CN103290328A

CN103290328A - 一种高铌高耐磨高韧性冷作模具钢

Info

Publication number: CN103290328A
Application number: CN2013102094988A
Authority: CN
Inventors: 马党参; 迟宏宵
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2013-09-11

Abstract

一种高铌高耐磨高韧性冷作模具钢，属于模具钢技术领域。其化学成分重量百分数为：C: 0.80～1.20%，Si: 0.50～1.60%，S≤0.030%，P≤0.030%，Mn≤0.40%，W: 0.80～1.20%，Mo: 1.50～2.20%，Cr: 7.80～8.20%，V: 0.50～1.90%，Nb: 1.10～2.00%，其余为Fe及不可避免的杂质。优点在于，与现有技术相比具有高硬度、高耐磨性、高韧性，综合性能良好。本发明钢具有较高的淬火峰值硬度65.5HRC，较高的二次硬化硬度63.8～64.5HRC，较好的冲击韧性8～11J。

Description

一种高铌高耐磨高韧性冷作模具钢

技术领域

本发明属于模具钢技术领域，特别涉及一种高铌高耐磨高韧性冷作模具钢。适用于冲裁、冲压、冷镦、拉伸、压印模具用钢，也可应用于工具及轧辊用钢等。

背景技术

随着工业技术的迅速发展，为了降低产品生产成本，提高生产效率和产品质量，提高材料利用率，节能降耗，国内外制造工业广泛使用模具加工技术代替传统的切削加工工艺。模具的工作条件苛刻，对模具材料—模具钢的要求很高。按照模具的使用用途分类，模具钢分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。冷作模具钢主要用于制造在室温条件下将金属材料压制成型的各式模具，包括冲裁模具，拉伸模具，弯曲、翻边模具，压印模具，冷挤压模具，冷镦模具，辊压模具和粉末压制模具等。由于所加工的对象为金属材料，且在室温加工，因此具有很大的难变形性。冷作模具钢在工作中承受相当大的压应力和摩擦力，必须具有相当高的硬度和耐磨性，为了避免冲击载荷引起的断裂和崩刃，还应具有适当好的韧性。为了达到高耐磨性，高硬度的特点，目前，较为通用的冷作模具钢仍是以D2钢（Cr12Mo1V1）为代表的Cr12系列冷作模具钢。这类钢的耐磨性较高，然而，由于铸态组织偏析严重，共晶碳化物颗粒尺寸大，因此韧性极差，模具常常因韧性不足而发生早期失效。相比于Cr12系列模具钢，以DC53钢（Cr8Mo2SiV）为代表的Cr8型冷作模具钢具有更高的韧性和强度配合，因此得到广泛应用，然而耐磨性稍低。目前，材料自身（不包括表面处理技术）获得高耐磨性的主要通过以下两方面实现，一是获得高硬度的基体组织，使基体本身在受到强烈摩擦的作用下仍能够保持高的抵抗变形能力。二是在基体组织上分布高弥散度、高硬度、高耐磨的碳化物。因此，以D2钢为代表的Cr12型冷作模具钢采用了较高的C含量，使基体能够获得较高的淬火马氏体硬度，采用较高的Cr含量，形成大量的碳化物（主要为M₇C₃/和M₂₃C₆型）增加耐磨性。然而，由于C和Cr含量太高，发生共晶反应产生的M₇C₃共晶碳化物发达、尺寸大、偏析严重，因此必然会损失韧性。降低C和Cr含量，改善韧性、增加其它高耐磨性碳化物补充耐磨性是一种改善耐磨性和韧性了好方法。Nb作为对碳有非常高亲和力的元素，已经在微合金化技术中得到了广泛的应用。不过在模具钢的研究中相对较少，目前的添加量通常也不太高。Nb和C形成的NbC碳化物具有非常高的硬度（NbC显微硬度HV：2400，M₇C₃：1600-1800，M₂₃C₆：1000-1300）、稳定性、耐磨性（NbC熔点：3500℃，M₇C₃：1780℃，M₂₃C₆：1520℃），在钢中能够有效提高耐磨性。利用高铌合金化，是提高耐磨性的有效思路和方法。同时，利用Nb和V都为MC碳化物形成元素的特性，当Nb含量提高时，替代更多V进入MC碳化物中的Nb含量增加，更多的V可以固溶于基体用于二次硬化作用，提高回火二次硬化硬度。本发明采用此思路的研究结果表明，采用V+Nb总量约为2.4%时的二次硬化硬度明显高于V含量为3.0%，以高Nb合金化替代V更能充分发挥V的效用，并起到节约资源的效果，具有可观的经济效益。另外，铌还能够有效地细化晶粒，对提高韧性有利。然而，在高铌合金化的过程中，关键的问题是设计好铌的添加量。铌的添加量太少，起不到效果或效果不明显。铌的添加量过多，则很容易在钢液凝固过程中发生共晶反应，形成大颗粒共晶碳化物，严重恶化钢的力学性能。本发明采用合理的铌加入量，并严格控制V+Nb总量。因此，采用高Nb合金化的思路设计Cr8型冷作模具钢，获得高耐磨性高韧性冷作模具钢具有巨大的经济效益和社会效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种高铌高耐磨高韧性冷作模具钢，具有高耐磨性、高二次硬化效应、适当高韧性的模具用。

根据上述目的，本发明整体的技术方案是：

本发明在D2钢的基础上重新设计合金元素Cr的含量和C含量，提高冲击韧性；增加二次硬化元素Mo，与C形成Mo₂C型碳化物，增加其在高温回火时的析出含量，产生更明显的二次硬化效果，进而增加二次硬化硬度以及基体耐磨性；加入W和V强碳化物形成元素，形成高硬度碳化物强化基体，增加耐磨性及抗回火软化性能；加入元素Nb，形成高硬度碳化物强化基体，增加耐磨性，并且细化晶粒。使该模具钢具有很高的耐磨性又具有良好的韧性，而成为优良的模具用钢，具有良好的使用性和应用前景。

具体为：(1)加入强碳化物形成元素Nb，形成高硬度碳化物，分布于基体，产生高耐磨性，并细化晶粒；同时，基于以Nb代替V的思路，更多的Nb替代V进入MC型碳化物中，使更多的V可以固溶于基体用于二次硬化，增加二次硬化效果，更充分发挥V的效用；(2)重新设计C及Cr、Mo、V的含量使钢材具有更好的冲击韧性以及在高温回火时产生更高的二次硬化效应，提高其综合性能。

根据上述目的和整体技术方案，本发明具体的技术方案为：

本发明钢的化学成分（重量％）如下：C：0.80～1.20%，Si：0.50～1.60%，S：≤0.030%，P：≤0.030%，Mn：≤0.40%，W：0.80～1.20%，Mo：1.50～2.20%，Cr：7.80～8.20%，V：0.50～1.90%，Nb：1.10～2.00%，余量为Fe及不可避免的杂质。其中，V+Nb的总量为1.6%＜V+Nb＜3.0%。

上述各元素的作用及配比依据如下：

C：碳是模具钢中不可缺少的元素，而且其含量一般都较高，尤其对于冷作模具钢。一方面碳在钢中是最有效的固溶强化元素，另一方面碳是形成各种碳化物的形成元素，尤其在冷作模具钢中，要保证充足的碳化物含量用以保证耐磨性。但碳含量过高的负面影响是降低钢的冲击韧性，尤其是碳和合金含量同时高到一定程度，将发生共晶反应，形成粗大共晶碳化物，显著降低钢的韧性。所以，从强度、耐磨性与韧性方面来看，碳在模具钢中的作用是互相矛盾的。碳含量过高，会影响韧性。碳含量过低，模具钢的强度和耐磨性不足。本发明根据其它元素含量并综合考虑强度、耐磨性和韧性确定碳含量为0.80～1.20%。

Cr：铬在工模具钢使用的合金元素中是相对廉价的合金元素，几乎所有的合金模具钢都含有元素铬，因此有必要好好使用Cr。对于要求高耐磨性以及高耐蚀性的模具钢，铬更是不可或缺。铬与碳的亲和力在形成碳化物的诸多元素中大于铁和锰而低于钨、钼等。当铬含量低于3%时，铬取代一部分铁而形成复合渗碳体(Fe,Cr)₃C。当铬含量大于3%，小于5%时，碳化物类型变成(Fe,Cr)₇C₃。当铬含量高于11%时，将会出现(Fe,Cr)₂₃C₆碳化物。此外，在这些含量的中间区域，有两种碳化物共存的混合区域。(Fe,Cr)₇C₃和(Fe,Cr)₂₃C₆对钢的性能有显著影响，特别是钢的耐磨性。因此，对于需要特别耐磨的冷作模具、精密量具和量规等常使用铬含量要大于5%。然而Cr含量太高则会发生共晶反应形成粗大共晶碳化物，严重影响韧性，因此综合考虑以上原因，控制其含量在7.80～8.20%。

Mn：作为脱氧剂而加入，含量一般控制在0.20～0.40%。

Si：作为脱氧元素而加入，含量一般控制在0.20～0.40%。然而有些研究表明，Si具有很好的固溶强化效果，同时，Si还能够细化回火析出的碳化物进而改善冲击韧性。因此，考虑到利用Si的益处，设计Si含量在0.50～1.60%。

P：P在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大。控制P的含量在0.030%以下，并且含量越低越好。

S：不可避免的不纯物，形成FeS，给钢带来热脆性。控制S含量在0.030%以下，并且含量越低越好。

Mo：钼固溶于铁素体时有固溶强化作用，形成碳化物时有提高碳化物稳定性的作用，固溶于奥氏体中还能够提高淬透性。钼是重要的二次硬化元素，通过高温回火在马氏体基体中析出Mo₂C型碳化物而形成二次硬化。钼能够增加钢对回火软化的抗力，也就是提高钢的回火稳定性。另外，钼对回火脆性的影响颇为复杂。作为单一的合金元素存在钢中时，钼增加钢的回火脆性；但和其他导致回火脆性元素，如铬、锰等并存时，钼又降低或抑制因其他元素所导致的回火脆性。在本发明钢中，控制Mo含量在1.50～2.20%。

W：钨是碳化物形成元素，形成碳化物增加耐磨性。W在模具钢中除形成碳化物外，部分地溶入铁中形成固溶体。固溶在基体中的W还能够显著增加回火稳定性、红硬性、热强性，以便支撑在较高温度使用。在本发明钢中，W含量控制在0.80～1.20%。

V：钒和碳、氮、氧都有极强的亲和力，与之形成极为稳定的碳化物，在钢中也主要以碳化物的形态存在。VC的熔点为2830℃。因此，即使在较高的奥氏体化温度下加热VC也能有效地阻止晶粒长大，同时增加钢的耐磨性。钒和钨、钼一样溶入基体中可提高α-Fe的自扩散激活能，另外它偏聚在位错线附近形成气团，与位错产生交互作用阻止位错的滑移及位错网络的重新排列而形成胞状亚结构，增加了马氏体的回复再结晶抗力，增加回火稳定性。钒也是重要的二次硬化元素，当加入量超过0.5％时，通过VC的沉淀亦可产生二次硬化效应，且随钒量增加二次硬化峰值温度有向高温推移的趋势，硬化强度提高，过时效速度亦较低。在2％Mo钢中加入0.5％V时，则钒将不足以形成VC，而钒会固溶于Mo₂C。钒的原子半径为0.135nm (Mo为0.145nm)，不增大点阵错配度，但因为钒和碳有更大的亲和力，会提高Mo₂C的稳定性，提高二次硬化的峰值温度。另外，利用V和碳有较强亲和力的特性，使V结合大量的碳，能够有效地缩小γ相区，提高临界点温度。本发明钢中将V含量控制为0.50～1.90%。

Nb：铌是强碳化物形成元素，和碳固溶度积很小，很容易形成非常稳定的MC型碳化物。铌和钒具有很多相似的特性，因此，Nb和V的复合作用增加了V的效果。但Nb是比V和C具有更强亲和力的元素，Nb和C形成的碳化物NbC的稳定性要明显高于VC（NbC熔点：3500℃，VC：2830℃），NbC的硬度也要高于VC（NbC硬度：2050HV，VC：2010HV），因此，NbC具有很高的耐磨性。同时，Nb能够进入VC中取代一部分V原子，形成(Nb, V)C，这有利于更多的V可以固溶在基体用于二次硬化。另外，Nb还有细化晶粒，细化铸态组织的作用。向本发明钢中添加元素Nb，控制其在较高含量1.10～2.0%。

本发明采用与现有技术相似的制备方法：

本发明钢可采用电弧炉、感应炉冶炼，钢水浇铸成钢锭，根据需要可进行电渣重熔，经锻造成材或开坯后轧制成棒、线材等。

本发明与现有技术相比具有高二次硬化硬度、高耐磨性优良的综合性能的优点。与现有模具钢相比，本发明钢在拥有良好的韧性的基础上，具有更高的二次硬化效果，很高的耐磨性，可满足用户需求。

本发明钢与现有Cr12型冷作模具钢相比，钢降低C和Cr含量，使材料具有更高的韧性。增加碳化物形成元素W、Mo、V，增加耐磨性与二次硬化效果。采用较高含量Nb合金化，不但增加耐磨性、细化晶粒，还能够替代V，降低钢中Nb+V总量，节约资源，增加V在钢中的效用，可提高材料性能，满足用户需求。

本发明钢具有较高的淬火硬度（65.5HRC），较高的回火硬度（63.8～64.5HRC），较好的冲击吸收功（8～11J）。

具体实施方式

根据本发明所设计的化学成分范围，在25kg真空感应炉上冶炼了3炉本发明钢，其具体化学成分如表1所示。钢水浇铸成锭，并经锻造制成φ17mm棒材。钢材退火后，加工成试样，经淬、回火处理（1000～1200℃淬火，200～600℃回火），其室温力学性能见表2～6。

本发明钢具有高硬度和较好的冲击韧性。

1. 发明钢3#比对比钢4#具有更低的Nb+V总量，降低成本，节约合金元素，节约资源。（见表1）

2. 发明钢较对比钢具有更高的淬火峰值硬度。（见表2）

3. 经相同温度淬火，不同温度回火后，发明钢具有比对比钢更高的回火硬度以及二次硬化效果。（见表3，4，6）

4. 经相同温度淬火，520～580℃回火后，发明钢具有较好的冲击韧性，可满足模具钢的使用要求。（见表5）

表1实施例与对比钢的化学成分，重量%

表2实施例与对比钢不同温度淬火的硬度值

表3实施例与对比钢1090℃淬火不同温度回火的硬度值

表4实施例与对比钢1110℃淬火不同温度回火的硬度值

说明：（1）淬火试验在箱式电阻炉中进行，保温20分钟，油淬

（2）不同温度回火2次，每次保温1小时。

表5实施例与对比钢冲击吸收功值

表6实施例1110℃淬火不同温度回火与对比钢最佳处理方案的硬度值

说明：（1）淬火试验在箱式电阻炉中进行，保温20分钟，油淬。

（2）不同温度回火2次，保温1小时。

（3）对比钢为1030℃淬火。

Claims

1.一种高铌高耐磨高韧性冷作模具钢，其特征在于，该钢的化学成分重量百分数为：C: 0.80～1.20%，Si: 0.50～1.60%，S≤0.030%，P≤0.030%，Mn≤0.40%，W: 0.80～1.20%，Mo: 1.50～2.20%，Cr: 7.80～8.20%，V: 0.50～1.90%，Nb: 1.10～2.00%，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的冷作模具钢，其中，V+Nb的总量为1.6%＜V+Nb＜3.0%。