体中不会起到强化的作用，但是过多的镍元素会造成金属间化合物的结合作用，从而降低钢的性能，所以控制镍元素在钢中的含量对防止钢的性能的下降起到一定的作用。
P≤0.020wt％：磷是钢中的有害元素，它会增加钢的脆性，降低钢的冲击韧性，因此磷元素控制较现有技术T20201钢低一些，对性能指标值的提高有一定的作用。
S≤0.015wt％：硫元素在一定的程度上容易造成钢的加工性能的恶化，容易使得钢在热加工的过程中产生过热和过烧现象。因此控制硫含量较原有技术T20201钢低一些可以提高钢的加工性能和机械性能，特别能够对轧制开坯过程中的过热开裂倾向起到积极的预防作用。
所述一种冲压模用钢的制造方法，包含如下步骤：
(1)采用电炉和炉外精炼冶炼之后浇注成钢锭；
(2)钢锭的置入炉温在700℃-900℃的初轧加热炉内，钢锭在初轧加热炉内以80℃/h-150℃/h的升温速度加热至1210℃-1250℃后保温3-5小时；由于这种大钢锭热应力敏感性较高，容易在加热的过程中产生应力裂纹，钢锭的入炉温度控制在700℃-900℃，升温速度控制在80℃/h-150℃/h可以防止钢锭在加热的过程中产生热应力裂纹，在加热至1210℃-1250℃后保温3-5小时可以改善钢锭的显微组织指标，提高钢的内在质量。
(3)初轧机初轧开坯开轧温度为1120℃-1170℃，1120℃-1170℃温度范围是此种钢的奥氏体单相组织区域，所以有着最佳的高温热塑性，有利于高温变形加工处理，不容易产生高温热加工开裂；终轧温度为1020℃-1070℃，钢锭终轧温度对钢锭轧制质量有着重要的影响，如果终轧温度低于所规定的控制范围，非常容易引起钢锭在轧制过程中产生开裂，如果终轧温度高于控制范围则容易引起钢在轧制之后产生粗晶现象。
(4)轧制或锻制成材。
优选地，所述步骤(1)中，钢锭重量为2000Kg-3000Kg；2000Kg-3000Kg重量的钢锭较为适合初轧机轧制开坯，成材率比小钢锭高，并能够获得较大的轧制压缩比，从而能改善化学成分的偏析有利于钢材的内部成分的均匀性。
优选地，所述步骤(2)中，在3-5小时的保温过程中，在保温开始1.5-2.0小时后进行一次翻钢处理；这种翻钢处理是为了使钢锭获得更加均匀的温度，防止钢锭产生阴阳面温差，有利于钢锭在初轧机开坯轧制的过程中不发生开裂现象。
本发明与现有的技术相比，具有如下的优点：
1.化学成分配比更加合理：
(1)降低了碳元素和铬元素的含量，减少了钢的碳偏析趋势而造成性能的下降，防止了钢液在凝固时共晶莱氏体组织的产生，从而使得冲压模用钢的屈服强度、塑性延伸率、截面收缩率、碳化物不均匀度等性能指标提高；
(2)增加了钼和钒元素成分含量可以使得钢中获得弥散的MC、M2C、M3C碳化物，从而强化钢的显微组织，提高钢的淬透性和屈服强度，并可细化晶粒提高韧性；
(3)控制铜元素和镍元素的含量在一定的低值可以防止脆性的产生和金属间化合物的产生，提高钢的性能；
(4)降低磷和硫的含量可以使得钢液更加纯净，减少钢的非金属夹杂物形成趋势，降低钢调质回火脆性。
2.浇注大钢锭可以提高钢的初轧机轧制开坯成材率，初轧机开坯是一火次轧制完成的，这种轧制开坯与现有的5火次锻造开坯方式相比，降低了开坯成本，节约了能耗，降低的吨钢的制造成本达到1500元，提高了产品的经济效益。
3.生产出的冲压模用钢的性能指标明显提升，屈服强度从1200MPa增加至1350MPa、塑性延伸率从8％增加至15％、截面收缩率从35％增加至45％、冲击韧性值从190J/cm2增加至280J/cm2，碳化物不均匀度从4级下降至2级。
附图说明
图1是实施例1中对钢锭进行初轧开坯的钢锭加热处理的工艺曲线图。
图2是实施例1中的金相显微组织照片。
图3是实施例1的共晶碳化物金相照片。
具体实施方式
实施例1
1.钢的化学成分重量百分比为：C 0.38wt％、Mn 0.45wt％、Cr 5.20wt％、Si 0.48wt％、Mo 3.71wt％、V 0.60wt％、Cu 0.21wt％、Ni 0.18wt％、P 0.011wt％、S 0.008wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；
2.将上述化学成分配比的钢按如下步骤加工：
(1)电炉和炉外精炼之后浇注成2350Kg的钢锭；
(2)钢锭在初轧机加热炉中进行加热处理，钢锭的入炉温度780℃，钢锭在初轧加热炉内以100℃/h的升温速度加热至1230℃后保温4.5小时，在4.5小时的保温过程中，在保温开始后1.9小时进行一次翻钢处理，加热工艺曲线见图1所示；
(3)钢锭经过初轧机初轧开坯，开轧温度为1140℃，终轧温度为1030℃；
(4)初轧坯料锻制成成品材后，金相显微组织照片见图2、碳化物不均匀度照片见图3。
采用本实施例生产的冲压模用钢的主要性能指标明显提高，屈服强度达到1380MPa、塑性延伸率达到16％、截面收缩率达到47％、冲击韧性值达到290J/cm2，碳化物不均匀度达到1.5级。
实施例2
1.钢的化学成分重量百分比为：C 0.35wt％、Mn 0.44wt％、Cr 4.70wt％、Si 0.50wt％、Mo 3.00wt％、V 0.55wt％、Cu 0.22wt％、Ni 0.30wt％、P 0.009wt％、S 0.007wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；
2.将上述化学成分配比的钢按如下步骤加工：
(1)电炉和炉外精炼之后浇注成2350Kg的钢锭；
(2)钢锭在初轧机加热炉中进行加热处理，钢锭的入炉温度700℃，钢锭在初轧加热炉内以100℃/h的升温速度加热至1250℃后保温3小时，在3小时的保温过程中，在保温开始后1.7小时进行一次翻钢处理
(3)钢锭经过初轧机初轧开坯，开轧温度为1150℃，终轧温度为1020℃；
(4)初轧坯料锻制成成品材后。
采用本实施例生产的冲压模用钢的主要性能指标明显提高，屈服强度达到1350MPa、塑性延伸率达到16％、截面收缩率达到46％、冲击韧性值达到295J/cm2，碳化物不均匀度达到1.5级。
实施例3
1.钢的化学成分重量百分比为：C 0.40wt％、Mn 0.60wt％、Cr 5.23wt％、Si 0.30wt％、Mo 4.00wt％、V 0.40wt％、Cu 0.30wt％、Ni 0.21wt％、P 0.011wt％、S 0.015wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；
2.将上述化学成分配比的钢按如下步骤加工：
(1)电炉和炉外精炼之后浇注成2350Kg的钢锭；
(2)钢锭在初轧机加热炉中进行加热处理，钢锭的入炉温度800℃，钢锭在初轧加热炉内以80℃/h的升温速度加热至1210℃后保温5小时，在5小时的保温过程中，在保温开始后1.5小时进行一次翻钢处理
(3)钢锭经过初轧机初轧开坯，开轧温度为1120℃，终轧温度为1070℃；
(4)初轧坯料锻制成成品材后。
采用本实施例生产的冲压模用钢的主要性能指标明显提高，屈服强度达到1360MPa、塑性延伸率达到15％、截面收缩率达到48％、冲击韧性值达到300J/cm2，碳化物不均匀度达到1级。
实施例4
1.钢的化学成分重量百分比为：C 0.36wt％、Mn 0.30wt％、Cr 5.50wt％、Si 0.37wt％、Mo 3.36wt％、V 0.70wt％、Cu 0.19wt％、Ni 0.16wt％、P 0.020wt％、S 0.010wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；
2.将上述化学成分配比的钢按如下步骤加工：
(1)电炉和炉外精炼之后浇注成2350Kg的钢锭；
(2)钢锭在初轧机加热炉中进行加热处理，钢锭的入炉温度900℃，钢锭在初轧加热炉内以150℃/h的升温速度加热至1230℃后保温4小时，在4小时的保温过程中，在保温开始后2小时进行一次翻钢处理
(3)钢锭经过初轧机初轧开坯，开轧温度为1170℃，终轧温度为1060℃；
(4)初轧坯料锻制成成品材后。
采用本实施例生产的冲压模用钢的主要性能指标明显提高，屈服强度达到1390MPa、塑性延伸率达到17％、截面收缩率达到49％、冲击韧性值达到292J/cm2，碳化物不均匀度达到2级。
实施例1-4的具体化学成分(重量百分比Wt％)见表1所示，工艺参数控制见表2所示，性能指标见表3所示。
表1
| 实施例 | C | Mn | Cr | Ni | Cu | Si | Mo | V | P | S |
| 1 | 0.38 | 0.45 | 5.20 | 0.18 | 0.21 | 0.48 | 3.71 | 0.60 | 0.011 | 0.008 |
| 2 | 0.35 | 0.44 | 4.70 | 0.30 | 0.22 | 0.50 | 3.00 | 0.55 | 0.009 | 0.007 |
| 3 | 0.40 | 0.60 | 5.23 | 0.21 | 0.30 | 0.30 | 4.00 | 0.40 | 0.011 | 0.015 |
| 4 | 0.36 | 0.30 | 5.50 | 0.16 | 0.19 | 0.37 | 3.36 | 0.70 | 0.020 | 0.010 |
表2
| 实施例 | 钢锭入炉温度℃ | 钢锭升温速度℃/h | 钢锭加热温度℃ | 钢锭翻钢时间H | 钢锭保温时间H | 钢锭开轧温度℃ | 钢锭终轧温度℃ |
| 1 | 780 | 100 | 1230 | 1.9 | 4.5 | 1140 | 1030 |
| 2 | 700 | 100 | 1250 | 1.7 | 3 | 1150 | 1020 |
| 3 | 800 | 80 | 1210 | 1.5 | 5 | 1120 | 1070 |
| 4 | 900 | 150 | 1230 | 2.0 | 4 | 1170 | 1060 |
表3
| 实施例 | 屈服强度MPa | 塑性延伸率(％) | 截面收缩率(％) | 冲击韧性值(J/cm2) | 碳化物不均匀度(级) |
| 1 | 1380 | 16 | 47 | 290 | 1.5 |
| 2 | 1350 | 16 | 46 | 295 | 1.5 |
| 3 | 1360 | 15 | 48 | 300 | 1 |
| 4 | 1390 | 17 | 49 | 292 | 2 |
Claims (4)
1.一种冲压模用钢，其特征在于化学成分的重量百分配比为：
C 0.35-0.40wt％、Mn 0.30-0.60wt％、Cr 4.70-5.50wt％、Si 0.30-0.50wt％、Mo 3.00-4.00wt％、V 0.40-0.70wt％、Cu≤0.30wt％、Ni≤0.30wt％、P≤0.020wt％、S≤0.015wt％，其余为Fe和不可避免杂质。
2.如权利要求1所述的一种冲压模用钢的制造方法，其特征在于包含如下步骤：
(1)采用电炉和炉外精炼冶炼之后浇注成钢锭；
(2)钢锭的置入炉温在700℃-900℃的初轧加热炉内，钢锭在初轧加热炉内以80℃/h-150℃/h的升温速度加热至1210℃-1250℃后保温3-5小时；
(3)初轧机初轧开坯开轧温度为1120℃-1170℃、终轧温度为1020℃-1070℃；
(4)轧制或锻制成材。
3.如权利要求2所述的一种冲压模用钢的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中，钢锭重量为2000Kg-3000Kg。
4.如权利要求2所述的一种冲压模用钢的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中，在3-5小时的保温过程中，在保温开始1.5-2.0小时后进行一次翻钢处理。
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200806 Address after: 200940 No. 1269, Fisheries Road, Shanghai, Baoshan District Patentee after: Baowu Special Metallurgy Co.,Ltd. Address before: 200940 No. 1269, Fisheries Road, Shanghai, Baoshan District Patentee before: BAOSTEEL SPECIAL STEEL Co.,Ltd. |