CN101880836A

CN101880836A - 一种含硼模具钢及其热处理方法

Info

Publication number: CN101880836A
Application number: CN 201010225198
Authority: CN
Inventors: 邢建东; 符寒光; 高义民; 雷永平; 皇志富
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2030-07-14
Also published as: CN101880836B

Abstract

本发明提供了一种含硼模具钢及其热处理方法，其化学成分及其质量百分比为：C：0.35~0.45%；B：1.2-1.6%；Al：0.6-0.8%；Cr：1.8-2.5%；Mo：0.4-0.6%；Ni：0.3-0.5%；Ti：0.05-0.30%；Ta：0.02-0.15%；Nb：0.05-0.20%；Mn：0.5-1.0%；Si：0.3-0.5%；Y：0.03-0.06%；Ca：0.008-0.020%；余量为Fe，其中，0.30<Ti+Ta+Nb<0.55，S<0.03，P<0.03。本发明模具钢将其加热炉内升温至880~920℃后保温4~8小时，接着，在1050~1080℃继续加热并保温2~4小时后，炉冷至950~980℃后保温1~3小时；再接着，在淬火油中冷却；最后再在220~250℃后保温8~15小时后，炉冷至150℃后出炉空冷。本发明模具钢的成本低廉，韧性较好，且热处理方法工艺简单。

Description

一种含硼模具钢及其热处理方法

技术领域

本发明涉及一种模具钢及其热处理方法，特别涉及一种含硼模具钢及其热处理方法。

背景技术

随着机械加工工业的发展，生产中依靠冷作模制造的零件越来越多，使用的冷变形模具种类越来越多。如冷体积模锻（冷镦、冷挤压、压印等）、板料冲压（如拉伸、落料、切边、冲孔等）和材料轧制（冷轧、轧轮成型等）。虽然冷变形模具的种类繁多，工作条件不一，性能要求也有所不同，但基础工作情况相近：即在冷状态下使金属变形，工作时承受较大的剪切力、压力、弯曲力、冲击力和摩擦力。因而对这类模具钢应具有以下基本性能：1）高硬度和高强度，以保证在承受高应力时不容易产生微量塑性变形或破坏；2）高的耐磨性能，在高的磨损条件下能保证模具的尺寸精度；3）足够的韧性，以便在冲击载荷和动载荷下，不易发生工作韧的剥落或崩溃；4）热处理变形小，因大多数模具具有复杂的型腔和精确精度，热处理的变形很难用修磨加工来消除，此外有些冷变形模具还应有足够的耐热性能。

目前国内外常用的冷变形模具钢有：

1）低淬透性冷变形模具钢。这类钢以碳素工具钢尤以高碳络钢GCr15和9Cr2Mo为主，其中代表为GCr15轴承钢和9Cr2Mo，用以制作各种成型轧轮和制作冷轧辊，GCr15钢具有良好的耐磨性，但淬透性差，淬火变形大，作为小型冷轧辊(φ≤200m/m)可采用整体加热或整体高温900—950℃快速加热，淬火冷却用盐水和油双液冷却，控制工件在盐水中的冷却时间而后经200—220℃回火，辊表面硬度控制在HRC60—62之间。

2）低变形模具钢。主要有Mn-Cr-W系，这是各国通用的综合性能优良的代表钢种，以CrMn为代表钢。此钢具有热处理变形小，耐磨性能较高的特点，具有较高的淬透性和韧性。用CrWMn钢制作的模具，如采用合理的热处理工艺，控制和调节好淬火时造成的热应力和组织应力，减少变形，则完全可以替代工厂常用的Cr12制作的落料模具。此外，9Mn2V是我国作为CrWMn，9CrSi等的代用钢，可用于制造冷冲模、落料模、剪刀、弯曲模。还有SiMnMo系石墨钢，其特点是含Si量高，在强烈的石墨化元素Si的作用下，部分碳以石墨化状态存在，使钢具有自润作用，具有较高的抗咬合性，良好的切削性和耐磨性，热处理变形小，尺寸稳定。SiMnMo钢，用于制作表面质量要求严格的弯曲、拉伸、整形冲模能显著提高冲件的质量。

3）高耐磨微变形冷变形模具钢。以Cr12MoV型为代表，这是国内外最广泛采用的高性能冷变形模具钢。Cr12MoV是改进Cr12钢，碳含量过高，造成严重的大块状碳化物不均匀的缺点。Cr12MoV钢的特点是具有高的耐磨性、淬透性，是微变形冷冲裁模、冷镦模的主要材料。

4）高强度冷变形模具钢。通常有高速钢W18Cr4和W6Mo5Cr4V2组成。用于冷挤压冲模和重载荷冷镦冲模，中厚钢(10~25mm)冲孔冲头和直径小于5~6mm的小冲头，如链条内外片冲孔用的小冲头，采用高速钢经低温加热淬火的热处理工艺。

5）高强韧性冷变形模具钢。有些冷挤模和冷镦模需承受高的强度和高的冲击韧性，而普通的高速钢和高碳铬钢于脆断或折断，模具需要有高的强韧配合，具体分为两类：a)低碳高速钢：将W系或Mo系的高速钢含碳量降低为0.5~0.6%，增加处理后钢的韧性，如6W6Mo5Cr4V2，具体热处理工艺为淬火加热温度1160—1180℃，冷却后经550—570℃三次回火，硬度为HRC60-63。b)基体钢：基体钢是改善高速钢韧性的另一个途径，与高速钢相比，基体钢的过剩碳化物很少，碳化物的颗粒细小，分布均匀，所以冲击韧性、疲劳强度均好于高速钢，同时保持了好的耐磨性，我国研制成功并推广应用的基体钢主要有65Nb。

7）抗冲击冷变形模具钢。主要有5CrW2Si和60Si2Mn钢，用于抗冲击模具和韧具(以剪刀、刀片为主)。这类钢的特点是过剩碳化物少，组织结构均匀。因含多元合金，固溶强化和回火后碳化物弥散强化较好，具有高强度、高韧性、高冲击疲劳抗力。用于风动工具、冲剪工具和大中型冲镦模。缺点是抗压能力低、热稳定性差、淬火变形难控制。对于CrWzSi系钢，作剪刀时（如5CrW2Si）应尽量用高温加热淬火，以使马氏体形态有所变化，使强韧性有大提高。

但是，上述模具钢在生产过程中均需要进行锻造或轧制加工，从而，增加能耗且生产工序复杂，此外，生产出来的模具钢表面易开裂，产品废品率较高。

为了进一步提高模具钢的性能，中国发明专利CN101182619公开了一种高强韧性冷作模具钢及其制作方法，该发明模具钢的化学组成及其重量百分比：0.9~1.0C%,9~10%Cr,2.0%Mo,0.8~1.0%V,1.0%Si,<0.02%P,<0.02%S,Fe余量。其制备过程如下：（1）熔炼、（2）电渣重熔、（3）退火、（4）粗锻、（5）再退火、（6）球化退火、（7）淬火回火。该发明方法制得的合金钢其硬度可达61~63HRC，冲击功Ak可达61~85J，但生产工艺非常复杂。

又，中国发明专利CN1613598公开了一种铸造低合金模具钢的制作工艺，其工艺流程为：备料→中频电炉熔炼→炉前变质处理→造型浇铸→落砂清理→退火热处理→数控加工→表面火焰淬火；其主要合金元素是Si、Mn、Cr、Mo、V，附以微量元素变质处理，其余为Fe；经退火热处理和表面火焰淬火；该发明的铸造低合金模具钢，主要用于制造汽车覆盖件模具镶块。但存在模具钢内部硬度低且耐磨性差。

又，中国发明专利CN101392354公开了一种高合金冷作模具钢，其化学成分以重量百分比（wt%）计为：1.0~2.5C,Si≤1.3，Mn≤1.5,6.0~15.0Cr,V≤2.4,0.01~0.4B,其余为Fe以及杂质。该模具钢的硬韧性达到甚至超过Cr12MoV或Cr12Mo1V1，且成本比Cr12MoV或Cr12Mo1V1低，使用寿命长，特别适合用于制作高精度高寿命冷作模具，但是，碳化物数量过多且模具钢脆性较大。

又，中国发明专利CN101260499公开了含硼铸造模具钢及其制备方法，该含硼铸造模具钢得化学成分（重量％）为：0.85~1.0C,6.0~8.0Cr,0.6~1.0Si,0.8~1.5Mn,2.2~2.8B,0.25~0.50Al,1.2~1.5Ti,0.08~0.15N,0.05~0.08Mg,0.08~0.12RE,S<0.04,P<0.04,余量为Fe。该发明将钢水熔炼后浇注成模具，再于950～1000℃保温2～5h后油冷淬火，并在180～250℃进行回火处理6～8h，制得含硼铸造模具钢，该模具钢由于碳含量较高，因此，基体组织是脆性的高碳马氏体，从而，使用中容易出现剥落和开裂现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种含硼模具钢及其热处理方法，其中，含硼模具钢的成本低廉，韧性较好，且热处理方法工艺简单。

为实现上述目的，本发明提供了一种含硼模具钢，其化学成分及其质量百分比为：C：0.35~0.45%；B：1.2-1.6%；Al：0.6-0.8%；Cr：1.8-2.5%；Mo：0.4-0.6%；Ni：0.3-0.5%；Ti：0.05-0.30%；Ta：0.02-0.15%；Nb：0.05-0.20%；Mn：0.5-1.0%；Si：0.3-0.5%；Y：0.03-0.06%；Ca：0.008-0.020%；余量为Fe，其中，0.30<Ti+Ta+Nb<0.55，S<0.03，P<0.03。

为实现上述目的，本发明提供了一种含硼模具钢的热处理方法，首先，将含硼模具钢放入至加热炉内，升温至880~920℃后保温4~8小时；接着，炉冷至500℃后出炉空冷；再在加热炉内加热至1050~1080℃后，保温2~4小时；接着，炉冷至950~980℃后保温1~3小时；再接着，在温度为30-60℃的淬火油中冷却，其中，淬火油与模具钢的质量比为15:1；最后，在加热炉内加热至220~250℃后保温8~15小时，再炉冷至150℃后出炉空冷即可。

本发明含硼模具钢及其热处理方法至少具有以下优点：

1）本发明含硼模具钢由于碳的含量低，因此，韧性较好，具有良好的抗疲劳和剥落性能；

2）本发明含硼模具钢不需要锻造或轧制加工，经铸造、热处理和机械加工后可以直接使用，因此，生产工艺简单、能耗低且生产效率高；

3）本发明含硼模具钢中，贵重合金元素加入量少，因此，成本较低；

4）本发明模具钢因硼元素的加入，因此，可以形成5－8％的硼化物，从而，提高模具钢的耐磨性；

5）本发明含硼模具钢的强度和硬度高，韧性和耐磨性好，推广使用具有显著的经济和社会效益。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明含硼模具钢及其热处理方法进行详细描述：

实施例1

本发明含硼模具钢的热处理工艺如下：

1）将含硼模具钢放入至加热炉内，升温至920℃后保温4小时；接着炉冷至500℃后出炉空冷；

2）将步骤1）处理后的模具钢于加热炉内加热至1080℃后，保温2小时；接着炉冷至950℃后保温3小时；再接着在温度为30-60℃的淬火油中冷却，其中淬火油与模具钢的质量比为15:1；

3）将步骤2）处理后的模具钢于加热炉内加热至250℃后保温8小时；接着炉冷至150℃后出炉空冷，最后精加工至规定尺寸和精度。

实施例2

1）将含硼模具钢放入至加热炉内，升温至880℃后保温8小时；接着炉冷至500℃后出炉空冷；

2）将步骤1）处理后的模具钢于加热炉内加热至1050℃后，保温4小时；接着炉冷至980℃后保温1小时；再接着，在温度为30-60℃的淬火油中冷却，其中淬火油与模具钢的质量比为15:1；

3）将步骤2）处理后的模具钢于加热炉内加热至220℃后保温15小时；接着炉冷至150℃后出炉空冷，最后精加工至规定尺寸和精度。

实施例3

1）将含硼模具钢放入至加热炉内，升温至900℃后保温6小时；接着炉冷至500℃后出炉空冷；

2）将步骤1）处理后的模具钢于加热炉内加热至1060℃后，保温3小时；接着炉冷至960℃后保温2小时；再接着，在温度为30-60℃的淬火油中冷却，其中淬火油与模具钢的质量比为15:1；

3）将步骤2）处理后的模具钢于加热炉内加热至240℃后保温10小时；接着炉冷至150℃后出炉空冷，最后精加工至规定尺寸和精度。

实施例4

1）将含硼模具钢放入至加热炉内，升温至910℃后保温5小时；接着炉冷至500℃后出炉空冷；

2）将步骤1）处理后的模具钢于加热炉内加热至1070℃后，保温3小时；接着炉冷至970℃后保温2小时；再接着在温度为30-60℃的淬火油中冷却，其中淬火油与模具钢的质量比为15:1；

3）将步骤2）处理后的模具钢于加热炉内加热至240℃后保温12小时；接着炉冷至150℃后出炉空冷，最后精加工至规定尺寸和精度。

由本方法得到的含硼模具钢的力学性能数据如下：

力学性能	硬度/HRC	冲击韧度.J.cm ^-2	抗拉强度/MPa
				实施例1	60.7	21.7	820
实施例2	62.3	20.2	815
				实施例3	61.5	20.9	830
实施例4	61.9	21.5	825

由以上数据可知，由本发明方法处理后的模具钢，其硬度最高可达62.3HRC，抗拉强度最高可达830MPa，冲击韧度最高可达21.7J.cm^-2，远大于现有技术中的13.2J.cm^-2，因此，本发明模具钢不但具有一定的强度和硬度，且冲击韧性较好，不易出现剥落和开裂现象；此外，由于基体中含有体积分数为5~8%的高硬度硼化物，因此具有优异的耐磨性，其寿命比Cr12MoV钢提高1倍；再者，各种化学成分的价格较为低廉，因此生产成本较低。

本发明含硼模具钢的化学成分如下：

元素	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					C	0.35	0.45	0.42	0.39
B	1.60	1.20	1.37	1.30
					Al	0.73	0.60	0.80	0.75
Cr	2.50	1.97	1.80	2.25
					Mo	0.40	0.51	0.60	0.46
Ni	0.50	0.30	0.43	0.41
					Si	0.30	0.50	0.38	0.44
Mn	1.00	0.62	0.50	0.74
					Y	0.030	0.048	0.042	0.060

Ca	0.020	0.011	0.008	0.010
					Ti	0.05	0.30	0.20	0.14
Ta	0.15	0.02	0.07	0.11
					Nb	0.20	0.08	0.05	0.13
S	0.018	0.013	0.016	0.015
					P	0.024	0.027	0.022	0.028
Fe	余量	余量	余量	余量

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种含硼模具钢，其特征在于：其化学成分及其质量百分比为：C：0.35~0.45%；B：1.2-1.6%；Al：0.6-0.8%；Cr：1.8-2.5%；Mo：0.4-0.6%；Ni：0.3-0.5%；Ti：0.05-0.30%；Ta：0.02-0.15%；Nb：0.05-0.20%；Mn：0.5-1.0%；Si：0.3-0.5%；Y：0.03-0.06%；Ca：0.008-0.020%；余量为Fe，其中，0.30<Ti+Ta+Nb<0.55，S<0.03，P<0.03。

2.一种如权利要求1所述的含硼模具钢的热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将含硼模具钢放入至加热炉内，升温至880~920℃后保温4~8小时；接着，炉冷至500℃后出炉空冷；

2)将步骤1）处理后的模具钢于加热炉内加热至1050~1080℃后，保温2~4小时；接着炉冷至950~980℃后保温1~3小时；再接着在温度为30-60℃的淬火油中冷却，其中淬火油与模具钢的质量比为15:1；

3)将步骤2）处理后的模具钢于加热炉内加热至220~250℃后保温8~15小时；最后炉冷至150℃后出炉空冷即可。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将含硼模具钢放入至加热炉内，升温至880℃后保温8小时；接着炉冷至500℃后出炉空冷；

2)将步骤1）处理后的模具钢于加热炉内加热至1050℃后，保温4小时；接着炉冷至980℃后保温1小时；再接着在温度为30-60℃的淬火油中冷却，其中淬火油与模具钢的质量比为15:1；

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：包括以下步骤：

3)将步骤2）处理后的模具钢于加热炉内加热至250℃后保温8小时；最后炉冷至150℃后出炉空冷即可。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：包括以下步骤：

2）将步骤1）处理后的模具钢于加热炉内加热至1050~1080℃后，保温2~4小时；接着炉冷至950~980℃后保温1~3小时；再接着在温度为30-60℃的淬火油中冷却，其中淬火油与模具钢的质量比为15:1；

3）将步骤2）处理后的模具钢于加热炉内加热至220~250℃后保温8~15小时；最后炉冷至150℃后出炉空冷即可。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于：包括以下步骤：

2）将步骤1）处理后的模具钢于加热炉内加热至1060℃后，保温2小时；接着炉冷至960℃后保温2小时；再接着在温度为30-60℃的淬火油中冷却，其中淬火油与模具钢的质量比为15:1；

3）将步骤2）处理后的模具钢于加热炉内加热至240℃后保温10小时；最后，炉冷至150℃后出炉空冷即可。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于：包括以下步骤：

2）将步骤1）处理后的模具钢于加热炉内加热至1070℃后，保温3小时；接着炉冷至970℃后保温2小时；再接着在温度为30-60℃的淬火油中冷却，其中，淬火油与模具钢的质量比为15:1；

3）将步骤2）处理后的模具钢于加热炉内加热至240℃后保温12小时；最后，炉冷至150℃后出炉空冷即可。