CN109628833A - 一种Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢及其制备方法 - Google Patents

一种Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种Cr‑Mo‑Si‑V系冷作模具钢及其制备方法，钢组分及重量百分比为：C：0.85～1.65％，Si：0.80～1.10％，Mn：0.30～0.60％，P＜0.0050％，S＜0.0050％，Mo：1.60～3.20％，Cr：7.00～14.00％，V：0.15～0.55％，余量为Fe及其他不可避免杂质。制法为：原料经冶炼、浇铸和锻造形成锻坯并冷却，控制相应的升温速率，进行两次升温处理，完成一次预处理后，控制相应的升温速率和冷却速率，再次进行一次升温处理和两次降温处理后，完成二次预处理，之后经淬回火制得冷作模具钢。本发明方法生产成本低、无污染、易操作，通过两次预处理过程显著提高碳化物球化效果和降低硬度，满足下一步热处理要求等优点。

Description

一种Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢及其制备方法
技术领域：
本发明属于冶金材料技术领域，具体涉及一种Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢及其制备方法。
背景技术：
Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢中含有较高的C、Cr、Mo等元素，铁碳相图里共析点E左移，凝固过程中的莱氏体共晶碳化物产生严重的枝晶偏析。大块不规则的莱氏体碳化物在后续的热处理过程若不能弥散均匀分布将会在钢中产生局部应力集中而萌生裂纹，应力的作用使裂纹快速扩展造成模具过早开裂而失效。经锻造或轧制热加工后的冷作模具钢中仍存在沿变形方向分布不均匀且尺寸不等莱氏体碳化物；钢中存在的大颗粒碳化物或碳化物分布不均匀严重时降低钢的力学性能，并导致模具在热处理过程中出现变形、开裂等质量问题。因此，预处理过程中如何有效控制莱氏体碳化物的形状、大小及分布为热处理提供良好的组织成为了冷作模具钢研究的重点。
目前，关于冷作模具钢预处理采用的工艺一般为常规的退火工艺。刘红燕在《铸造技术》上于2016年(Vol.24，no.6，p1123-1125)上发表“热处理对冷作模具钢组织与性能的影响”，提出1.52C-3.68Cr-8.6W-5.61Mo冷作模具钢的退火处理工艺为：900℃×2h+炉冷至600℃，然后出炉空冷，在高倍扫描电镜下的退火态组织如图1所示，存在明显的大块碳化物未球化，没有达到预处理让碳化物弥散均匀分布的效果。2014年张力伟在《铸造技术》(Vol.35，no.12，p2889-2891)上刊文“热处理对模具钢Cr12Mo1V1组织和性能的影响”，对Cr12Mo1V1冷作模具钢采用的球化工艺为：860℃×2h+760℃×5h，退火后显微组织为网状共晶碳化物和粒状珠光体(如图2所示)，其中共晶碳化物的数量较多、尺寸较大。
发明内容：
本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢及其制备方法，得到细小弥散分布的碳化物，减少网状共晶碳化物的比例，降低显微组织的硬度，为淬火和回火提供良好的组织，以制备组织性能更好的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢，包括组分及重量百分比为：C：0.85～1.65％，Si：0.80～1.10％，Mn：0.30～0.60％，P＜0.0050％，S＜0.0050％，Mo：1.60～3.20％，Cr：7.00～14.00％，V：0.15～0.55％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。
所述的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢锻坯制备：
按Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢成分配比，取原料进行冶炼、浇铸和锻造，形成锻坯，所述的锻坯温度为800～900℃；
步骤2，冷却：
将锻造后温度为800～900℃的锻坯空冷至400～500℃，然后石棉包裹冷却至室温，以防锻坯出现裂纹；
步骤3，第一阶段预处理：
(1)将锻坯放入热处理炉中，控制炉内升温速率为6～10℃/min，使炉内温度升高至450～550℃，保温0.5～1h，使锻坯温度均匀；
(2)再次控制炉内升温速率为6～10℃/min，使炉内温度升高至900～1000℃，保温2～3h，将锻坯从炉内取出，冷却至室温，冷速为100～120℃/min，完成第一阶段预处理；
所述的步骤3(2)中，冷却方式为风机快冷，风量为5～10m3/min。
步骤4，第二阶段预处理：
(1)将第一阶段预处理后锻坯放入到热处理炉中，控制加热速度为4～7℃/min，使锻坯加热到840～880℃，保温3～5h；
(2)控制炉内冷却速率为3～5℃/min，使锻坯在热处理炉内冷却至740～760℃，保温4.5～9h；
(3)再次控制炉内冷却速率为3～5℃/min，使锻坯在热处理炉内冷却至500～550℃，将锻坯出炉进行空冷，完成第二阶段预处理；
步骤5，淬回火热处理：
将第二阶段预处理后锻坯经淬回火热处理后，制得Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢。
所述的步骤1中，冶炼、浇铸和锻造过程为：
(1)将原料按照配比放入真空度为0.5×10-2～0.6×10-2Pa的高频真空感应加热炉，加热至1500～1600℃，待原料融化为钢液后，冶炼5～8min，通入惰性气体；
(2)将钢液浇铸到砂型模中，脱模并清洁钢锭表面；
(3)将钢锭加热至1160～1180℃，保温3～5h后，放在12MN自由锻造液压机上进行先镦粗后拔长的锻造，始锻温度为1000～1150℃，锻造比为6～8，终锻温度≥900℃。
所述的步骤1(1)中，惰性气体为高纯氩气。
所述的步骤1(3)中，加热至1160～1180℃，保温3～5h，目的在于：通过高温扩散减少铸态组织中枝晶偏析、成份分布不均匀的现象；始锻温度1000～1150℃，终锻温度≥900℃，目的在于：减少锻造变形过程中的变形抗力，保证在整个锻造过程中发生动态再结晶；锻造比为6～8，目的在于：保证击碎组织中粗大的共晶碳化物和尺寸较大的晶粒，确保锻件消除碳化物引起的枝晶偏析和保留再结晶的显微组织。
所述的步骤3(2)中，炉内温度升高至900～1000℃，保温2～3h，目的是保证组织中的碳化物可以充分地溶入基体，为冷却过程弥散析出做准备；控制冷速为100～120℃/min，目的是细化晶粒、使碳化物分布更为均匀，提高锻坯的韧性。
所述的步骤3(1)和(2)中，炉内升温速率为6～10℃/min，目的是消除升温过程中的温度差梯度。
所述的步骤3(1)和(2)中，在加热和保温过程中，向炉内通入保护气，保证炉内为无氧气氛，所述的保护气为惰性气体等气体，具体可采用高纯氩气，当通入高纯氩气时，气体流量为0.5～1.5L/min。
所述的步骤4(1)中，锻坯加热到840～880℃，保温3～5h，目的是获得成分并不均匀且含有未溶碳化物核心的奥氏体，以提高后续碳化物的球化效果。
所述的步骤4(2)中，冷却至740～760℃，保温4.5～9h，目的是使二次碳化物在珠光体转变区快速呈球状均匀分布在铁素体基体上。
所述的步骤4(3)中，第二阶段预处理后锻坯组织比例为：粒状珠光体92％～98％，共晶碳化物2％～8％，第二阶段预处理后锻坯洛氏硬度为21.7～24.5HRC。
所述的步骤5中，淬回火热处理具体过程为：将预处理后锻坯在1050～1100℃，保温40～80min后油淬；淬火得到的锻坯在200～300℃，保温60～120min后，出炉空冷，完成锻坯的热处理。
本发明的有益效果：
(1)本发明的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢与市场上Cr12类冷作模具钢相比，成分设计上合金元素含量减少，生产成本降低。
(2)本发明的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢的制备方法过程中锻坯的预处理方法与常规退火预处理工艺相比较，显著提高了碳化物的球化效果和弥散分布的状态，锻态组织中长条大块状共晶碳化物经预处理尖端钝化、逐渐熔断趋于球形且比例减少，这大幅度降低了淬火热处理中Cr-Mo-Si-V系冷模具钢开裂的倾向。
(3)本发明的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢的制备方法过程中经预处理后，平均直径约为0.4～0.7μm的二次粒状碳化物弥散分布在铁素体基体上且不存在锻造变形遗留下的偏析痕迹，洛氏硬度从锻态的38.74HRC降至预处理之后的21.7～24.5HRC，满足了下一步热处理的要求。
(4)本发明的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢的制备方法过程中整个预处理工艺只需要加热、保温、冷却这样一个循环过程，操作简单；整个过程中不引入任何化学试剂，不会对环境产生污染；因此本发明具有生产成本低、无污染、易操作、显著提高碳化物球化效果和降低硬度，满足下一步热处理要求等优点。
附图说明：
图1为现有技术中1.52C-3.68Cr-8.6W-5.61Mo冷作模具钢的SEM图；
图2为现有技术中Cr12Mo1V1冷作模具钢采用的球化工艺进行退火后SEM图；
图3为实施例1第一阶段预处理后锻坯的SEM图；
图4为实施例1第二阶段预处理后锻坯的SEM图；
图5为实施例3第二阶段预处理后锻坯的SEM图；
图6为实施例4第二阶段预处理后锻坯的SEM图。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢，成分组成按重量百分比如下：C：0.85％，Si：0.80％，Mn：0.30％，P：0.0047％，S：0.0045％，Mo：1.60％，Cr：7.00％，V：0.15％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。
所述的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢锻坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，冶炼：
将Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢原料成分，按照配比放入真空度为0.5×10-2Pa的高频真空感应加热炉，加热至1500℃，待原料融化为钢液后，冶炼5min，通入高纯氩气；
步骤2，浇铸：
将钢液浇铸到砂型模中，脱模并清洁钢锭表面；
步骤3，锻造：
将钢锭加热至1160℃，保温3h后，放在12MN自由锻造液压机上进行先镦粗后拔长的锻造，始锻温度为1000℃，锻造比为6，终锻温度≥900℃；
步骤4，冷却：
将锻造后温度为800℃的锻坯空冷至400℃，然后石棉包裹冷却至室温，以防锻坯出现裂纹；
步骤5，第一阶段的预处理：
(1)将锻坯放入热处理炉中，控制炉内升温速率为6℃/min，使炉内温度升高至450℃，保温0.5h，使锻坯温度均匀；
(2)然后，再次控制炉内升温速率为6℃/min，使炉内温度升高至900℃，保温2h，将锻坯从炉内取出，通过风机快冷，控制冷速为100℃/min，风量为5m3/min，使锻坯温度冷却至室温，完成第一阶段预处理，第一阶段预处理后锻坯的SEM图如图3所示，由图中可以看出，显微组织主要是由马氏体、残余奥氏体和大块无规则的莱氏体共晶碳化物组成，碳化物数量较多降低了材料的韧性、使用过程中易于出现裂纹；
步骤6，第二阶段的预处理：
(1)将第一阶段预处理后锻坯放入到热处理炉中，控制加热速度为4℃/min，使锻坯加热到840℃，保温3h；
(2)控制炉内冷却速率为3℃/min，使锻坯在热处理炉内冷却至740℃，保温4.5h；
(3)再次控制炉内冷却速率为3℃/min，使锻坯在热处理炉内冷却至500℃，将锻坯出炉进行空冷，完成第二阶段预处理，第二阶段预处理后的锻坯组织比例为粒状珠光体98％，共晶碳化物2％，洛氏硬度为21.7HRC；其SEM图如图4所示，由图中可以看出，显微组织主要是由粒状珠光体和莱氏体共晶碳化物组成，与图3相比，共晶碳化物的大小、数量减少，细小的二次粒状碳化物弥散分布在铁素体集体上；
步骤7，淬回火热处理：
将第二阶段预处理后锻坯在1050℃，保温40min后油淬；淬火得到的锻坯在200℃，保温60min后出炉空冷，完成冷作模具钢锻坯的热处理，制得Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢。
实施例2
一种Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢，成分组成按重量百分比如下：C：1.10％，Si：0.95％，Mn：0.40％，P：0.0049％，S：0.0045％，Mo：2.20％，Cr：8.50％，V：0.28％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。
所述的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢锻坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，冶炼：
将Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢原料成分按照配比放入真空度为0.6×10-2Pa的高频真空感应加热炉，加热至1550℃，待原料融化为钢液后，冶炼6min，通入高纯氩气；
步骤2，浇铸：
将钢液浇铸到砂型模中，脱模并清洁钢锭表面；
步骤3，锻造：
将钢锭加热至1170℃，保温3.5h后，放在12MN自由锻造液压机上进行先镦粗后拔长的锻造，始锻温度为1120℃，锻造比为7，终锻温度≥900℃；
步骤4，冷却：
将锻造后温度为850℃的锻坯空冷至420℃，然后石棉包裹冷却至室温，以防锻坯出现裂纹；
步骤5，第一阶段的预处理：
(1)将锻坯放入热处理炉中，控制炉内升温速率为7℃/min，使炉内温度升高至500℃，保温0.6h，使锻坯温度均匀；
(2)然后，再次控制炉内升温速率为7℃/min，使炉内温度升高至920℃，保温2.3h，将锻坯从炉内取出，通过风机快冷，控制冷速为110℃/min，风量为7m3/min，使锻坯温度冷却至室温，完成第一阶段预处理；
步骤6，第二阶段的预处理：
(1)将第一阶段预处理后锻坯放入到热处理炉中，控制加热速度为5℃/min，使锻坯加热到850℃，保温3.5h；
(2)控制炉内冷却速率为4℃/min，使锻坯在热处理炉内冷却至750℃，保温6h；
(3)再次控制炉内冷却速率为4℃/min，使锻坯在热处理炉内冷却至520℃，将锻坯出炉进行空冷，完成第二阶段预处理，第二阶段预处理后锻坯组织比例为粒状珠光体95.2％，共晶碳化物4.8％，洛氏硬度为22.4HRC；
步骤7，淬回火热处理：
将第二阶段预处理后锻坯在1060℃，保温60min后油淬；淬火得到的锻坯在220℃，保温80min后出炉空冷，完成冷作模具钢锻坯的热处理，制得Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢。
实施例3
一种Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢，成分组成按重量百分比如下：C：1.40％，Si：1.00％，Mn：0.5％，P：0.0046％，S：0.0048％，Mo：2.5％，Cr：12.50％，V：0.4％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。
所述的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢锻坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，冶炼：
将Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢原料成分按照配比放入真空度为0.6×10-2Pa的高频真空感应加热炉，加热至1500℃，待原料融化为钢液后，冶炼7min，通入惰性气体；
步骤2，浇铸：
将钢液浇铸到砂型模中，脱模并清洁钢锭表面；
步骤3，锻造：
将钢锭加热至1170℃，保温4h后，放在12MN自由锻造液压机上进行先镦粗后拔长的锻造，始锻温度1130℃，锻造比为7.5，终锻温度≥900℃；
步骤4，冷却：
将锻造后温度为880℃的锻坯空冷至450℃，然后石棉包裹冷却至室温，以防锻坯出现裂纹；
步骤5，第一阶段的预处理：
(1)将锻坯放入热处理炉中，控制炉内升温速率为8℃/min，使炉内温度升高至550℃，保温0.8h，使锻坯温度均匀；
(2)然后，再次控制炉内升温速率为8℃/min，使炉内温度升高至950℃，保温2.5h，将锻坯从炉内取出，通过风机快冷，控制冷速为110℃/min，风量为8m3/min，使锻坯温度冷却至室温，完成第一阶段预处理；
步骤6，第二阶段的预处理：
(1)将第一阶段预处理后锻坯放入到热处理炉中，控制加热速度为6℃/min，使锻坯加热到860℃，保温4h；
(2)控制炉内冷却速率为4.5℃/min，使锻坯在热处理炉内冷却至750℃，保温7h；
(3)再次控制炉内冷却速率为4.5℃/min，使锻坯在热处理炉内冷却至550℃，将锻坯出炉进行空冷，完成第二阶段预处理，第二阶段预处理后锻坯SEM图如图5所示，组织比例为粒状珠光体92.9％，共晶碳化物7.1％，洛氏硬度为23.8HRC；
步骤7，淬回火热处理：
将第二阶段预处理后锻坯在1080℃，保温70min后油淬；淬火得到的锻坯在250℃，保温100min后出炉空冷，完成冷作模具钢锻坯的热处理，制得Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢。
实施例4
一种Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢，成分组成按重量百分比如下：C：1.65％，Si：1.10％，Mn：0.60％，P：0.0047％，S：0.0046％，Mo：3.20％，Cr：14.00％，V：0.55％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。
所述的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢锻坯的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，冶炼：
将Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢原料成分按照配比放入真空度为0.6×10-2Pa的高频真空感应加热炉，加热至1600℃，待原料融化为钢液后，冶炼8min，通入惰性气体；
步骤2，浇铸：
将钢液浇铸到砂型模中，脱模并清洁钢锭表面；
步骤3，锻造：
将钢锭加热至1180℃，保温5h后，放在12MN自由锻造液压机上进行先镦粗后拔长的锻造，始锻温度为1150℃，锻造比为8，终锻温度≥900℃；
步骤4，冷却：
将锻造后温度为900℃的锻坯空冷至500℃，然后石棉包裹冷却至室温，以防锻坯出现裂纹；
步骤5，第一阶段的预处理：
(1)将锻坯放入热处理炉中，控制炉内升温速率为10℃/min，使炉内温度升高至550℃，保温1h，使锻坯温度均匀；
(2)然后，再次控制炉内升温速率为10℃/min，使炉内温度升高至1000℃，保温3h，将锻坯从炉内取出，通过风机快冷，控制冷速为120℃/min，风量为10m3/min，使锻坯温度冷却至室温，完成第一阶段预处理；
步骤6，第二阶段的预处理：
(1)将第一阶段预处理后锻坯放入到热处理炉中，控制加热速度为7℃/min，使锻坯加热到880℃，保温5h；
(2)控制炉内冷却速率为5℃/min，使锻坯在热处理炉内冷却至760℃，保温9h；
(3)再次控制炉内冷却速率为5℃/min，使锻坯在热处理炉内冷却至550℃，将锻坯出炉进行空冷，完成第二阶段预处理，第二阶段预处理后锻坯SEM图如图6所示，组织比例为粒状珠光体92％，共晶碳化物8％，洛氏硬度为24.5HRC；
步骤7，淬回火热处理：
将第二阶段预处理后锻坯在1100℃，保温80min后油淬；淬火得到的锻坯在300℃，保温120min后出炉空冷，完成冷作模具钢锻坯的热处理，制得Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢。

Claims (7)

1.一种Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢，其特征在于，包括组分及重量百分比为：C：0.85～1.65％，Si：0.80～1.10％，Mn：0.30～0.60％，P＜0.0050％，S＜0.0050％，Mo：1.60～3.20％，Cr：7.00～14.00％，V：0.15～0.55％，余量为Fe及其他不可避免的杂质元素。
2.权利要求1所述的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢锻坯制备：
按Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢成分配比，取原料进行冶炼、浇铸和锻造，形成锻坯，所述的锻坯温度为800～900℃；
步骤2，冷却：
将锻造后温度为800～900℃的锻坯空冷至400～500℃，然后石棉包裹冷却至室温，以防锻坯出现裂纹；
步骤3，第一阶段预处理：
(1)将锻坯放入热处理炉中，控制炉内升温速率为6～10℃/min，使炉内温度升高至450～550℃，保温0.5～1h，使锻坯温度均匀；
(2)再次控制炉内升温速率为6～10℃/min，使炉内温度升高至900～1000℃，保温2～3h，将锻坯从炉内取出，冷却至室温，冷速为100～120℃/min，完成第一阶段预处理；
步骤4，第二阶段预处理：
(1)将第一阶段预处理后锻坯放入到热处理炉中，控制加热速度为4～7℃/min，使锻坯加热到840～880℃，保温3～5h；
(2)控制炉内冷却速率为3～5℃/min，使锻坯在热处理炉内冷却至740～760℃，保温4.5～9h；
(3)再次控制炉内冷却速率为3～5℃/min，使锻坯在热处理炉内冷却至500～550℃，将锻坯出炉进行空冷，完成第二阶段预处理；
步骤5，淬回火热处理：
将第二阶段预处理后锻坯经淬回火热处理后，制得Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢。
3.根据权利要求2所述的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢的制备方法，其特征在于，所述的步骤3(1)中，在加热和保温过程中，向炉内通入保护气，保证炉内为无氧气氛，所述的保护气为惰性气体。
4.根据权利要求2所述的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢的制备方法，其特征在于，所述的步骤3(2)中，在加热和保温过程中，向炉内通入保护气，保证炉内为无氧气氛，所述的保护气为惰性气体。
5.根据权利要求4所述的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢的制备方法，其特征在于，所述的惰性气体为高纯氩气，气体流量为0.5～1.5L/min。
6.根据权利要求2所述的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢的制备方法，其特征在于，所述的步骤4(3)中，第二阶段预处理后锻坯组织比例为：粒状珠光体92％～98％，共晶碳化物2％～8％，第二阶段预处理后锻坯洛氏硬度为21.7～24.5HRC。
7.根据权利要求2所述的Cr-Mo-Si-V系冷作模具钢的制备方法，其特征在于，所述的步骤5中，淬回火热处理具体过程为：将预处理后锻坯在1050～1100℃，保温40～80min后油淬；淬火得到的锻坯在200～300℃，保温60～120min后，出炉空冷，完成锻坯的热处理。
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