CN105648359B - 一种耐磨冷作模具钢及应用及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨冷作模具钢及应用及制备方法，该模具钢成份组成按重量百分比如下：碳1.4‑1.6％，铬16‑19％，铌0.05‑0.1％，硅0.5‑0.6％，镍0.8‑1.2％，钼0.7‑1.0％，锰0.5‑0.7％，钒0.6‑0.8％，硼0.003‑0.005％，硫≤0.03％，磷≤0.03％，其余为铁，适量的铌和硼的加入，形成的碳化物较为坚硬，使得模具钢的屈服强度得到提高，热处理后的硬度和淬硬层提高，同时增加了钢的韧性，最后采用该模具钢制成的直缝焊管弯型钢轧辊模具，不仅有效保证了材料的各项机械性能，而且避免了锻造或其他切削，大大提高了材料的利用率，降低了生产能耗。

Description

一种耐磨冷作模具钢及应用及制备方法

技术领域

本发明涉及模具钢，具体涉及一种耐磨冷作模具钢及应用及制备方法。

背景技术

现有的冷作模具，屈服强度不够，通常达不到焊管和冷弯型钢生产机组中对轧辊的要求，而轧辊控制着由带钢到钢管、型钢的整个变形工艺过程，是变形的主要工具，它是决定产品质量、原材料消耗和生产率高低的重要因素，其质量的高低就显得尤为突出。

根据轧辊工作性能的特点，其质量是否可靠表现在以下几个方面：

①合理的孔型设计能够最省时、省力的生产出用户所要求的管型和尺寸可以称其为是一套好的模具，这个的前提就是模具的孔型要符合带钢本身的特点和机组的排列架次，好的孔型是成功的第一步；

②模具加工精度轧辊的加工精度在轧辊的制作过程起决定性的作用，它包括内孔和端面的垂直度、型腔和内孔的同轴度、端面的平行度、键槽的对称度以及工作面的光洁度等等，要保证以上的加工精度，必须采取先进的数控加工设备。

③材料及自身性能轧辊具体的工作环境要求模具应具备高强度、高硬度、良好的耐磨性能以及抗咬合能力，这就要求选用优质的合金模具钢，并采用先进的热处理工艺来保证。

目前国内制造轧辊的材料和热处理方式大致可分为三类：

一种是高碳低铬轴承钢GCr15，采用860℃水淬油冷，硬度可达HRC58-62，但内应力难消除，开裂现象时有发生，且淬硬层深度只有3—5mm，在模具正常磨损修复后，工作层几乎被修磨掉，致使耐磨度达不到使用要求，但由于其成本比较低，较为普遍的应用于小批量、低附加值的焊管生产。

另一种是高碳高铬冷作模具钢Cr12，采用960℃油淬油冷，产品硬度可达HRC58-62，且淬透性很强，淬火后具有高的耐磨性、变形量小等优点，适用于小体积的普通模具的生产，由于它含碳量为2.0-2.3％，含Cr量11.0％-13.0％，易形成碳化物分布不均匀，网状碳化物和碳化物偏析等不良组织，不适用与大体积的模具的生产。

第三种是优质冷作模具钢Cr12Mo1V1(美标D2，日标SKD11)，1020℃油淬油冷，产品基体硬度高且均匀，韧性好，因此适用于高精度、高强钢不锈钢焊管的生产，但其成本较高，锻造及热处理工艺难以控制，在国内还无法大批量的使用。

综上三种无论选用哪种材料都存在三大难题，一是高耗能，以上材料均需要经过锻造才能保证模具的各项机械性能，从原材料冶炼到锻成坯料，需要冶炼及退火等反复加热多达8-10次，能耗大；二是原材料利用率低，从锻坯加工成成品模具一般平均利用率50％，原材料成本高。三是，因锻造工序和切削量大造成加工周期长。

通过以上对不同材料的分析发现：轧辊模具常用选材无法回避遇到耐磨性不好、使用寿命低、高耗能、成本高等不利因素，此类难题急待解决，由轧辊模具对材料的需求，可以认识到一些其他材料同样对耐磨冷作模具钢希望有更好的机械性能，以更好的节约生产成本等。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐磨冷作模具钢及其制备方法，该模具钢具有高耐磨性、淬火后硬度高、淬硬层深、耐磨性好、使用寿命长，材料利用率高，适用于制造焊管模具及冷弯型钢轧辊模具，尤其适用于体积大的辊压模具。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种耐磨冷作模具钢，成份组成按重量百分比如下：碳1.4-1.6％，铬16-19％，铌0.05-0.1％，硅0.5-0.6％，镍0.8-1.2％，钼0.7-1.0％，锰0.5-0.7％，钒0.6-0.8％，硼0.003-0.005％，硫≤0.03，磷≤0.03，其余为铁。成份中的碳和铬的占比较高，属于高碳高铬钢，热处理后易形成硬而耐磨的碳化物，钼和钒改善钢中的铸造组织，细化了晶粒，改善碳化物形貌，而且有更高的耐回火性；加入适量的镍，防止模具工作中生热造成热疲劳的现象，铌和硼的加入，能形成坚硬的碳化物，使钢的屈服强度得到提高，热处理后的硬度和淬硬层提高，同时增加了钢的韧性，使得最后成型的模具钢适合大体积的直缝焊管弯型钢轧辊的制造。

进一步地，成份组成按重量百分比如下：碳1.4-1.5％，铬16-18％，铌0.05-0.08％，硅0.5-0.6％，镍0.8-1.0％，钼0.7-0.9％，锰0.5-0.6％，钒0.6-0.7％，硼0.002-0.004％，硫≤0.03％，磷≤0.03％，其余为铁。

进一步地，碳1.4％，铬16％，铌0.05％，硅0.5％，镍0.8％，钼0.7％，锰0.5％，钒0.6％，硼0.002％，硫≤0.03％，磷≤0.03％，其余为铁。

所述的模具钢的应用，应用于直缝焊管弯型钢轧辊模具。

制备所述模具钢的方法，步骤如下：

1)将铁、碳、硅、锰、铬、钼、钒、镍按所述的百分比于设定温度下冶炼设定时间；

2)对步骤1)冶炼后的物质进行搅拌；

3)向步骤2)中加入铌、硼，在设定温度下进行精炼，成初级钢水；

4)将步骤3)中的初级钢水在真空条件下脱气，得到纯净钢水；

5)将纯净钢水浇铸到预先做好的消失模中，在消失模外的保温箱冷却至设定温度后，开箱得到坯件；

6)将坯件球化退火，取出冷却至室温，去掉冒口即得铸坯。

进一步地，所述步骤1)中铁、碳、硅、锰、铬、钼、钒、镍按百分比在1500-1600℃下进行冶炼5～6小时。

进一步地，所述步骤2)中搅拌的同时吹入惰性气体氩气，使合金成分及温度均匀，促使夹杂物上浮，起到净化钢水的作用。

进一步地，所述步骤3)中在1500-1600℃下精炼2小时。

进一步地，所述步骤4)中将初级钢水在1500-1600℃，60～80pa下真空脱气15～20min。

进一步地，所述步骤6)中坯件在850—860℃球化退火24—36小时。

本发明的有益效果是：

采用改进的重量百分比配比方案，尤其是适量的铌和硼的加入，形成的碳化物较为坚硬，使得模具钢的屈服强度得到提高，热处理后的硬度和淬硬层提高，同时增加了钢的韧性，最后采用该模具钢制成的直缝焊管弯型钢轧辊模具，不仅有效保证了材料的各项机械性能，而且避免了锻造或其他切削，大大提高了材料的利用率，降低了生产能耗。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例1

一种耐磨冷作模具钢，成份组成按重量百分比如下：碳1.4％，铬16％，铌0.05％，硅0.5％，镍0.8％，钼0.7％，锰0.5％，钒0.6％，硼0.002％，硫≤0.03％，磷≤0.03％，其余为铁，碳含量的优选范围依据为足够的碳与钒及Nb等元素反应生成MC碳化物，同时避免过多的碳固溶于基体使残余奥氏体的量增加；钒是用于形成MC碳化物的主要元素。

铌能起到细化碳化物的作用，铌含量上限的设定主要在于避免NbC在钢液中形成，相比不含铌的MC碳化物，前者形核率更高，促使形成更为细小的碳化物；铬的作用在于固溶于MC碳化物，提高MC碳化物的稳定性，促使更多MC碳化物析；硅主要是作为一种脱氧剂和基体强化元素来使用的，锰同样是作为脱氧剂加入的，可以减少热脆性，同事增加淬透性。

制备所述模具钢的方法，步骤如下：

1)将铁、碳、硅、锰、铬、钼、钒、镍按所述的百分比于1500摄氏度温度下冶炼6小时；

2)对步骤1)冶炼后的物质进行搅拌，搅拌的同时吹入惰性气体氩气，使合金成分及温度均匀；

3)向步骤2)中加入铌、硼，在1600摄氏度温度下进行精炼2小时，成初级钢水；

4)将步骤3)中的初级钢水在1500摄氏度，80pa的真空条件下脱气，得到纯净钢水；

5)将纯净钢水浇铸到预先做好的消失模中，在消失模外的保温箱冷却至300摄氏度以下时，开箱得到坯件；

6)将坯件850摄氏度球化退火24小时，取出冷却至室温，去掉冒口即得铸坯。

采用上述的配比以及方法制造模具钢后，所得材料ZCr18NbV相比于其他材料的特性分析表如下：

表1 ZCr18NbV冷作模具钢和其他常用模具钢各项性能比较

综上所述，ZCr18NbV冷作模具钢具有优良的耐磨性和硬度等机械性能，又大幅提高原材料利用率，使得它更适用于制作高频焊管和冷弯型钢轧辊模具。

实施例2

一种耐磨冷作模具钢，成份组成按重量百分比如下：碳1.6％，铬19％，铌0.06％，硅0.5％，镍0.9％，钼0.8％，锰0.7％，钒0.08％，硼0.004％，硫≤0.03，磷≤0.03，其余为铁。

制备所述模具钢的方法，步骤如下：

1)将铁、碳、硅、锰、铬、钼、钒、镍按所述的百分比于1550摄氏度温度下冶炼5小时；

2)对步骤1)冶炼后的物质进行搅拌，搅拌的同时吹入惰性气体氩气，使合金成分及温度均匀；

3)向步骤2)中加入铌、硼，在1600摄氏度温度下进行精炼2小时，成初级钢水；

4)将步骤3)中的初级钢水在1500摄氏度，60pa的真空条件下脱气，得到纯净钢水；

5)将纯净钢水浇铸到预先做好的消失模中，在消失模外的保温箱冷却至300摄氏度以下时，开箱得到坯件；

6)将坯件856摄氏度球化退火30小时，取出冷却至室温，去掉冒口即得铸坯。

实验表明，由本实施例所做的模具钢性能较好于现有材料，能满足生产需求。

实施例3

一种耐磨冷作模具钢，成份组成按重量百分比如下：碳1.4％，铬19％，铌0.09％，硅0.5％，镍1.0％，钼0.8％，锰0.7％，钒0.8％，硼0.005％，硫≤0.03，磷≤0.03，其余为铁。

制备所述模具钢的方法，步骤如下：

1)将铁、碳、硅、锰、铬、钼、钒、镍按所述的百分比于1600摄氏度温度下冶炼5小时；

2)对步骤1)冶炼后的物质进行搅拌，搅拌的同时吹入惰性气体氩气，使合金成分及温度均匀；

3)向步骤2)中加入铌、硼，在1600摄氏度温度下进行精炼2小时，成初级钢水；

4)将步骤3)中的初级钢水在1500摄氏度，80pa的真空条件下脱气，得到纯净钢水；

5)将纯净钢水浇铸到预先做好的消失模中，在消失模外的保温箱冷却至300摄氏度以下时，开箱得到坯件；

6)将坯件860摄氏度球化退火36小时，取出冷却至室温，去掉冒口即得铸坯。

实验表明，由本实施例所做的模具钢性能较好于现有材料，能满足生产需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.制备一种耐磨冷作模具钢的方法，所述耐磨冷作模具钢，成份组成按重量百分比如下：碳1.4-1.6%，铬16-19%，铌0.05-0.1%，硅0.5-0.6%，镍0.8-1.2%，钼0.7-1.0%，锰0.5-0.7%，钒0.6-0.8% ，硼0.003-0.005%，硫≤0.03%，磷≤0.03%，其余为铁；

其特征在于，步骤如下：

1）将铁、碳、硅、锰、铬、钼、钒、镍按百分比于设定温度下冶炼设定时间；

2）对步骤1）冶炼后的物质进行搅拌；

3）向步骤2）中加入铌、硼，在设定温度下进行精炼，成初级钢水；

4）将步骤3）中的初级钢水在真空条件下脱气，得到纯净钢水；

5）将纯净钢水浇铸到预先做好的消失模中，在消失模外的保温箱冷却至设定温度后，开箱得到坯件；

6）将坯件球化退火，取出冷却至室温，去掉冒口即得铸坯；

所述步骤1）中铁、碳、硅、锰、铬、钼、钒、镍按百分比在1500-1600℃下进行冶炼5~6小时；

所述步骤2）搅拌的同时吹入氩气；

所述步骤4）中将初级钢水在1500-1600℃，60~80Pa下真空脱气15~20min。

2.如权利要求1所述的制备一种耐磨冷作模具钢的方法，其特征在于，所述步骤3）中在1500-1600℃下精炼2小时。

3.如权利要求2所述的制备一种耐磨冷作模具钢的方法，其特征在于，所述步骤6）中坯件在850—860°C球化退火24—36小时。

4.如权利要求1所述的制备一种耐磨冷作模具钢的方法，其特征在于，所述耐磨冷作模具钢，成份组成按重量百分比如下：碳1.4-1.5%，铬16-18%，铌0.05-0.08%，硅0.5-0.6%，镍0.8-1.0%，钼0.7-0.9%，锰0.5-0.6%，钒0.6-0.7%，硼0.002-0.004%，硫≤0.03%，磷≤0.03%，其余为铁。

5.如权利要求1或4所述的制备一种耐磨冷作模具钢的方法，其特征在于，所述耐磨冷作模具钢，成份组成按重量百分比如下：碳1.4%，铬16%，铌0.05%，硅0.5%，镍0.8%，钼0.7%，锰0.5%，钒0.6%，硼0.003%，硫≤0.03%，磷≤0.03%，其余为铁。