CN103938091A

CN103938091A - 一种高韧性高耐磨冷作模具钢

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Publication number: CN103938091A
Application number: CN201410175592.0A
Authority: CN
Inventors: 迟宏宵; 马党参
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2034-04-28
Also published as: CN103938091B

Abstract

一种高韧性高耐磨冷作模具钢，属于工模具钢领域。化学成分重量％为：C：0.8～1.5％，Si：0.5～1.5％，S：≤0.030％，P：≤0.030％，Mn：≤1.5％，Mo：0.8～2.5％，Cr：8.0～11.0％，V：0.1～1.0％，Nb：≤1.0％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明与现有技术相比在保持高耐磨性性的同时、具有更高韧性和抗弯强度，综合性能良好。与Cr12型冷作模具钢相比，降低Cr含量，使材料具有更高的韧性。与Cr8型冷作模具钢相比，增加Cr含量，增加耐磨性，同时合理控制C/Cr比，已达到获得比Cr8型冷作模具钢更好的碳化物分布状态，使其具有更优良的韧性。增加元素Mn、Si含量提高硬度，增强耐磨性。采用较高Nb+V复合合金化，增加V在钢中的效用，提高二次硬化效果。

Description

一种高韧性高耐磨冷作模具钢

技术领域

本发明属于模具钢技术领域，特别涉及一种高韧性高耐磨冷作模具钢。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

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，然而由于降低C和Cr含量，在应用于某些更高要求模具的时，耐磨性无法满足要求。本发明的目的是通过优化C和合金元素配置，发明比综合性能更优异的冷作模具钢。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含量能降低共晶碳化物的尺寸和偏析程度，进而提高韧性。C和Cr之间的物理冶金反应决定了钢中所生成共晶碳化物的优劣特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种高韧性高耐磨冷作模具钢。基于大量研究工作基础，确定了获得更佳综合性能的C/Cr配比。发明一种比DC53钢更韧更耐磨的冷作模具钢，具有巨大的经济效益和社会效益。

根据上述目的，本发明整体的技术方案是：

本发明在Cr8型钢的基础上重新设计合金元素Cr的含量和C含量，提高耐磨性及冲击韧性。Cr8型钢形成Cr的碳化物较少，是耐磨性偏低的主要原因，本发明增加Cr含量以增加耐磨性；为了保持较高韧性，本发明严格控制C/Cr配比；以Mn代Cr形成M₂₃C₆碳化物，增加耐磨性，发挥Si固溶强化的效果，提高硬度和耐磨性；添加二次硬化元素Mo和V，与C形成Mo₂C和VC型碳化物，使钢具有二次硬化效应；加入微量元素Nb，一方面形成高硬度碳化物强化基体，增加耐磨性，并且细化晶粒，另一方面以Nb代钒促进V的二次硬化效果。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)设计最佳Cr含量范围，使钢能获得最佳韧性和耐磨性匹配，Cr的含量范围8.0～11.0％。为了控制碳化物尺寸和偏析，合理控制C和Cr的配比，C/Cr比控制在0.073＜C/Cr＜0.1875；(2)优化设计Mo、V、Si、Mn的含量使钢材具有更好的硬度，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。

本发明钢的化学成分(重量％)如下：C：0.8～1.5％，Si：0.5～1.5％，S：≤0.030％，P：≤0.030％，Mn：≤1.5％，Mo：0.8～2.5％，Cr：8.0～11.0％，V：0.1～1.0％，Nb：≤1.0％，余量为Fe及不可避免的杂质。其中，C/Cr的含量为0.073＜C/Cr＜0.1875。

上述各元素的作用及配比依据如下：

C：碳是冷作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。对于以Cr为主要合金元素的高Cr模具钢，应注重C/Cr比这一概念，本发明在Cr含量在8.0～11.0％范围之间时，确定控制0.073＜C/Cr＜0.1875，确定碳含量为0.80～1.50％。

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8.0～11.0％。

Mn：在工模具钢中通常作为脱氧剂而加入，含量一般控制在0.20～0.40％。增加Mn含量能够增加钢的淬透性，同时Mn还是M₂₃C₆碳化物形成元素，本发明采用较高Mn含量，形成M₂₃C₆碳化物，增加耐磨性。因此只需要控制Mn≤1.5％。

Si：作为脱氧元素而加入，含量一般控制在0.20～0.40％。然而Si还具有很强的固溶强化效果，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0.50～1.50％。

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0.8～2.5％。

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0.10～1.0％。

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。但过多的Nb将会促进Nb的一次碳化物析出，降低韧性。向本发明钢中添加适量的Nb，控制其在≤1.0％。

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、扁钢等。

本发明与现有技术相比具有高冲击韧性、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耐磨性的基础上，具有更高的冲击韧性，很高的抗弯强度，可更好的满足用户需求。

本发明钢与现有Cr12型冷作模具钢相比，钢降低Cr含量，使材料具有更高的韧性。和Cr8型冷作模具钢相比，增加Cr含量，增加耐磨性，并通过合理的控制C/Cr比，有效地对共晶碳化物进行控制，使其具有更优异的碳化物分布状态，达到提高韧性的目的。采用较高含量Si和Mn合金化，增加硬度和耐磨性，通过Nb+V复合，更好的发挥V的效用，并细化晶粒，提高冲击韧性，满足用户需求。

本发明钢具有比Cr12型冷作模具钢和Cr8型冷作模具钢更佳的耐磨性和韧性匹配，具有优异的综合性能。

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4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20mm棒材。钢材退火后，加工成试样，经淬、回火处理(1000～1150℃淬火，200～600℃(回火)，其室温力学性能见表2～6。

本发明钢具有在保持高硬度的前提下，具有更好的韧性。

1.发明钢1#、2#、3#比对比钢具有更低的成本。(见表1)

2.发明钢4#比对比钢具有高的淬火硬度、回火硬度以及二次硬化效果。(见表2，3，4)

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二次硬化效果。(见表3，4)

4.经相同温度淬火，520～560℃回火后，发明钢1#、2#、3#具有比Cr8型钢和Cr12型钢更好的冲击韧性，能够更好的满足模具钢更高韧性使用要求。(见表5)

5.经相同温度淬火，不同温度回火后，发明钢1#、2#、3#具有比Cr8型钢6#和Cr12型钢更好的冲击韧性。(见表6)

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1030℃淬火不同温度回火的硬度值

表4实施例与对比钢1050℃淬火不同温度回火的硬度值

表5实施例与对比钢冲击吸收功值

表6实施例与对比钢抗弯强度值

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。

Claims

1.一种高韧性高耐磨冷作模具钢，其特征在于，该钢的具体化学成分重量％为：C：0.8～1.5％，Si：0.5～1.5％，S：≤0.030％，P：≤0.030％，Mn：≤1.5％，Mo：0.8～2.5％，Cr：8.0～11.0％，V：0.1～1.0％，Nb：≤1.0％，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，其特征在于，还满足C/Cr的含量为0.073＜C/Cr＜0.1875。