CN111850393B - 一种贝氏体模具钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢铁技术领域，具体公开一种贝氏体模具钢及其制备方法。所述贝氏体模具钢的由以下质量百分比的元素组成：C：0.50‑0.60％，Si：0.20‑0.25％，Mn：1.00‑1.50％，W：2.10‑3.00％，Mo：3.50‑5.00％，V：0.50‑1.00％，Co：0.60‑1.10％，P≤0.02％，RE：0.01‑0.10％，[RE]/[S]＞3.0，[RE]×[S]＜0.004％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明采用新型的化学元素成份的配比，获得了可具备二次强化效应的贝氏体模具钢，并使得到的贝氏体模具钢兼具优良的硬度、耐磨性和韧性，具有极佳的综合力学性能。

Description

一种贝氏体模具钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢铁技术领域，尤其涉及一种贝氏体模具钢及其制备方法。
背景技术
钢铁工业作为制造业的基石，在现代工业发展过程中起着非常重要的作用。合金钢，特别是热作模具钢和冷作模具钢，在模具投入服役之前，往往需要进行淬火和回火处理，以得到良好的综合力学性能。通常情况下，在含有强碳化物形成元素如钼、钒、钨等的合金钢在回火热处理时，合金碳化物会沉淀析出而提高合金钢的硬度，该过程称为二次硬化。二次硬化是模具钢强韧化的重要手段。
常用的模具钢组织为回火马氏体或回火索氏体组织，热处理工艺一般为先淬火再进行回火调质处理。合金钢中二次硬化现象的研究对直接淬火的马氏体组织较多，模具钢的许多重要性质，如硬度、强度、韧性、耐磨性、红硬性、抗冷热疲劳性等，基本上都与马氏体组织的二次硬化效应析出的微细第二相颗粒有关。而贝氏体组织在合金钢中也有着一定的应用。随着近年来关于贝氏体钢研究的发展，新型贝氏体钢因兼具较高强度和良好韧性，有望取代传统的马氏体耐磨钢和高锰钢并应用于模具、轴承、齿轮、刹车片及采矿系统等。且除了力学性能外，贝氏体钢在导热性能上更加优秀，相同成分的模具钢具有贝氏体组织时将具有更高的导热性能，这对于要求模具钢具有高热传导效率的场所非常重要。但是，目前模具钢体系中制备得到的贝氏体组织模具钢品种不具备二次硬化效应(即贝氏体模具钢回火处理时，不会出现二次硬化作用；可以出现二次强化作用的模具钢都不是贝氏体组织)，其硬度或其他力学性能无法通过二次强化作用进行进一步提高，无法满足高性能模具钢的使用要求，使其应用范围受限。
发明内容
针对现有模具钢体系中制备得到的贝氏体组织模具钢品种不具备二次硬化效应，其硬度或其他力学性能无法通过二次强化作用进行进一步提高的问题，本发明提供一种贝氏体模具钢及其制备方法。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种贝氏体模具钢，由以下质量百分比的元素组成：
C：0.50-0.60％，Si：0.20-0.25％，Mn：1.00-1.50％，W：2.10-3.00％，Mo：3.50-5.00％，V：0.50-1.00％，Co：0.60-1.10％，P≤0.02％，RE：0.01-0.10％，[RE]/[S]＞3.0，[RE]×[S]＜0.004％，余量为Fe和不可避免的杂质。
相对于现有技术，本发明提供的贝氏体模具钢，通过以上化学元素成份的配比，尤其是特定的碳和合金元素的配比，获得了可具备二次强化效应的贝氏体模具钢，并使得到的贝氏体二次强化模具钢兼具优良的硬度、耐磨性和韧性，具有极佳的综合力学性能。
本发明中Mo和Mn元素的联合作用有利于得到贝氏体组织。特定含量的Mo、W、V的联合作用使本发明产生的贝氏体组织模具钢具有二次强化能力，使得材料的组织中形成大量的Mo、W、V的复杂的碳化物而达到强化效果，所得碳化物在增加模具钢的硬度的基础上又保证了其韧性，并能使钢获得良好的回火稳定性、红硬性、热强性。并且特定含量的W和V的联合能形成特殊碳化物而增加钢的耐磨性，Mo和V形成的碳化物对钢的强度和耐磨性也有改善作用。本发明特定含量的Co可提高该模具钢的熔点，进而溶解更多钼、钨、钒等合金元素，强化基体，利于得到贝氏体组织和出现二次强化现象，同时，还可以延缓回火时合金碳化物的析出，减慢碳化物的长大，细化碳化物，使钢的二次硬化能力、硬度和高温强度提高，提高模具钢的耐磨性和耐用度。
本发明采用的C含量与碳化物形成元素的含量的比例在0.056-0.098之间(碳化物形成元素为钼、钨和钒的质量百分数之和)。上述特定的碳含量促使Mo和W等的强碳化物形成元素能在高温回火过程中以细小弥散的特征析出而产生二次硬化现象。如果C含量过高，将导致冶炼过程中过多的碳化物形成和组织偏析产生，特别是造成钢的液析碳化物的不均匀性，导致钢的冲击韧性降低，影响钢的性能。如果C元素过低，将会造成C元素和其他合金元素结合形成碳化物的当量发生偏差，不能有效地形成稳定的钼碳化物、钨碳化物和各种类型碳化物复合作用，影响钢的硬度、耐磨性和高温性能。
本发明特定含量的Mn元素可以提高奥氏体的稳定性，降低钢的贝氏体转变温度，有利于得到贝氏体组织，同时还提高模具钢的淬透性和硬度。且本发明Mn元素含量设定可避免有害元素在晶界等缺陷处的偏聚而使钢的脆性增加，并同时避免钢的抗腐蚀能力、导热性能和焊接性能降低。
Mo元素的可以有效推迟珠光体相变，对贝氏体相变推迟作用较小，同时能够提高珠光体最大相变速度的温度，降低贝氏体最大相变速度的温度，明显地出现珠光体转变和贝氏体转变的两条C曲线。本发明特定含量的Mo元素的加入利于本发明模具钢获得贝氏体组织，并提高贝氏体的稳定性以及钢的淬透性，且在钢的回火过程中Mo元素和C元素结合形成数量较多的较稳定的合金碳化物，能够产生强烈的二次强化的作用。
W在该模具钢中可以形成多种碳化物，在回火过程中，弥散分布在贝氏体基体上析出钨的碳化物W2C可与钒的碳化物一起造成该模具钢的二次硬化。钨形成的碳化物还可部分地溶于基体，可提高基体的硬度和回火稳定性。本发明添加的特定含量的W，使得Mo和W形成多种复杂碳化物，不仅增加了钢的强度，还增加了钢的回火稳定性和热强性。
V元素是强碳化物形成元素，本发明特定含量的V元素的加入可以增加模具钢的强化作用，提高模具钢的耐磨性，同时还能阻碍晶粒长大，起到细化晶粒的作用。
Co在退火状态下大部分处于α-Fe中，在碳化物MoC中也有一定的溶解度。本发明特定含量的Co可提高该模具钢的熔点，使淬火温度提高，进而溶解更多钼、钨、钒等合金元素，强化基体，利于得到贝氏体组织和出现二次强化现象。同时，本发明特定含量的Co还可以延缓回火时合金碳化物的析出，减慢碳化物的长大，细化碳化物，使钢的二次硬化能力、硬度和高温强度提高，提高模具钢的耐磨性和耐用度。
本发明中模具钢中的微量稀土元素，即可明显地优化铸坯质量，提高模具钢的塑性、韧性，还能改善钢材的横向性能和低温韧性。当本发明中的[RE]/[S]＞3.0时，可保证模具钢中不会有任何MnS夹杂，提高模具钢的使用性能。
本发明还提供所述贝氏体模具钢的制备方法。该制备方法，至少包括以下步骤：
a、按所述模具钢预定成分进行冶炼，得到模具钢坯料；
b、将所述模具钢坯料加热到1050-1100℃保温20-40min，再以0.5-10℃/s的冷速冷却，得到贝氏体组织模具钢材料；
c、将所述贝氏体组织模具钢材料在500-680℃进行回火处理，得到贝氏体模具钢。
相对于现有技术，本发明提供的贝氏体模具钢的制备方法，将具有以上元素的坯料加热到1030-1050℃保温20-40min后，以0.5-10℃/s的冷速冷却，可以得到具有二次强化效应的贝氏体组织模具钢材料，随后在500-680℃进行回火处理，使得到的贝氏体组织模具钢材料产生强烈的二次强化效应，得到兼具高硬度、韧性以及耐磨性好的贝氏体模具钢。
优选的，步骤a中，所述冶炼方法依次包括熔炼、一次退火、锻造和球化退火。
优选的，所述熔炼方法为：将所述模具钢预定成分经1400-1600℃熔炼后，再进行电渣重熔。
优选的，所述一次退火条件为：700-900℃保温8-10h。
优选的，所述锻造方法为：将所述一次退火后得到的钢锭加热至1150-1200℃保温8-10h，进行多向锻造。
优选的，所述球化退火条件为：680-720℃保温8-10h。
优选的，步骤b中，所述冷却的终点温度为10-50℃。
优选的，步骤c中，将所述贝氏体组织模具钢材料在620-680℃进行回火处理，所述回火处理时间为2-4h。
上述优选的梯度升温回火处理条件，可以进一步提高本发明贝氏体组织模具钢的硬度和韧性。
附图说明
图1是本发明实施例1中未经回火处理的全贝氏体组织新型模具钢材料的扫描电镜图；
图2是本发明实施例1中得到的贝氏体模具钢的CCT曲线图；
图3是本发明实施例1中得到的贝氏体模具钢的透射电镜图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种贝氏体模具钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.50％；Si：0.20％；Mn：1.00％；W：2.10％；Mo：3.50％；V:0.50％；Co：0.60％；RE:0.01％，P:0.01％，S：0.003％，其余为Fe和不可避免杂质。
上述贝氏体模具钢的制备方法包括以下工艺步骤：
a、将上述模具钢预定成分经1400℃电炉熔炼后浇筑成钢锭，再经电渣重熔后在700℃保温8小时进行退火，退火后的钢锭加热到1150℃保温8小时后进行多向锻造，并将锻造后的材料在680℃保温8h，得到模具钢坯料；
b、将得到的模具钢坯料加热到1050℃保温20min，再以0.5℃/s的冷速冷却至10℃，得到全贝氏体组织模具钢材料；
c、将得到的贝氏体组织模具钢材料在620℃保温2h(回火处理)，得到二次强化后的贝氏体模具钢。
本实施例步骤b中得到的具有全贝氏体组织的新型模具钢材料的扫描电镜图如图1所示，其经过二次强化后得到的贝氏体模具钢的CCT曲线如图2所示，二次强化后得到的贝氏体模具钢的透射电镜如图3所示。
将二次强化后得到贝氏体模具钢冷却到室温，经打磨和表面软化层后进行硬度测量得到回火硬度。经检测本实施例得到的二次强化后的贝氏体模具钢的硬度为52.8HRC，冲击功为111J。
实施例2
一种贝氏体模具钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.55％；Si：0.22％；Mn：1.30％；W：2.50％；Mo：4.50％；V:0.80％；Co：0.90％；RE:0.05％，P:0.01％，S：0.01％，其余为Fe和不可避免杂质。
上述贝氏体模具钢的制备方法包括以下工艺步骤：
a、将上述模具钢预定成分经1500℃电炉熔炼后浇筑成钢锭，再经电渣重熔后在800℃保温9小时进行退火，退火后的钢锭加热到1180℃保温9小时后进行多向锻造，并将锻造后的材料在700℃保温9h，得到模具钢坯料；
b、将得到的模具钢坯料加热到1080℃保温30min，再以1℃/s的冷速冷却至25℃，得到全贝氏体组织模具钢材料；
c、将得到的贝氏体组织模具钢材料在640℃保温3h(回火处理)，得到二次强化后的贝氏体模具钢。
将二次强化后得到贝氏体模具钢冷却到室温，经打磨和表面软化层后进行硬度测量得到回火硬度。经检测本实施例得到的二次强化后的贝氏体模具钢的硬度为50.8HRC，冲击功为126J。
实施例3
一种贝氏体模具钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.58％；Si：0.24％；Mn：1.40％；W：2.80％；Mo：4.80％；V:0.90％；Co：1.00％；RE:0.08％，P:0.02％，S：0.02％，其余为Fe和不可避免杂质。
上述贝氏体模具钢的制备方法包括以下工艺步骤：
a、将上述模具钢预定成分经1600℃电炉熔炼后浇筑成钢锭，再经电渣重熔后在900℃保温10小时进行退火，退火后的钢锭加热到1200℃保温10小时后进行多向锻造，并将锻造后的材料在720℃保温10h，得到模具钢坯料；
b、将得到的模具钢坯料加热到1100℃保温40min，再以5℃/s的冷速冷却至10℃，得到全贝氏体组织模具钢材料；
c、将得到的贝氏体组织模具钢材料在680℃保温4h(回火处理)，得到二次强化后的贝氏体模具钢。
将二次强化后得到贝氏体模具钢冷却到室温，经打磨和表面软化层后进行硬度测量得到回火硬度。经检测本实施例得到的二次强化后的贝氏体模具钢的硬度为48HRC，冲击功为144J。
实施例4
一种贝氏体模具钢，由以下质量百分比的元素组成：C：0.60％；Si：0.25％；Mn：1.50％；W：3.00％；Mo：5.00％；V:1.00％；Co：1.10％；RE:0.10％，P:0.02％，S：0.03％，其余为Fe和不可避免杂质。
上述贝氏体模具钢的制备方法包括以下工艺步骤：
a、将上述模具钢预定成分经1600℃电炉熔炼后浇筑成钢锭，再经电渣重熔后在900℃保温10小时进行退火，退火后的钢锭加热到1200℃保温10小时后进行多向锻造，并将锻造后的材料在720℃保温10h，得到模具钢坯料；
b、将得到的模具钢坯料加热到1050℃保温40min，再以10℃/s的冷速冷却至10℃，得到全贝氏体组织模具钢材料；
c、将得到的贝氏体组织模具钢材料在500℃保温2h(回火处理)，得到二次强化后的贝氏体模具钢。
将二次强化后得到贝氏体模具钢冷却到室温，经打磨和表面软化层后进行硬度测量得到回火硬度。经检测本实施例得到的二次强化后的贝氏体模具钢的硬度为42.6HRC，冲击功为91J。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种贝氏体模具钢，其特征在于：由以下质量百分比的元素组成：
C：0.50-0.60％，Si：0.20-0.25％，Mn：1.00-1.50％，W：2.10-3.00％，Mo：3.50-5.00％，V：0.50-1.00％，Co：0.60-1.10％，P≤0.02％，RE：0.01-0.10％，[RE]/[S]＞3.0，[RE]×[S]＜0.004％，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述贝氏体模具钢的制备方法，包括以下工艺步骤：
a、按所述模具钢预定成分进行冶炼，得到模具钢坯料；
b、将所述模具钢坯料加热到1050-1100℃保温20-40min，再以0.5-10℃/s的冷速冷却，得到贝氏体组织模具钢材料；
c、将所述贝氏体组织模具钢材料在500-680℃进行回火处理，得到贝氏体模具钢。
2.如权利要求1所述的贝氏体模具钢，其特征在于：步骤a中，所述冶炼方法依次包括熔炼、一次退火、锻造和球化退火。
3.如权利要求2所述的贝氏体模具钢，其特征在于：所述熔炼方法为：将所述模具钢预定成分经1400-1600℃熔炼后，再进行电渣重熔。
4.如权利要求2所述的贝氏体模具钢，其特征在于：所述一次退火条件为：700-900℃保温8-10h。
5.如权利要求2所述的贝氏体模具钢，其特征在于：所述锻造方法为：将所述一次退火后得到的钢锭加热至1150-1200℃保温8-10h，进行多向锻造。
6.如权利要求2所述的贝氏体模具钢，其特征在于：所述球化退火条件为：680-720℃保温8-10h。
7.如权利要求1所述的贝氏体模具钢，其特征在于：步骤b中，所述冷却的终点温度为10-50℃。
8.如权利要求1所述的贝氏体模具钢，其特征在于：步骤c中，将所述贝氏体组织模具钢材料在620-680℃进行回火处理，所述回火处理时间为2-4h。
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