CN103834869A - 一种新型5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢 - Google Patents

一种新型5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种新型5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，所述工具钢含C、Si、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Al、B、Mg、N和氮化物BN、AlN或/和TiN。按质量份计，其中C：0.40～0.60；Si：0.30～1.20；Mn：0.30～1.20；Cr：2.80～3.80；Mo：1.00～2.00；V：0.10～0.50；Nb：0～0.40；Al：0～1.00；B：0～0.01；Mg：0～0.007；N：0～0.12；氮化物0～0.08和稀土元素0.05以下；余量为Fe及不可避免的杂质。和现有技术比，本发明提供的耐冲击工具钢可有效提高钢的耐磨性和强度，使5Cr3MnSiMo1V的强度等性能提高了，使用范围更加广泛，更经济、环保、节约资源。

Description

一种新型5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢
【技术领域】
本发明涉及一种耐冲击工具钢，具体讲涉及一种加Mg、B、Al、N和氮化物的耐冲击工具钢。 
【背景技术】
在碳素工具钢基础上加入合金元素形成的合金钢简称合工钢。与碳素工具钢相比，合金工具钢淬透性好，热处理开裂倾向小、耐磨性与耐热性高，可以适应不同用途需要。广泛用于碳工钢性能所不能满足要求的各种工具。合工钢按用途及性能不同分为量具、刃具用钢、耐冲击工具钢、冷作模具钢、热作模具钢、无磁模具钢和塑料模具钢等。耐冲击工具钢对这类钢的性能要求是：（1）冲击韧性高。（2）疲劳性能好。（3）耐磨。中国的耐冲击工具钢有：4CrW2Si、5CrW2Si和6CrW2Si。广泛用于高冲击载荷下操作的工具，用于手动和风动凿子、空气锤工具、铆钉工具、重振动的切割器、冷冲裁和切边用凹模；也用于热作工具，如热冲孔和穿孔工具、热剪切模、热锻模、易熔合金的压铸模等。在高温时有较好的强度和硬度，回火后有较高的韧度，有一定的淬透性和高温力学强度，热处理时对脱碳、变形的开裂的敏感性不大，且钨、钼、钒为贵重金属，冶炼过程中消耗能量较多，而加入钨、钼、钒使钢的淬火温度提高，不适合环保，不是节能性产品，这些金属又为稀缺性战略资源。 
本发明人经长期大量研究发现，加入低熔点的Mg、B、Al、N和氮化物(BN、AlN和/或TiN)的耐冲击工具钢可有效提高钢的耐磨性和强度，使传统5Cr3MnSiMo1V的强度等性能提高了，使用范围更加广泛，更经济、环保、节约资源。 
【发明内容】
本发明的目的是，提供一种在耐冲击工具钢5Cr3MnSiMo1V中加入低熔点的Mg、B、Al、N和氮化物BN、AlN和/或TiN的5Cr3MnSiMo1VBN合金钢，这种合金钢大幅度提高耐磨性和强度的合金工具钢。 
本发明的技术方案中：加入低熔点Mg、B、Al、N和氮化物(BN、AlN或/和TiN)的合金钢，但不含这些化合物的氧化物杂质，不但S≤0.008％和P≤0.03％，而且氧化物总量O≤0.005％。 
镁：在提高钢的抗氧化性的同时，低熔点金属Mg使其在退火锻打加热过程中，析出的Mg金属与基体共格的有害低熔点Sn、Pb、As、Sb、Bi等元素形成的二元合金成为较高熔点 的金属间化合物，同时改变低熔点元素的尺寸和形式。本发明Mg适合的含量为0～0.007％。 
铝：能细化钢铸态组织、减少晶臂间距。这样通过改变碳化物的尺寸和分布能更有效地阻止奥氏体晶粒长大，促进残余奥氏体向马氏体转变、提高回火硬度，降低回火温度。在对韧性损失小的情况下，却提高了钢材的抗弯强度和耐磨性。同时具有良好的抗氧化性能。本发明提供的技术方案中，Al适合的含量为0（～1.00％。 
硼：该组份有利于抑制钢的r-a相变，显著抑制珠光体的形成，提高贝氏体的含量，在细化贝氏体的亚结构的同时，提高了强度并保持良好的低温韧性。钢中加入适量的硼，可增加钢在高温下的持久寿命，及提高钢的综合性能和淬透性。本发明的技术方案中B适合的含量为0～0.01％在奥氏体钢中添加氮化物主要是提高其强度和耐蚀性，而在低合金高强度钢中，氮也被作为微合金化元素，通过形成微合金化碳，氮化物起到强化作用。 
钢中的氮化物比碳化物具有更高的稳定性，析出相中弥散的细小M（C.N）型氮化物强化效果明显提高。回火后形成弥散的碳氮化物析出相促进二次硬化，到一定数量时甚至具有三次硬化的功能。本发明氮化物的总量(BN、AlN和/或TiN)以N质量百分数计为0.02～0.08％。 
氮：以间隙溶质原子的形式存在于基体中，具有细化晶粒、产生固溶强化和缩短二次枝晶臂间距、降低晶内偏析、改善夹杂物分布，提高钢的机械强度、改善冲击韧性和耐磨性的功能。固溶态氮，可降低奥氏体中的密排不完全位错，限制含间隙杂质原子团的位错运动，强化效应比碳强。固溶氮与碳、镍的作用相似，能扩大r相互并使奥氏体稳定化。固溶氮可提高材料的淬透性，在同样的淬火工艺下淬硬层更深，同时使芯部组织得到一定程度的改善。氮原子在残余奥氏体中存在短程有序，不需要长距离扩散，易于首先析出（FeCr）2N；可降低回火温度。本发明N适合的含量为0～0.12％。 
C(碳)：C与Fe、Cr、Mo、V、Nb等碳化物形成元素结合而形成碳化物。由于淬火时C向基体固溶，与固溶的Cr、Mo、V、Nb等元素结合，作为碳化物析出而赋予二次硬化，所以可以确保回火时的回火硬度。 
经本发明人的大量实验、观察、分析、检测，发现并且确定了本发明的技术方案中的各种成分的含量范围。 
为了确保淬火、回火后最低限的硬度，C的添加量在0.40％以上。另一方面，C的添加量过量时，淬火残留的硬质碳化物将增加，会导致作为耐冲击使用的工具钢最重要特性之一的冲击值的降低，基于此，将其上限定为0.60％。这样，就能确保稳定的硬度和韧性。所以本发明将C含量限定为0.40～0.60％。 
Si（硅）：添加Si主要作为脱氧剂，同时又能固溶于碳化物和基体中，导致硬度的增加。 当其添加量在0.30％以上。但为防止因Si的增加引起热加工性或韧性的降低，所以其上限为1.20％。因此本发明的技术方案中将Si的量限定为0.30～1.20％。 
Cr（铬）：铬作为碳化物形成元素形成碳化物。另外，碳化物可以分类为以V为主的MC碳化物，以Mo为主的M6C系碳化物、以Cr为主的M23C6系或M7C3系碳化物。 
这里，大幅增加Cr添加量的场合，会导致淬火处理时残余碳化物的怎家引起的韧性降低。因此，将其上限定为3.80％。另外，Cr系碳化物的量少时，通过900℃至950℃的热处理，很难确保回火后的硬度。因此，将其下限定为2.8％。更加优先添加3.50％，以更加确保硬度。本发明Cr适合的含量为2.8～3.80％。 
Mo（钼）：Mo主要形成硬质的M6C碳化物。同时在淬火时向基体固溶，在480℃至520℃以上的回火中赋予二次硬化。为充分确保该二次硬化产生的硬度所必须的Mo含量。本发明Mo适合的含量为1.00％～2.00％。 
V（钒）：V与C结合，形成硬质的在高温下也稳定的MC型碳化物。因此，在碳化物量少、大体上不含碳化物的材料中，该元素被用来防止淬火时的晶粒的粗大化。这里通过淬火处理，同样也可以防止晶粒的粗大化。为了能够获得该作用，加入量须至少为0.10％。另外，V添加量过多，由于凝固时形成粗大的MC碳化物而成为断裂的起点，所以将其上限定为0.50％。本发明的技术方案中，V适合的含量为0.10～0.50％。 
Nb（铌）：Nb比V更加容易形成MC型碳化物。因此，也可以与V同时添加Nb。但是，由于Nb比V容易形成粗大的MC碳化物，所以将其上限定为0.40％。本发明Nb适合的含量为0～0.40％。 
REM（稀土类元素）：REM主要由La、Ce、Pr构成。在凝固初期，由其强力的化合物形成能。因此能减缓由Nb、V、Cr、Mo等形成的碳化物，凝固组织中的MC碳化物微细化，赋予组织的均质化。本发明的技术方案中REM的含量小于0.05％。 
Ti（钛）：Ti与V、Nb同样是容易形成MC型碳化物的元素。因此，也可以与Nb、V同时添加而使用。本发明Ti适合的含量为≤0.1％。 
5Cr3MnSiMo1V耐冲击工具钢材存在着合金元素少，耐磨性强度差的缺点，且使用寿命大大低于基体钢6Cr4W3Mo2VNb（代号65Nb）。对1～3吨中频冶炼后，经二次冶炼加入低熔点的Mg、B、Al、N和氮化物(BN；AlN；TiN)的合金钢后，经锻造、退火、淬火和回火处理，使用寿命比传统5Cr3MnSiMo1V耐冲击工具钢提高5倍以上。 
本发明的目的是提供一种改进的5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，另有说明除外，本申请中所述量为重量份计。 
本发明提供的改进的5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，既保持了冷作模具钢的机械性能，又大大降低了淬火温度，节省了大量能源。 
本发明提供的5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，所述工具钢含C：0.40～0.60；Si：0.30～1.20；Mn：0.30～1.20；Cr：2.80～3.80；Mo：1.00～2.00；V：0.10～0.50；Nb：0～0.40；Al：0～1.00；B：0～0.01；Mg：0～0.007；N：0～0.12；氮化物0～0.08和稀土元素0.05以下；余量为Fe及不可避免的杂质。 
本发明提供的优选的5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢中，C：0.50；Si：0.60；Mn：0.60；Cr：3.25；Mo：1.60；V：0.30；Nb：0.10；Al：0.50；B：0.005；Mg：0.003；N：0.06；氮化物0.04； 
本发明提供的再一优选5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢中，Si：C：0.45～0.55；Si：0.30～0.70；Mn：0.60～1.00；Cr：3.30～3.80；Mo：1.60～2.00；V：0.10～0.30；Nb：0.10～0.30；Al：0.30～0.80；B：0.001～0.005；Mg：0.001～0.005；N：0.06～0.10；氮化物0.04～0.08； 
本发明提供的第三优选5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢中，C：0.40～0.50；Si：0.60～1.00；Mn：0.30～0.60；Cr：2.80～3.20；Mo：1.20～1.60；V：0.20～0.40；Al：0.10～0.50；Mg：0.001～0.006；N：0.08～0.12；氮化物0.06～0.08； 
本发明提供的第四优选5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢中，C：0.45～0.55；Si：0.80～1.20；Mn：0.80～1.20；Cr：3.00～3.50；Mo：1.00～1.40；V：0.10～0.30；Nb：0.10～0.30；B：0.001～0.005；Mg：0.001～0.007；N：0.03～0.06；氮化物0.02～0.04； 
本发明提供的第五优选5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢中，C：0.45～0.55；Si：0.40～0.80；Mn：0.40～0.80；Cr：3.00～3.50；Mo：1.20～1.60；V：0.10～0.30；Al：0.60～1.00；Mg：0.001～0.005；N：0.03～0.06；氮化物0.02～0.04； 
本发明提供的第六优选5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢中，C：0.45～0.55；Si：0.40～0.80；Mn：0.40～0.80；Cr：3.00～3.50；Mo：1.20～1.60；V：0.20～0.50；Al：0.30～0.80；B：0.005～0.01；N：0.03～0.08；氮化物0.02～0.06； 
本发明提供的第七优选5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢中，C：0.45～0.55；Si：0.40～0.80；Mn：0.40～0.80；Cr：3.00～3.50；Mo：1.40～1.80；V：0.10～0.30；Nb：0.20～0.40；Al：0.60～1.00；B：0.003～0.008；Mg：0.001～0.005；N：0.03～0.05；氮化物0.02～0.04； 
本发明提供的第八优选5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢中，Si：C：0.45～0.60；Si：0.40～0.80；Mn：0.40～0.80；Cr：3.00～3.50；Mo：1.40～1.80；V：0.30～0.50；Al：0.60～1.00；B：0.003～0.008；Mg：0.001～0.006。 
和现有技术比，本发明提供的耐冲击工具钢可有效提高钢的耐磨性和强度，使5Cr3MnSiMo1V的强度等性能提高了，使用范围更加广泛，更经济、环保、节约资源。 
附图说明：
图1为热处理工艺图。 
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。 
实施例1 
本发明提供的5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，按重量百分比计包括： 
C_0.50，Si_0.60，Mn_0.60，Cr_3.25，Mo_1.60，V_0.30，Nb_0.10， 
Al_0.50，B_0.005，Mg_0.003，N_0.06，氮化物_0.04，余量为Fe以及不可避免的杂质。 
上述新型5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢热处理工艺的步骤如下： 
（1）、预加热：将全部原料预加热温度为560℃～600℃，预加热时间为60分钟； 
（2）、淬火加热：淬火加热温度为900℃～960℃，采用油冷却或者空气冷却或者盐浴冷却，淬火时间为20～30分钟； 
（3）、回火：回火温度为480℃～500℃，然后空气冷却至室温。 
实施例2 
本发明提供的5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，按重量百分比计包括： 
C_0.55，Si_0.80，Mn_0.40，Cr_3.50，Mo_1.80，V_0.20，Nb_0.20， 
Al_0.50，B_0.003，Mg_0.002，N_0.08，氮化物_0.06，余量为Fe以及不可避免的杂质。 
上述新型5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢热处理工艺的步骤如下： 
（1）、第一次预加热：将全部原料预加热温度为560℃～600℃，预加热时间为60分钟； 
（2）、第二次预加热：第一次预加热后，进行第二次预加热，然后进行淬火，第二次预加热温度750℃～800℃，第二次预加热时间为40～50分钟。 
（3）、淬火加热：淬火加热温度为900℃～960℃，采用油冷却或者空气冷却或者盐浴冷却，淬火时间为20～30分钟； 
（4）、第一次回火：回火温度为480℃～500℃，然后空气冷却至室温。 
（5）、第二次回火：第一次回火空气冷却后再进行第二次回火，第二次回火温度480℃～500℃，然后空气冷却至室温。 
实施例3 
本发明提供的5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，按重量百分比计包括： 
C_0.45，Si_0.40，Mn_0.80，Cr_3.00，Mo_1.40，V_0.30，Al_0.30， 
Mg_0.005，N_0.10，氮化物_0.08，余量为Fe以及不可避免的杂质。 
上述新型5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢热处理工艺的步骤如下： 
（1）、第一次预加热：将全部原料预加热温度为560℃～600℃，预加热时间为60分钟； 
（2）、第二次预加热：第一次预加热后，进行第二次预加热，然后进行淬火，第二次预加热温度750℃～800℃，第二次预加热时间为40～50分钟。 
（3）、淬火加热：淬火加热温度为900℃～960℃，采用油冷却或者空气冷却或者盐浴冷却，淬火时间为20～30分钟； 
（4）、第一次回火：回火温度为480℃～500℃，然后空气冷却至室温。 
（5）、第二次回火：第一次回火空气冷却后再进行第二次回火，第二次回火温度480℃～500℃，然后空气冷却至室温。 
（6）第三次回火：在第二次回火空气冷却至室温后，再进行第三次回火，第三次回火温度480℃～500℃，然后空气冷却至室温。 
实施例4～8热处理工艺的步骤与实施例3同。 
除本发明的实施例4～85Cr3MnSiMo1VBN合金工具钢中的余量为Fe以及不可避免的杂质外的各成分及性能列于表1。 
表1各成分配比 
Figure GDA00002449645200071
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (9)

1.一种新型5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，所述工具钢含C、Si、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Al、B、Mg、N和氮化物BN、AlN或/和TiN，其特征在于，按质量份计，C：0.40～0.60；Si：0.30～1.20；Mn：0.30～1.20；Cr：2.80～3.80；Mo：1.00～2.00；V：0.10～0.50；Nb：0～0.40；Al：0～1.00；B：0～0.01；Mg：0～0.007；N：0～0.12；氮化物0～0.08和稀土元素0.05以下；余量为Fe及不可避免的杂质。 
2.根据权利要求1的5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，其特征在于，C：0.50；Si：0.60；Mn：0.60；Cr：3.25；Mo：1.60；V：0.30；Nb：0.10；Al：0.50；B：0.005；Mg：0.003；N：0.06；氮化物0.04。 
3.根据权利要求1的5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，其特征在于；Si：C：0.45～0.55；Si：0.30～0.70；Mn：0.60～1.00；Cr：3.30～3.80；Mo：1.60～2.00；V：0.10～0.30；Nb：0.10～0.30；Al：0.30～0.80；B：0.001～0.005；Mg：0.001～0.005；N：0.06～0.10；氮化物0.04～0.08。 
4.根据权利要求1的5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，其特征在于， 
C：0.40～0.50；Si：0.60～1.00；Mn：0.30～0.60；Cr：2.80～3.20；Mo：1.20～1.60；V：0.20～0.40；Al：0.10～0.50；Mg：0.001～0.006；N：0.08～0.12；氮化物0.06～0.08。 
5.根据权利要求1的5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，其特征在于， 
C：0.45～0.55；Si：0.80～1.20；Mn：0.80～1.20；Cr：3.00～3.50；Mo：1.00～1.40；V：0.10～0.30；Nb：0.10～0.30；B：0.001～0.005；Mg：0.001～0.007；N：0.03～0.06；氮化物0.02～0.04。 
6.根据权利要求1的5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，其特征在于， 
C：0.45～0.55；Si：0.40～0.80；Mn：0.40～0.80；Cr：3.00～3.50；Mo：1.20～1.60；V：0.10～0.30；Al：0.60～1.00；Mg：0.001～0.005；N：0.03～0.06；氮化物0.02～0.04。 
7.根据权利要求1的5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，其特征在于，C：0.45～0.55；Si：0.40～0.80；Mn：0.40～0.80；Cr：3.00～3.50；Mo：1.20～1.60；V：0.20～0.50；Al：0.30～0.80；B：0.005～0.01；N：0.03～0.08；氮化物0.02～0.06。 
8.根据权利要求1的5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，其特征在于， 
C：0.45～0.55；Si：0.40～0.80；Mn：0.40～0.80；Cr：3.00～3.50；Mo：1.40～1.80；V：0.10～0.30；Nb：0.20～0.40；Al：0.60～1.00；B：0.003～0.008；Mg：0.001～0.005；N：0.03～0.05；氮化物0.02～0.04。 
9.根据权利要求1的5Cr3MnSiMo1VBN耐冲击工具钢，其特征在于；Si： C：0.45～0.60；Si：0.40～0.80；Mn：0.40～0.80；Cr：3.00～3.50；Mo：1.40～1.80；V：0.30～0.50；Al：0.60～1.00；B：0.003～0.008；Mg：0.001～0.006。 
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