CN103361563A - 一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢及其制备方法，该模具钢由以下重量百分含量的化学元素组成：C0.45～0.60％、Si0.30～0.60％、Mn12.50～16.00％、Cr4.00～6.00％、V1.50～2.50％、易切削元素0.30～0.55％，余量为Fe，易切削元素为Se、Sn、Cu的组合；将炉料在非真空感应炉中进行熔炼；电渣重熔精炼，并热加工成型；成型钢再经热处理加工工序处理，得到易切削高硬度奥氏体无磁模具钢。与现有技术相比，本发明的易切削高硬度奥氏体无磁模具钢，在加热和冷却中无相变，始终保持奥氏体组织；经固溶+时效热处理强化后，具有较好的综合机械性能，有良好的冷热加工性能、优良的易切削性能，确保加工方便、节约加工周期。将广泛用于电子产品、汽车仪表、电机磁环等行业的模具中。

Description

一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及金属材料及其制造方法，尤其是涉及一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢及其制造方法。

背景技术

易切削钢是在钢中加入一种或几种元素，利用其本身或其他元素形成对切削加工有利的夹杂物来改善钢材的切削性。易切削钢有较好的切削加工性能和较好的表面光洁度，能降低产品的制造成本。如加工Y40Mn易切削钢比加工45#钢零件的切削效率提高50％，刀具寿命延长4倍；20易切削钢不但比20#钢切削性能好，而加工后的产品表面光洁度更高。

随着机械制造工业和汽车工业的发展，易切削钢的使用量不断增加。在日本、美国等工业国家已形成易切削钢的标准化系列产品。日本JIS标准中，有23种(结构钢14种、不锈钢9种)；美国AISI标准中有31种(低碳钢18种，不锈钢9种，其他4种)。除易切削碳钢、易切削渗碳钢、易切削调质钢、易切削不锈钢外，各国正不断将易切削钢扩展到其他钢种，如模具钢、高锰钢、耐热钢和高工钢等。

国内易切削钢主要采用电弧炉+二次精炼+连铸工艺进行生产，该工艺成熟，产品质量可靠，已经逐渐取代了电弧炉+模铸的生产方式。这种工艺适应于批量生产，如汽车用钢等。

钢的易切削性能的改善主要靠加入一种或几种特征元素，如S、Pb、Ca、Se、Sn、Bi、Cu等，这些元素在钢中形成对切削加工有利的夹杂物或金属间化合物弥散分布在钢的基体中，破坏基体的连续性，降低其抗切强度，使切屑断成小而卷曲的碎片，从而减少切屑与刀具接触摩擦的面积。当然夹杂物过多，S、P、Pb等元素的过多加入，会在钢中形成严重的偏析，影响材料的质量和机械性能。

为适应环保的要求，国外一些钢铁企业正不断努力，开发新型的易切削钢。如日本神户公司对以Bi代Pb的易切削钢进行了系统的研究，发现加入原Pb含量的一半的Bi，含Bi的易切削钢在切屑去除性及材料可锻造性方面均优于含Pb的易切削钢。

常用的无磁模具钢，由于Mn含量较高，具有明显的冷作硬化现象，造成机加工性能下降，使用厂家普遍感到较难加工，加工周期长，成本高，影响模具交货期。虽然有资料介绍各国正不断向易切削钢扩展到其他钢类，如模具钢、高锰钢、耐热钢等，但未见有资料介绍。

钢的易切削性能是一种综合性能，一般是用刀具寿命、切削抗力大小、加工表面光洁度和排屑难易程度四个既独立又互相联系的因素综合加以衡量。要在所有切削条件下同时改善上述性能是困难的，因为它们之间有时总是互相影响的。在实际生产中，常在相同切削条件下进行对比试验，对产品的加工量、切屑进行比较来判断。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能达到原有材料的机械和显微组织，同时改善其机加工性能的易切削高硬度奥氏体无磁模具钢及其制造方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

高锰无磁钢是一种单相奥氏体组织，其强度和硬度较低而韧塑性较高。切削时与刀具接触处先被挤压变形，然后切屑被撕裂脱落。这样既多费切削能力也增加了表面的粗糙度；同时切屑也易于粘着刀具表面，形成刀瘤。一般采用固溶处理或冷变形方法来增加其强度降低韧塑性，但效果不明显。

在无磁模具钢中加入Se、Sn和Cu的最佳配比。这些工作在国内外的报道中还未见到，尤其是在高锰无磁模具钢中，既要保证原有材料的性能，又要改善其切削加工性能。

一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢，该模具钢由以下重量百分含量的化学元素组成：C0.45～0.60％、Si0.30～0.60％、Mn12.50～16.00％、Cr4.00～6.00％、V1.50～2.50％、易切削元素0.30～0.55％，余量为Fe。

所述的易切削元素为Se、Sn、Cu的组合。

所述的易切削高硬度奥氏体无磁模具钢具有以下力学性能：使用硬度≥HRC40，机加工时的刀具磨损量小于未加易切削元素的同类钢的30％以上，相对磁导率≤1.050。

一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的制造方法，该方法包括以下步骤：

(1)按模具钢的配比，将炉料在非真空感应炉中按工艺要求进行熔炼，熔炼的温度范围为1400℃～1450℃；

(2)经步骤(1)处理后进行电渣重熔精炼，并在850℃～1180℃的温度下热加工成型，得到成型钢；

(3)成型钢再经热处理加工工序处理，得到易切削高硬度奥氏体无磁模具钢。

步骤(1)所述的炉料包括纯铁、锰铁、铬铁、钒铁和含易切削元素的金属。

步骤(2)所述的热加工包括锻造和轧制加工。

步骤(3)所述的热处理加工工序为将成型钢加热至1050℃～1150℃，固溶1～2小时，水冷至室温，然后在700～750℃时效处理4～6小时。

本发明的易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的主要特点是高硬度、无磁性、同时切削加工性良好。本发明的模具钢具有这些特点的关键技术在于化学成分设计和热处理工艺的配合，本发明的模具钢是一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢，为此钢中要含有一定量的奥氏体形成元素。本发明钢中是通过C、Cr、Mn等元素来形成奥氏体组织的。本发明的模具钢中的元素的作用如下：

C：C是形成奥氏体的能力最强有效元素之一，同时也是提高强度的有效元素，但要控制适当，太高了，易生成过量的碳化物，对韧性产生不利影响；太低了，钢的强度达不到要求。本发明中，C控制在0.45～0.60％为宜。

Mn：Mn是形成奥氏体的能力最强有效元素之一，稳定奥氏体组织的能力仅次于Ni，同时能增加钢的淬透性，提高奥氏体钢的硬度和强度。本发明中，Mn控制在12.50～16.00％。

Cr：Cr的加入能显著改善钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力。同时Cr能显著增加钢的淬透性，主要在等温转变时，Cr能有效延长奥氏体转变的孕育期，也就是减缓了奥氏体的分解速度，提高了钢的淬透性。本发明中，Cr控制在4.00～6.00％。

V：V在钢中以碳化物的形式存在，主要作用是细化钢的组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性，提高钢的强度和韧性，增加钢的回火稳定性，并产生二次硬化效果。本发明中V控制在1.50～2.50％。

易切削元素Se、Sn、Cu：它们的加入在不影响钢的其他性能的情况下，能显著提高钢的切削加工性。它们以分散、极细小的微粒状态存在于钢中，在切削过程中，使切屑易于碎断，同时也产生润滑作用，改善钢的切削加工性能。本发明中，易切削元素控制在0.30～0.55％。

与现有技术相比，本发明的易切削高硬度奥氏体无磁模具钢，在加热和冷却中无相变，始终保持奥氏体组织；经固溶+时效热处理强化后，具有较好的综合机械性能，有良好的冷热加工性能、优良的易切削性能，确保加工方便、节约加工周期。将广泛用于电子产品、汽车仪表、电机磁环等行业的模具中。

具体实施方式

下面具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢，以YW1表示，按重量百分比该模具钢的化学元素为：C0.54％，Si0.43％，Mn15.79％，Cr5.05％，V1.60％，易切削元素0.37％，余量为Fe。其中，易切削元素为Se0.02％、Sn0.20％、Cu0.15％。

上述高硬度奥氏体无磁易切削模具钢的制造方法如下：将包含上述成分的纯铁、锰铁、铬铁、钒铁以及易切削元素等各类炉料经过非真空感应炉进行熔炼，熔炼温度为1450℃，再进行电渣重熔，然后在1150℃锻造成型，再经1100～1150℃固溶1～2小时，水冷至室温；然后在700～750℃时效4～6h，得到高硬度奥氏体无磁易切削模具钢，加工成所需的零部件，满足了产品设计和使用要求。

实施例2

一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢，以YW2表示，按重量百分比该模具钢的化学元素为：C0.47％，Si0.48％，Mn13.57％，Cr5.05％，V1.77％，易切削元素0.48％，余量为Fe。其中，易切削元素为Se0.03％、Sn0.25％、Cu0.20％。

上述易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的制造方法如下：将包含上述成分的纯铁、锰铁、铬铁、钒铁以及一种或几种易切削元素等各类炉料经过非真空感应炉进行熔炼，熔炼温度为1400℃，再进行电渣重熔，然后在1130℃锻造成型，再经1100～1150℃固溶1～2小时，水冷至室温；然后在700～750℃时效4～6h，得到易切削高硬度奥氏体无磁模具钢，加工成所需的零部件，满足了产品设计和使用要求。

实施例1与实施例2所得易切削高硬度奥氏体无磁模具钢按照不同的热处理加工工序进行试验，所得力学性能测试结果列于表1。

注：YW1、YW2均是易切削高硬度奥氏体无磁模具钢。

由表1可见，易切削高硬度奥氏体无磁模具钢在固溶态时有较好综合性能。经过700℃时效处理，其硬度可达HRC 42～44，满足易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的设计使用要求。

表2列出了易切削高硬度奥氏体无磁模具钢通过热处理加工工序可以达到硬度＞HRC40以上的使用硬度。其中，YW1、YW2的固溶温度分别为1150℃。

表3列出了易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的磁导率与时效时间的关系。

表3易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的磁导率与时效时间的关系

由表3可见，高硬度奥氏体无磁易切削模具钢的磁导率随着时效时间的增长，其磁导率变化不大，其磁导率在1.005～1.019之间。

易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的切削性能试验结果见表4、5。

表4、YW1钢的刀具磨损量和时间关系

注：A50-A、A50-B为试验对比材料，A-固溶态，B-固溶+时效态

固溶态时，新型易切削高硬度奥氏体无磁模具钢YW1-A的刀具磨损量从对比钢A50-A的刀具磨损量0.17mm下降至0.13mm，固溶+时效态后，YW1-B的刀具磨损量从对比钢A50-B的刀具磨损量0.，19mm下降至0.13mm。

A50-A的刀具磨损量0.17mm下降至0.04mm。固溶+时效态后，YW2-B的刀具磨损量从对比钢A50-B的刀具磨损量0.19mm下降至0.06mm。

从以上易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的刀具磨损量来看，易切削模具钢性能优于对比钢A50。

易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的在1150℃固溶处理后，其金相组织为奥氏体组织，奥氏体晶粒度为8～9级。

易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的物理性能见表6。

一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢，该模具钢由以下重量百分含量的化学元素组成：C0.58％、Si0.60％、Mn15.90％、Cr5.50％、V2.45％、易切削元素0.55％，余量为Fe。其中，易切削元素为Se0.05％、Sn0.30％、Cu0.20％。

易切削高硬度奥氏体无磁模具钢具有以下力学性能：使用硬度≥HRC40，机加工时的刀具磨损量小于未加易切削元素的同类钢的30％以上，相对磁导率≤1.050。

一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的制造方法，该方法包括以下步骤：

(1)按模具钢的配比，将炉料在非真空感应炉中按工艺要求进行熔炼，熔炼的温度为1450℃，炉料包括纯铁、锰铁、铬铁、钒铁和含易切削元素Sn的金属。

(2)经步骤(1)处理后进行电渣重熔精炼，并在1180℃的温度下锻造和轧制加工成型，得到成型钢；

(3)成型钢再经热处理加工工序处理，得到易切削高硬度奥氏体无磁模具钢。热处理加工工序为将成型钢加热至1150℃，固溶1小时，水冷至室温，然后在750℃时效处理4小时。

实施例4

一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢，该模具钢由以下重量百分含量的化学元素组成：C0.45％、Si0.30％、Mn16.00％、Cr6.00％、V2.50％、易切削元素0.30％，余量为Fe。其中，易切削元素为Se0.05％、Sn0.25％。

易切削高硬度奥氏体无磁模具钢具有以下力学性能：使用硬度≥HRC40，机加工时的刀具磨损量小于未加易切削元素的同类钢的30％以上，相对磁导率≤1.050。

一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的制造方法，该方法包括以下步骤：

(1)按模具钢的配比，将炉料在非真空感应炉中按工艺要求进行熔炼，熔炼的温度为1450℃，炉料包括纯铁、锰铁、铬铁、钒铁和含易切削元素Sn的金属；

(2)经步骤(1)处理后进行电渣重熔精炼，并在850℃～1180℃的温度下锻造和轧制加工成型，得到成型钢；

(3)成型钢再经热处理加工工序处理，得到易切削高硬度奥氏体无磁模具钢。步骤(3)热处理加工工序为将成型钢加热至1050℃～1150℃，固溶1～2小时，水冷至室温，然后在700～750℃时效处理4～6小时。

实施例5

一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢，该模具钢由以下重量百分含量的化学元素组成：C0.60％、Si0.5％、Mn12.50％、Cr4.0％、V1.50％、易切削元素0.30％，余量为Fe。其中，易切削元素为Se0.02％、Sn0.18％、Cu0.10％。

易切削高硬度奥氏体无磁模具钢具有以下力学性能：使用硬度≥HRC40，机加工时的刀具磨损量小于未加易切削元素的同类钢的30％以上，相对磁导率≤1.050。

一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的制造方法，该方法包括以下步骤：

(1)按模具钢的配比，将炉料在非真空感应炉中按工艺要求进行熔炼，熔炼的温度范围为1400℃～1450℃，炉料包括纯铁、锰铁、铬铁、钒铁和含易切削元素Cu的金属。

(2)经步骤(1)处理后进行电渣重熔精炼，并在850℃～1180℃的温度下锻造和轧制加工成型，得到成型钢；

(3)成型钢再经热处理加工工序处理，得到易切削高硬度奥氏体无磁模具钢。步骤(3)热处理加工工序为将成型钢加热至1050℃～1150℃，固溶1～2小时，水冷至室温，然后在700～750℃时效处理4～6小时。

Claims (6)

1.一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢，其特征在于，该模具钢由以下重量百分含量的化学元素组成：C0.45～0.60％、Si0.30～0.60％、Mn12.50～16.00％、Cr4.00～6.00％、V1.50～2.50％、易切削元素0.30～0.55％，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢，其特征在于，所述的易切削元素为Se、Sn、Cu的组合。

3.一种如权利要求1～2任一所述的易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)按模具钢的配比，将炉料在非真空感应炉中进行熔炼，熔炼的温度范围为1400℃～1450℃；

(2)经步骤(1)处理后进行电渣重熔精炼，并在850℃～1180℃的温度下热加工成型，得到成型钢；

(3)成型钢再经热处理加工工序处理，得到易切削高硬度奥氏体无磁模具钢。

4.根据权利要求3所述的一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的制造方法，其特征在于，步骤(1)所述的炉料包括纯铁、锰铁、铬铁、钒铁以及含易切削元素的金属。

5.根据权利要求3所述的一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的制造方法，其特征在于，步骤(2)所述的热加工包括锻造和轧制加工。

6.根据权利要求3所述的一种易切削高硬度奥氏体无磁模具钢的制造方法，其特征在于，步骤(3)所述的热处理加工工序为将成型钢加热至1050℃～1150℃，固溶1～2小时，水冷至室温，然后在700～750℃时效处理4～6小时。