CN104805362A - 含铝中合金铸造冷作模具钢 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼具高强韧和高耐磨的含铝中合金铸造冷作模具钢，其化学成分按重量百分比为：C0.50～0.65，Si0.90～1.20，Mn0.60～0.90，Al0.70～1.20，Cr4.50～5.50,Mo0.74～0.84，V0.70～0.80，S＜0.02，P＜0.025，余量为Fe。本发明含铝中合金铸造冷作模具钢与现有技术相比的优点是：其合金总含量较低，从原材料上降低了模具钢的生产成本；其所需的退火保温时间大大缩短，提高了铸造合金模具钢的生产效率；具有能够和高合金冷作模具钢相媲美的硬度值，同时比铸造高合金冷作模具钢具有更高的强度和塑性。

Description

含铝中合金铸造冷作模具钢

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种铝合金化中合金铸造冷作模具钢。

背景技术

拉延模具是使金属薄板在凸模和凹模之间被拉伸变形，形成与凸模形状近似的杯状工件。拉延模具主要要求抗磨损与防粘着性能。用于生产汽车大型覆盖件板材的拉延模具在服役的过程中承受着较大的冲击力，在高摩擦，高的循环载荷等复杂的工况下工作。因此要求模具钢材料具有高硬度，高的抗拉强度，高的耐磨性，高韧性，良好的尺寸稳定性，较低的变形性等机械性能的良好配合。

目前，国内外用于生产车辆大型覆盖件的模具的材料主要分为三类：(1)空淬冷作模具钢，例如，Cr5Mo1V，Cr6WV等。这类钢的主要特点是空冷淬透性较好，热处理变形较小，适用于既要求耐磨性又具备一定韧性的模具。然而，这类钢基本属于过共析钢或莱氏体钢，钢液凝固时产生合金元素的偏析区，构成枝晶间包有碳化物的粗晶结构，因此必须通过锻造工艺改善其性能，才能得以应用，生产成本较高。(2)高碳高铬冷作模具钢，例如，Cr12MoV，Cr12，Cr12Mo1V1等。这类钢的主要特点是具有高的耐磨性，并且具有变形小的特性。这些钢都属于莱氏体钢，在铸态时存在鱼骨状共晶碳化物，虽然在锻轧工艺中鱼骨状共晶碳化物被破碎，但在钢中还存在不均匀分布，导致模具的各项异性。另外，高的合金元素含量是模具的生产成本大大增加。(3)高韧性高耐磨冷作模具钢，例如，7Cr7Mo2V2Si，这类钢的合金总量在12％左右，属于高合金钢，兼具高的耐磨性和韧性。然而，7Cr7Mo2V2Si钢的脱碳敏感性较大，对热处理工艺较高。

上述三类模具钢均属于高碳合金钢，这类钢存在的共性问题是其铸态组织均为枝晶间包有碳化物的粗晶结构，这种组织的极大的削弱了钢的铸态机械性能，因此必须通过锻轧工艺来改善钢中碳化物的分布，从而改善钢的使用性能。但是，用于生产车辆大型覆盖件板材的模具形状复杂或是尺寸较大。通过锻造工艺获得形状复杂，尺寸较大的模具非常困难，而且生产成本较高。然而，在高碳铸钢中由于合金元素的偏聚，大块的共晶碳化物和一次碳化物沿晶界分布，极大的削弱了铸造模具钢钢的机械性能。这极大的限制了铸造冷作模具钢在汽车模具市场中的应用。因此，模具市场迫切需要一种兼具有较高耐磨性和强韧性，同时生产成本较低，制作周期较短的铸造模具材料。

发明内容

本发明的目的是为克服现有铸造冷作模具钢存在的问题，提供一种具有较高耐磨性和强韧性，同时生产成本低，易加工的含铝中合金铸造冷作模具钢。

本发明含铝中合金铸造冷作模具钢，由以下组元质量百分比组成：C 0.50～0.65，Si0.90～1.20，Mn 0.60～0.90，Al 0.70～1.20，Cr 4.50～5.50,Mo 0.74～0.84，V 0.70～0.80，S<0.020，P<0.025，余量为Fe。

本发明的主要化学成分选择依据是：

(1)碳：C在模具钢中的作用主要：一是在二次硬化温度回火析出纳米级合金碳化物，通过析出强化提高钢的强度与硬度。二是固溶强化，获得高的其力学性能。但是过多的碳加入，导致大量的块状共晶碳化物或一次碳化物在晶界形成或析出，从而极大的削弱模具钢的机械性能。

(2)硅：在回火过程中，硅推迟ε-θ的转变，并能充分减小渗碳体在回火过程中的长大速率，硅原子从θ相析出而在θ相周围形成硅原子的富集区，抑制θ相的长大粗化；另外，硅能有效提高模具钢的抗回火软化能力。

(3)锰：Mn改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与S有较大的亲和力，可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS，而以具有一定塑性的MnS存在。Mn溶入奥氏体中能强烈增加钢的淬透性，同时强烈降低钢的Ms点。

(4)铬：Cr元素对模具钢的淬透性，耐磨损性，硬度和强度都有有利的作用。在模具钢中，铬一部分溶于钢中起固溶强化的作用，另一部分与碳结合，形成合金碳化物，从而影响钢的性能。

(5)钼：Mo是作为是模具钢具有二次硬化的主要合金元素加入的，Mo可与C形成Mo₂C和(MoV)C碳化物。具有密排六方的Mo₂C在马氏体板条内，亚晶界上以平行的细针状析出，从而有利于提高钢的硬度和强度。

(6)钒：V能够有效阻碍奥氏体晶粒的长大，它与C的亲和力强，形成具有FCC结构的VC碳化物，其在钢内有利于耐磨性提高。同时，增加钢的回火稳定性和二次硬化效应。

(7)铝：Al能够降低C在奥氏体中的活度和扩散系数，因此能够抑制初生合金碳化物的析出，有利于钢韧性的提高。Al和N具有很强的亲和力，在凝固冷却的过程中能够形成AlN相，能够起到细化奥氏体晶粒的作用。Al固溶于α—Fe中，能够起到固溶强化的作用。另外，Al脱氧能力很强，较高Al含量能减少磷的有害作用。

(8)硫：S在模具钢中为有害元素，必须控制其含量。

(9)磷：P在模具钢中为有害元素，必须控制其含量。

本发明的含铝中合金铸造模具钢的制备及后处理工艺：

(1)以生铁、废钢、铬铁、钼铁、钒铁、锰铁和硅铁为原料，根据设计成分及炉中各元素的烧损情况调整炉料组成，放入中频感应电炉中熔炼，熔炼温度为1640～1680℃，待其完全融化后，将其表面炉渣清除，出炉前加入纯铝丝进行合金化；

(2)温度在1600～1650℃出炉，钢水包内纯铝脱氧；

(3)采用砂型铸造，浇注温度为1560～1580℃；

(4)铸件冷至200℃，开箱落砂，清理飞边，毛刺；

(5)对铸件进行等温球化退火处理：将铸件放入热处理炉中，随炉升温至860℃，保温2h，然后让铸件随炉冷却，待温度降至760℃，再保温2.5h,最后停炉，让铸件随炉冷却至300℃后，出炉空冷；

(6)对铸件进行淬火处理：将铸件放入800℃的炉子中预热10min,然后再放入1040℃的高温炉中，待温度稳定后，保温30min,最后取出铸件空淬冷却至室温；

(7)对铸件进行回火处理：将铸件放入520℃的炉子中，待温度稳定后，保温2h，最后取出铸件空冷至室温。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明的含铝中合金铸造冷作模具钢在等温球化退火过程中所需的保温时间为2.5h，与现有铸造冷作模具钢所需的退火时间4h相比，模具钢的退火热处理工艺周期缩短了30％以上，降低了模具的生产成本。

2、本发明的含铝中合金铸造冷作模具钢具有比现使用的冷作模具钢较低的含碳量与合金元素含量，淬火后一次碳化物含量降低，有利于提高钢的韧性。适量的Mo和V元素的加入，充分发挥了中碳中合金钢二次硬化的特点，具有能够和高碳冷作模具钢相媲美的硬度值。有利于钢耐磨性的提高。Al元素在铸造合金模具钢中具有固溶强化、细晶强化、沉淀强化和净化钢液的效果，改善了一次碳化物的析出状况，因而具有比铸造高合金冷作模具钢更高的强度和塑性。

3、当本发明中合金冷作模具钢的铝含量达到1.2wt.％时,其金相组织为适量的铁素体分布在高强度的马氏体之间，此种组织构成显著提高了钢材的强度及塑性，同时并没有降低钢材的硬度。

因此，本发明的含铝中合金冷作模具钢是制造在中等冲击、耐磨，高强度工况下使用的冷作模具的理想材料。

附图说明

图1是实施例1制备的本发明铸造冷作模具钢试块的热处理后的金相组织照片；

图2是实施例2制备的本发明铸造冷作模具钢试块的热处理后的金相组织照片；

图3是实施例3制备的本发明铸造冷作模具钢试块的热处理后的金相组织照片。

具体实施方式

通过以下实施例对本发明铸造冷作模具钢及其制备作进一步阐述。

实施例1

一种含铝中合金铸造冷作模具钢试样的制备工艺包括以下步骤：

(1)按表一所列设定的合金组分，将计量的生铁、废钢、铬铁、钼铁、钒铁、锰铁和硅铁放入5kg的中频感应电炉中熔炼，根据炉中各元素的烧损情况，调整炉料组成，熔炼温度为1640-1680℃，待其完全融化后，将其表面炉渣清除，出炉前按质量百分数加入0.7％的纯铝丝进行合金化；

(2)温度升至1640℃出炉，包内纯铝脱氧；

(3)采用砂型铸造，浇注成5kg的Y型试块，浇注温度为1580℃；

(4)铸件冷却至200℃左右，开箱落砂，清理飞边，毛刺

(5)对铸件进行等温球化退火处理：将铸件放入热处理炉中，随炉升温至860℃，保温2h，然后让铸件随炉冷却，待温度降至760℃，再保温2.5h,最后停炉，让铸件随炉冷却至300℃后，出炉空冷；

(6)对铸件进行淬火处理：将铸件放入800℃的炉子中预热10min,然后再放入1040℃的高温炉中，待温度稳定后，保温30min,最后取出铸件空淬冷却至室温；

(7)对铸件进行回火处理：将铸件放入520℃的炉子中，待温度稳定后，保温2h，最后取出铸件空冷至室温。

对该试样进行化学成分，显微组织和机械性能检测分析结果如下：

本发明的铸造冷作模具钢其特征在于热处理后的金相组织具有较少的一次碳化物，大量的纳米或亚微米级的二次碳化物分布在回火板条马氏体中的高强韧高耐磨铸造模具钢。如图1所示。

本实施例所制备的试块的化学成分和机械性能结果如表一所示。

表一

实施例2

一种铝合金化中合金铸造冷作模具钢试样的制备工艺包括以下步骤：

(1)按表二所列设定的合金组分，将计量的生铁、废钢、铬铁、钼铁、钒铁、锰铁和硅铁放入5kg的中频感应电炉中熔炼，根据炉中各元素的烧损情况，调整炉料组成，熔炼温度为1640-1680℃，待其完全融化后，将其表面炉渣清除，出炉前按质量百分数加入1.0％的纯铝丝进行合金化；

(2)温度升至1645℃出炉，包内纯铝脱氧；

(3)采用砂型铸造，浇注成5kg的Y型试块，浇注温度为1580℃；

(4)铸件冷却200℃左右，开箱落砂，清理飞边，毛刺；

(5)对铸件进行等温球化退火处理：将铸件放入热处理炉中，随炉升温至860℃，保温2h，然后让铸件随炉冷却，待温度降至760℃，再保温2.5h,最后停炉，让铸件随炉冷却至300℃后，出炉空冷；

(6)对铸件进行淬火处理：将铸件放入800℃的炉子中预热10min,然后再放入1040℃的高温炉中，待温度稳定后，保温30min,最后取出铸件空淬冷却至室温；

(7)对铸件进行回火处理：将铸件放入520℃的炉子中，待温度稳定后，保温2h，最后取出铸件空冷至室温。

对试样进行化学成分，显微组织和机械性能检测分析结果如下；

本发明的铸造冷作模具钢其特征在于具有较少的一次碳化物，大量的纳米或亚微米级的二次碳化物分布在回火板条马氏体中的高强韧高耐磨铸造模具钢。如图2所示。

本实施例所制备的试块的化学成分和机械性能结果如表二所示。

表二

实施例3

一种铝合金化中合金铸造冷作模具钢的制备工艺包括以下步骤：

(1)按表三所列设定的合金组分，将计量的生铁、废钢、铬铁、钼铁、钒铁、锰铁和硅铁放入5kg的中频感应电炉中熔炼，根据炉中各元素的烧损情况，调整炉料组成，熔炼温度为1640-1680℃，待其完全融化后，将其表面炉渣清除，出炉前按质量百分数加入1.2％的纯铝丝进行合金化；

(2)温度升至1640℃出炉，包内纯铝脱氧；

(3)采用砂型铸造，浇注成5kg的Y型试块，浇注温度为1580℃；

(4)铸件冷却200℃左右，开箱落砂，清理飞边，毛刺；

(5)对铸件进行等温球化退火处理：将铸件放入热处理炉中，随炉升温至860℃，保温2h，然后让铸件随炉冷却，待温度降至760℃，再保温2.5h,最后停炉，让铸件随炉冷却至300℃后，出炉空冷；

(6)对铸件进行淬火处理：将铸件放入800℃的炉子中预热10min,然后再放入1040℃的高温炉中，待温度稳定后，保温30min,最后取出铸件空淬冷却至室温；

(7)对铸件进行回火处理：将铸件放入520℃的炉子中，待温度稳定后，保温2h，最后取出铸件空冷至室温；

对试样进行化学成分，显微组织和机械性能检测分析结果如下：

本发明的铸造冷作模具钢其特征在于具有较少的一次碳化物，适量的铁素体分布在高强度的马氏体之间的高强韧高耐磨铸造模具钢。如图3所示。

本实施例所制备的试块的化学成分和机械性能结果如表三所示。

表三

Claims (3)

1.一种含铝中合金铸造冷作模具钢，其特征在于由以下组元质量百分比组成：C0.50～0.65，Si 0.90～1.20，Mn 0.60～0.90，Al 0.70～1.20，Cr 4.50～5.50,Mo 0.74～0.84，V 0.70～0.80，S<0.020，P<0.025，余量为Fe。

2.一种权利要求1所述的含铝中合金铸造冷作模具钢的制备方法，其特征在于：以生铁、废钢、铬铁、钼铁、钒铁、锰铁和硅铁为原材料，根据权利要求1所述的组元质量百分比配料，采用中频感应电炉熔炼，熔炼温度为1640～1680℃，待其完全融化、清渣后按计量配比加入纯铝进行合金化，钢水出炉温度为1600～1650℃，钢水包内纯铝脱氧；采用砂型铸造，浇注温度为1560～1580℃。

3.根据权利要求2所述的含铝中合金铸造冷作模具钢的制备方法，其特征在于，所述出炉前的加入纯铝进行合金化，采用直径为长度为100mm的纯铝丝作为原材料。