CN114427090B - 一种用于冲裁的高强韧模具钢制品及其增材制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于冲裁的高强韧模具钢制品及其增材制造工艺，包括上下设置的熔覆层和基体，所述熔覆层采用同冷作模具钢，所述基体采用高强钢；所述熔覆层厚度为0.5‑10mm，硬度55‑65HRC，所述熔覆层内包括0.7‑1.6％C、0.5‑1.5％Mn+Ni，5‑15％Cr+Mo+W+V，1‑8％Co；所述基体厚度为20‑200mm，硬度40‑55HRC。本发明利用激光熔覆的高能量密度和快速冷却特征，配合以高强韧粉末和基体成分设计，实现熔覆层的高合金化、基体强韧化来获得模具钢制品的耐磨性和抗崩角性能，降低模具钢制品的制造成本。
Description
技术领域
本发明主要涉及模具钢和增材制造技术领域，尤其涉及一种用于冲裁的高强韧模具钢制品及其增材制造工艺，适用于冲裁模具镶块、冲裁刀块和冲头等模具制品的制造。
背景技术
随着汽车轻量化的发展，以高强钢、铝镁合金加工为代表的板件分离技术蓬勃发展。它利用对材料施加剪切力，使材料发生分离。按照冲裁工序的性质划分，冲裁模可划分为落料模、冲孔模、切断模、整修模和精冲模等。相比线切割、等离子切割和激光切割等切割方式，具有无污染、尺寸精准、设备投资低和生产节拍快等优势，迅速成为落料生产线和产品修整的重要加工方式，相关模具钢市场高达50-100亿/年。通常一款冲裁模具服役寿命高达20-40万次，尤其是面向高强钢零部件边线和孔位分离时，模具钢制品承受的剪切强度高达1500-2500Mpa，对模具钢的合金设计、纯净度和组织调控要求极为苛刻。
目前，冲裁用模具钢通常采用高合金粉末设计，以及电渣重熔或粉末冶金等工艺进行加工，来保证模具钢寿命。已公开发明专利，专利号CN109306434A，专利名称：粉末冶金高耐磨高韧性冷作模具钢及其制备方法，提出采用粉末冶金法制备粉末粉末冶金钢，其材质C含量高达1.0-2.0％，V含量高达2-6％。已公开发明专利，专利号CN1958833，专利名称：一种喷射沉积制备高合金冷作模具钢的工艺方法，提出利用粉末雾化沉积法获得组织细小、均匀，无宏观偏析的冷作模具钢，晶粒尺寸控制在2-10微米。设备投资高、生产工艺复杂，造成制造成本极高，且工业上几乎全部来源于进口，相关制品占据模具成本的50％以上。
除此之外，国内冲裁压机和模具的稳定性普遍较差，在冲裁过程中冲裁间隙波动、冲裁力作用点不稳定，模具钢制品经常受到异常冲击力而发生崩角，使产品出现早期失效。现有冲裁模具钢及其制备工艺在提高耐磨性的同时，难以让塑韧性出现大幅度的提高。因此，现有冲裁模具钢制品无论是成分设计还是制备工艺，均无法满足冲裁模具钢制品的服役工况和寿命需要。
总而言之，现有冲裁模具钢利用粉末冶金等工艺，制造成本昂贵、合金利用率低且抗崩角能力无法满足冲裁模具复杂工况要求的难题。
近年来，激光熔覆技术作为一种先进的增材制造局部改性技术，它通过同轴送粉等方法，利用高能量密度的激光束使粉末与基材表层熔凝在一起，从而在基体表面形成冶金结合的熔覆层。已公开发明专利，申请号CN101392382B，专利名称：汽车模具的激光修复工艺，通过对模具的磨损部位进行激光熔覆，来完成模具钢的修复。已公开发明专利，申请号CN107164756B，专利名称：一种激光熔覆用修复H13模具钢的金属粉末，提供一种C-Cr-Mo系合金成分的铁基粉末，采用激光熔覆对H13钢表面进行表修复。然而，相关研集中在激光修复、局部强化领域，尚无人应用于模具钢制品的一体化制造。更关键的是，受限于成分设计、熔覆工艺，现有粉末通常是钴基合金，并添加一定量的WC粉末，模具钢在1-2万冲次内便发生早期崩角。因此，相关产品无法满足冲裁模具钢制品的服役工况要求。
综上因素，设计适用于激光熔覆的高强韧性模具钢粉末，并将激光熔覆工艺进行改进，获得媲美于现有粉末冶金钢的组织和性能，实现对粉末冶金钢的替代，也就成了冲裁模具钢增材造领域的一大难题。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明提供一种用于冲裁的高强韧模具钢制品，包括下设置的熔覆层和基体，所述熔覆层采用同冷作模具钢，所述基体采用高强钢；
所述熔覆层厚度为0.5-10mm，硬度55-65HRC，所述熔覆层内包括0.7-1.6％C、0.5-1.5％Mn+Ni，5-15％Cr+Mo+W+V，1-8％Co；
所述基体厚度为20-200mm，硬度40-55HRC。
优选的，熔覆层内还包括Si、Nb、Ti等成分中的一种或多种元素。
优选的，熔覆层上设置有中间层，所述中间层位于熔覆层和基体之间的过渡。
优选的，基体包括以下成分：C 0.35-0.55％，Si 0.1-1.0％，Mn 0.2-1.0％，Cr+Mo3.0-5.0％，Ti+Nb+V 0.5-1.0％；
熔覆层包括以下成分：C 0.7-1.6％，Si 0.2-0.5％，Mn+Ni 0.5-1.0％，Cr 2.0-6.0％，Mo+W+V3.0-10.0％，Co 3.0-10.0％。
一种用于冲裁的高强韧模具钢制品的增材制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：基材减材加工，以制品型面为基准，对基材型面进行减材加工，基材型面过切量为0.1mm～10mm。
S2：激光增材熔覆，对基材表面进行清洗，根据制品型面设定激光熔覆的进给路径、并根据熔覆粉末特性设定激光熔覆的工艺参数，道次搭接率控制在25％～50％、激光功率控制在1kw～6kw、光斑直径控制在0.2mm～3mm，在基材的表面熔覆1层～4层合金层，单层合金层的厚度控制在0.1mm～3mm，多层合金层所共同形成的熔覆层的总厚度高于基材过切量0.2mm～2mm；
S3：制品回火处理，对制品进行回火处理，回火温度为400℃～650℃，回火次数1-3次；这是因为激光熔覆过程中，冷却速率高达100-1000℃/s，熔覆层组织以马氏体和残余奥氏体为主。通过回火，消除熔覆层中的残余奥氏体和马氏体，提高模具钢熔覆合金层的强韧性和抗粘附磨损特性。
S4：制品精加工：以产品型面为基准，对制品熔覆层高出型面区域进行减材加工，获得成品。
优选的，当基材目标硬度>45HRC时，S1步骤中的基材减材加工采用初次减材加工-基材热处理-二次减材加工的工艺路线，具体如下：
S11基材初次减材加工：以产品型面为基准，对模具制品基材的型面进行切削加工，基材型面的过切量为0.1mm～5mm、并留有0～1mm的热处理余量；
S12基材热处理：对制品基材进行淬火-回火处理，将制品基材的硬度控制在40HRC～55HRC的范围内；
S13基材二次减材加工：以产品型面为基准，对制品基材的型面进行切削加工，将所留有的0～1mm热处理余量去除，使得制品基材的型面过切至0.1～5mm。
优选的，在S2所述激光增材熔覆过程中，根据粉末与基材的成分体系特征和熔覆工艺需求，可对制品基材进行预热处理或在线热处理，使得制品基材温度达到250℃～400℃；
当对制品基材进行预热处理时，处理温度为300℃～450℃；
当对制品基材进行在线热处理时，处理温度为250℃～400℃。
本发明的有益效果：利用激光熔覆的高能量密度和快速冷却特征，配合以高强韧粉末和基体成分设计，实现熔覆层的高合金化、基体强韧化来获得模具钢制品的耐磨性和抗崩角性能，降低模具钢制品的制造成本，具体的是：
1、更高的强韧性：通过提高Mo+V含量来部分取代Cr，减少钢种的碳化物，并通过激光熔覆的快速冷却特性，获得无宏观偏析且组织细小的晶粒，此外，Co的加入，提高了材料的抗压强度，减少了粘附磨损和挤压变形；
2、优越的熔覆成形工艺：通过预加热或在线加热，来降低模具钢制品加工过程中的表面应力，能够满足高碳当量粉末的熔覆需求；
3、模具钢制品成本低：制品基体材料选用常规的合金钢或碳钢，仅需要在表层熔覆高性能合金层。较低的昂贵元素消耗，更为简约的制造工艺需求，将模具钢的制造成本降低约50％以上；
4、合金利用率高：传统模具钢制品来料状态为方形或圆形，通过减材机械切削工来完成型面加工，材料利用率只能达到50-75％。本方案采用激光熔覆制备模具钢制品，材料利用率高达90％以上，且仅仅需要控制模具钢表层的成本；
5、产品偏析：激光具备高能量密度，能够实现高合金含量材料的熔融，并实现材料的极速冷却，因此晶粒更为细小，合金层几乎无宏观偏。
附图说明
图1为本发明中关于模具钢制品的立体结构图；
图2为本发明中关于冲裁用镶块制造过程的平面示意图，a为基材，b为基材减材加工，c为激光增材熔覆，d为制品精加工；
图3为本发明中关于冲裁用镶块制造过程的立体示意图；
图4为本发明中关于冲裁凸模加工过程的平面示意图，a为基材，b为基材减材加工，c为激光增材熔覆，d为制品精加工；
图5为本发明中关于冲裁凸模加工过程的立体示意图；
图6为本发明的制品合金层组织图；
图7为本发明的产品应用于冲裁模具示意图；
图8为本发明的产品应用于冲裁模具下模示意图；
其中：
1、刀块；2、刀块刃口；3、基材；4、合金层；5、上模座；6、冲裁刀块镶块(激光增材制造)；7、下模座；8、导向机构。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的以及优点更加清晰易懂，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图2-5所示可知，本发明包括有：上下设置的熔覆层和基体，所述熔覆层采用同冷作模具钢，所述基体采用高强钢；
所述熔覆层厚度为0.5-10mm，硬度55-65HRC，所述熔覆层内包括0.7-1.6％C、0.5-1.5％Mn+Ni，5-15％Cr+Mo+W+V，1-8％Co；
所述基体厚度为20-200mm，硬度40-55HRC。
在本实施中优选的，熔覆层内还包括Si、Nb、Ti等成分中的一种或多种元素。
在本实施中优选的，熔覆层上设置有中间层，所述中间层位于熔覆层和基体之间的过渡。
设置上述结构，根据工艺需要，模具钢制品熔覆层还可以设计有中间层。中间层充当熔覆表层和基体之间的过渡层，目的是提高表层合金的熔覆成形性，避免发生热应力和相变应力开裂。
在本实施中优选的，基体包括以下成分：C 0.35-0.55％，Si 0.1-1.0％，Mn 0.2-1.0％，Cr+Mo 3.0-5.0％，Ti+Nb+V 0.5-1.0％；
熔覆层包括以下成分：C 0.7-1.6％，Si 0.2-0.5％，Mn+Ni 0.5-1.0％，Cr 2.0-6.0％，Mo+W+V3.0-10.0％，Co 3.0-10.0％。
用于熔覆层制造的合金粉末，限定理由如下：
1)碳C:0.7-1.6％。钢中最基本的强化元素，也是提高材料硬度和耐磨性的关键元素。以固溶和碳化物的形式存在，与Cr、Mo和V形成碳化物来提高合金强度。研究发现，在冲裁高强钢时，模具钢承受的剪切强度高达1500-2000MPa，而碳化物的含量和尺寸分布是决定模具钢耐磨性的关键因素。但是，当C含量过高时(超过1.5％)，尽管粉末冶金钢中碳化物弥散、无宏观偏析，但是，过量的碳化物存在于钢基体中，造成晶格畸变严重，且裂纹易于汇集而产生崩角。所以粉末冶金钢纵然强塑积较高，但是，在高冲压力和冲击速度下，裂纹扩展速度较快，易于发生崩角。与此同时，碳化物含量较高时，材质的熔覆开裂敏感性也会增大。因此，本发明将粉末C含量控制在0.7-1.6％。
2)硅Si:0.2-0.5％。以固溶形式存在，有利于提高钢的室温强度、热强度和切削加工性能。此外，模具钢中加入一定的Si，与Mo、Cr配合使用，可以提高模具钢的耐腐蚀性能和抗氧化性能，有效抑制模具钢制品在使用过程中的氧化行为和冷却水对模具钢水道内壁的腐蚀，避免发生模具钢应力腐蚀开裂。本发明将Si含量控制在0.2-0.5％。
3)锰+镍Mn+Ni:0.5-1.0％。奥氏体稳定化元素，扩大奥氏体相区，主要起到固溶强化的作用。同时，Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，能有效的降低脆性转变温度，一定量的Mn能消除或减弱P、S引起的热脆性。加入一定量的Mn和Ni，可以降低材料的熔覆开裂敏感性。
4)铬Cr：2.0-6.0％。一种中强碳化物形成元素，可以提高合金层的淬透性和热稳定性。本发明中加入Cr主要与Mo、V一起形成碳铬化合物，并能能够提高模具钢的耐腐蚀性和热处理抗氧化性。研究发现，由于形成的含铬碳化物(Cr27C3、Cr7C3)较为粗大，导致材料在冲击力作用下发生裂纹扩展。因此，本发明将铬含量控制在0.5-2.5％，来降低熔覆时的开裂敏感性。
5)钼+钨+钒Mo+W+V:3.0-10.0％。碳化物形成元素，提高合金层的淬透性和热稳定性。主要以碳化物第二相的形式存在，是决定材料硬度和耐磨性的重要元素。但是，含量较高或者配比不当时，材料的强韧性会急剧恶化。此外，Mo能够提高材料的屈服点、室温强度和高温强度，V可以形成更为弥散的碳化物，起到细化晶粒的作用。
6)钴Co:3.0-10.0％。提高材料的硬度和高温强度，可用于冲裁刀块、冲头等承受挤压力较大的模具钢制品。
所述基材成分，限定理由如下：
由于被冲裁的材料通常为高强钢，强度高达700-1500MPa，且冲裁过程中，模具钢制品的刃口存在高达2000-3000MPa的挤压强度。但是，强度模拟发现局部应力随着直接受力点的距离而不断减少。因此，对于冲裁模具钢制品基材而言，无需采用高强度的模具钢，但是要能够承受一定的抗压强度。优选的，在现有模具钢P20的基础上，适当提高C、Cr含量，并加入0.5-1.0％的Ti+Nb+V来细化和强化基体晶粒，使材料的强度提高至1000-1500MPa，强塑积达到15-25GPa.％，有效抑制因机床和模具不稳定引起的冲裁模具钢制品受冲击力崩角。
一种用于冲裁的高强韧模具钢制品及其增材的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：基材减材加工，以制品型面为基准，对基材型面进行减材加工，基材型面过切量为0.1mm～10mm。
S2：激光增材熔覆，对基材表面进行清洗，根据制品型面设定激光熔覆的进给路径、并根据熔覆粉末特性设定激光熔覆的工艺参数，道次搭接率控制在25％～50％、激光功率控制在1kw～6kw、光斑直径控制在0.2mm～3mm，在基材的表面熔覆1层～4层合金层，单层合金层的厚度控制在0.1mm～3mm，多层合金层所共同形成的熔覆层的总厚度高于基材过切量0.2mm～2mm；
S3：制品回火处理，对制品进行回火处理，回火温度为400℃～650℃，回火次数1-3次；这是因为激光熔覆过程中，冷却速率高达100-1000℃/s，熔覆层组织以马氏体和残余奥氏体为主。通过回火，消除熔覆层中的残余奥氏体和马氏体，提高模具钢熔覆合金层的强韧性和抗粘附磨损特性。
S4：制品精加工：以产品型面为基准，对制品熔覆层高出型面区域进行减材加工，获得成品。
在本实施中优选的，当基材目标硬度>45HRC时，S1步骤中的基材减材加工采用初次减材加工-基材热处理-二次减材加工的工艺路线，具体如下：
S11基材初次减材加工：以产品型面为基准，对模具制品基材的型面进行切削加工，基材型面的过切量为0.1mm～5mm、并留有0～1mm的热处理余量；
S12基材热处理：对制品基材进行淬火-回火处理，将制品基材的硬度控制在40HRC～55HRC的范围内；
S13基材二次减材加工：以产品型面为基准，对制品基材的型面进行切削加工，将所留有的0～1mm热处理余量去除，使得制品基材的型面过切至0.1～5mm。
在本实施中优选的，在S2所述激光增材熔覆过程中，根据粉末与基材的成分体系特征和熔覆工艺需求，可对制品基材进行预热处理或在线热处理，使得制品基材温度达到250℃～400℃；
当对制品基材进行预热处理时，处理温度为300℃～450℃；
当对制品基材进行在线热处理时，处理温度为250℃～400℃。
具体的，通过下述实施例进行阐述：
对于用于高强钢切边的冲裁镶块而言，工业体系多采用W6542、1.2379和K340模具钢，镶块侧壁易于发生挤压变形和粘附磨损。根据表1，本发明合金粉末CT-P在1.2379的基础上，通过提高V含量、降低Cr含量来提高材料的屈服强度、硬度和强韧性能，并添加一定量的Co用于提高材料的抗压强度，解决了冲裁刀块服役寿命短的问题。通过激光熔覆处理，本发明在廉价基材CT-S上熔覆一层高性能粉末CT-P，获得了模具钢制品合金层的组织无偏析和高强韧性。相比同类粉末冶金钢，成本降低至进口模具钢的25-50％。
表1：本发明CT模具钢的成分表
一、其主要制备工艺如下：
1)粉末的制备：用气体雾化法制备CT-P粉末，将粉末进行筛分，以得到粒度在45-100微米的粉末。
2)基材制备：用铸造-锻造法制备CT-S基材，热处理硬度控制为45-50HRC。见图2(a)。
3)基材初次减材加工：将基材进行切削减材加工，依据制品型面，将基材过切至2.0mm，见图2(b)。
4)中间热处理：在1020-1050℃对基材进行淬火处理，并完成三次回火，回火温度为480-525℃。
5)基材二次减材加工：对基材进行切削减材加工，依据制品型面，将基材过切至2.5mm。见图2(b)。
6)预加热处理：将基材在375-425℃进行预加热，并在300℃以上完成后续的激光熔覆。
7)激光熔覆：在基材表面熔覆2层，单层厚度控制为1.6mm，道次搭接率控制在30-40％，激光功率选用2KW。见图2(c)。
8)回火处理：将制品进行回火处理，回火温度为475-525℃，回火3次。
9)镶块精加工：以制品型面为基准，将熔覆层高出型面区域(1.6*2-2.5＝0.7mm)进行切削减材加工，模具镶块制备结束。见图2(d)。
二、组织与性能对比
下面与冲裁常用材料1.2379材质做对比。1.2379模具钢成分为1.40-1.60％C，0.30-0.60％Si，0.20-0.40％Mn，11-13％Cr,0.70-1.00％Mo,0.7-1.0％V，经过真空熔炼、电渣重熔和多向锻造等工艺处理。一般来说，1.2379模具钢的组织特征存在着宏观的偏析带，粗大的共晶碳化物分布于基体经历的晶界附近，且这种粗大的共晶碳化物无法通过热处理来消除。图6给出了本发明增材制造模具钢制品的合金层组织，材料的组织更为细小，分布更为均匀。尽管存在着极少量的孔隙、微裂纹缺陷，但微裂纹仅为微米级，对材料性能影响无明显影响。
经冲裁实际服役的对比发现，本发明CT模具钢失效模式主要为磨损，发生崩角的几率远远低于1.2379。这是因为本发明模具钢制品的基体CT-S具有远高于1.2379的塑韧性，能够更为有效的吸收机床和模具不稳定引起的冲击力，且能够阻止裂纹向基体的进一步扩展。此外，本发明CT模具钢制品的熔覆层由于具有较多的Mo、W和V系碳化物，材料的耐磨性也高于1.2379两倍左右，且不容易发生粘附磨损。
表2：本发明与同类模具钢的性能对比
上述实施例仅例示性说明本专利申请的原理及其功效，而非用于限制本专利申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利请的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.一种用于冲裁的高强韧模具钢制品，其特征在于，包括上下设置的熔覆层和基体，所述熔覆层采用冷作模具钢，所述基体采用高强钢；所述熔覆层厚度为0.5-10mm，硬度55-65HRC；所述基体厚度为20-200mm，硬度40-55HRC；所述熔覆层上设置有中间层，所述中间层位于熔覆层和基体之间的过渡；所述基体包括以下成分：C 0.40-0.50%，Mn 0.40-0.60%，Si0.10-0.30%，Cr 0.8-1.2%，Mo 0.10-0.30%，其余为Fe 和不可避免的杂质；熔覆层包括以下成分： C 0.9-1.10% ， Mn 0.30-0.60% ， Si0.20-0.60%， Cr 3.50-5.00% ，Mo 2.00-3.50%， V 1.50-2.50%,Co3.00-5.00%，其余为Fe 和不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1 所述的用于冲裁的高强韧模具钢制品的增材制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：S1：基材减材加工，以制品型面为基准，对基材型面进行减材加工，基材型面过切量为0.1mm~10mm；S2：激光增材熔覆，对基材表面进行清洗，根据制品型面设定激光熔覆的进给路径、并根据熔覆粉末特性设定激光熔覆的工艺参数，道次搭接率控制在25%~50%、激光功率控制在1Kw~6Kw、光斑直径控制在0.2mm~3mm，在基材的表面熔覆1 层~4 层合金层，单层合金层的厚度控制在0.1mm~3mm，多层合金层所共同形成的熔覆层的总厚度高于基材过切量0.2mm~2mm；S3：制品回火处理，对制品进行回火处理，回火温度为400℃~650℃，回火次数1-3 次；S4：制品精加工：以产品型面为基准，对制品熔覆层高出型面区域进行减材加工，获得成品。
3.根据权利要求2 所述的用于冲裁的高强韧模具钢制品的增材制造工艺，其特征在于：用铸造-锻造法制备基材，热处理硬度控制为45-50HRC，S1 步骤中的基材减材加工采用初次减材加工-基材热处理-二次减材加工的工艺路线，具体如下：S11 基材初次减材加工：以产品型面为基准，对模具制品基材的型面进行切削加工，基材型面的过切量为0.1mm~5mm、并留有0~1mm的热处理余量；S12 基材热处理：对制品基材进行淬火-回火处理，将制品基材的硬度控制在40 HRC~55 HRC 的范围内；S13 基材二次减材加工：以产品型面为基准，对制品基材的型面进行切削加工，将所留有的0~1mm 热处理余量去除，使得制品基材的型面过切至0.1~5mm；在所述S2 所述激光增材熔覆过程中，根据粉末与基材的成分体系特征和熔覆工艺需求，可对制品基材进行预热处理或在线热处理，使得制品基材温度达到250℃~400℃。
4.根据权利要求3 所述的用于冲裁的高强韧模具钢制品的增材制造工艺，其特征在于：当对制品基材进行预热处理时，处理温度为300℃~450℃；当对制品基材进行在线热处理时，处理温度为250℃~400℃。
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