CN1854324A - 高合金冷作模具钢的生产工艺 - Google Patents

Abstract

一种高合金冷作模具钢的生产工艺，包括以下步骤，1)模具钢成分重量百分比为C 1.45～1.55，Cr 7.8～8.2，V 3.9～4.1，Mo 1.4～1.6，Si 0.9～1.1％，Mn 0.3～0.5，余Fe；2)采用喷射成形工艺制取高合金冷作模具钢坯件，3)然后对坯件进行单道次的大变形量热轧，轧后板料采用砂冷，4)再对其进行等温球化退火处理，由此获得高合金冷作模具钢，其球化组织中的碳化物颗粒尺寸更为细小，有效地解决合金成分偏析及碳化物偏聚的问题，从而成功地避免了共晶莱氏体的出现，而且在工艺上却得到明显简化，成本和能耗也随之降低。

Description

高合金冷作模具钢的生产工艺

技术领域

本发明专利涉及一种高合金冷作模具钢的生产工艺。

背景技术

高合金冷作模具钢由于碳和合金含量均较高，采用常规冶铸工艺生产，很难避免成分偏析、碳化物聚集以及出现不利于后续加工的莱氏体组织。

Cr12MoV(或美国牌号D2钢)是应用较广的典型冷作模具钢，这类钢的碳和铬含量均较高，采用常规工艺生产，无法避免成分偏析及严重的共晶碳化物的形成，因此，通常对所得坯料须要进行变向反复锻造，才能降低或改善上述缺陷。Cr12MoV钢的淬透性和热处理变形性在众多的冷作模具钢中是较好的，但其韧性较差，致使所加工的模具在使用中常发生脆断失效现象。为此，人们在致力于提高Cr12MoV钢的强韧化方面做了不少工作，其中较多的研究是放在改进和完善热处理工艺上，并且确实取得了一定的效果。

尽管如此，但大量的实际需求促使人们去考虑能够生产强韧配合更佳的具有优良综合性能的冷作模具钢。为此，国内外做了大量的研究工作，开发出不少新的钢种，如美国的Vasco DIE、日本的TCD、AUF11、DC53以及我国研制的LD、GM、ER5钢等。这些钢的化学成分有如下特点，适当降低碳和铬含量以改善碳化物偏析，增加钨、钼和钒的含量以增加二次硬化的能力和提高耐磨性，因此这些钢大都采用较高的淬火温度和多次回火。

雍歧龙等人的专利(中国专利号：94113823.2)介绍，采用适当的微合金化，使合金冷作模具钢经热处理后既保持原有的高硬度，又具有高韧性，且制作的冷作模具在使用过程中不易发生脆性断裂。戚正风等人的专利(中国专利号：96107821.9)提供了一种新型无莱氏体高合金冷作模具钢，这种钢的铬含量低于Cr12MoV，钼含量与Cr12MoV相当，钒含量则高于Cr12MoV，碳含量远低于Cr12MoV，由于碳含量低，故在铸锭冷凝时不形成共晶莱氏体，因而不存在碳化物偏析及粗大碳化物。其不足是由于碳含量有较大幅度的降低，使得这种新型的冷作模具钢的强度和耐磨性受到一定的影响。

上海材料研究所的科研人员针对Cr12MoV钢存在的不足，成功开发了中铬型铬钼钒LD冷作模具钢，在成分设计上作了合理的调整，适当调低碳和铬含量，在保证淬火后有较多马氏体和适量的碳化物以达到高强度、高耐磨性的同时，过剩碳化物含量则大为降低，韧性由此得到改善和提高，并能保证足够的淬透性。与Cr12MoV钢相比，LD钢中钼和钒含量有所提高，并添加了适量的Si元素。因为1％的钼可代2％的钨，以钼代钨不仅成本下降，而且还可降低合金总量，并使碳化物不均匀性减少；钼与碳生成钼碳化物，淬火时大部分溶解，回火时以碳化物形式析出，是强烈的二次硬化元素，并使钢有较好的回火稳定性。钒也能起到二次硬化、耐磨和提高韧性和回火稳定性的作用。Si能强化基体，同时提高钢的抗回火稳定性。LD钢由于在成分上作了合理调整，使得其综合性能明显优于Cr12MoV钢。尽管这样，但用其制作的模具使用在某些要求强度和耐磨性更高的场合，仍然显得不足而难以满足需求。

华中理工大学与大冶特钢合作，研制了GM钢以取代Cr12MoV钢，并将它用于制作高速冷冲模和高强度螺栓滚丝轮等。该钢的成分特点是，降低形成大块碳化物和碳化物偏析的铬的含量，增加Mo和V的含量以提高钢的二次硬化效果，同时加入一定量的钨元素，以提高钢的回火稳定性。Mo和W不仅具有固溶强化作用，而且还有利于提高钢的晶界强度和改善回火脆性。对于Cr12MoV钢的使用范围，GM钢大体都能适用，但在一些要求强韧性以及耐磨性更高的场合，GM钢更具优势。但是，GM钢的磨削性能稍差些，切削时对刀具的磨损是Cr12MoV钢的1.5倍，另外，在某些强度要求更高的工况下，显得有点不足。

用模具生产零部件具有材料利用率高，制品尺寸精度高等优点，并且能极大地提高生产率，近年国内外发展了各种先进的少无切削工艺和高效率的成形设备，因此对模具材料的性能提出越来越高的要求，特别是耐磨性和韧性的要求，更为苛刻。在相应提高碳和合金含量的情况下，再采用常规的冶金铸造工艺生产这类冷作模具钢，会带来很多难以避免的问题，从而影响钢的实际使用性能。因此，生产高合金冷作模具钢，既要保证耐磨性又要不失优良的韧性，目前可供选择的且较为有效的只能是粉末冶金工艺。

瑞典Uddeholm公司采用粉末冶金工艺生产的Vanadis4钢，具有相当优良的综合性能，其成分特点是，铬含量比Cr12MoV钢有一定幅度的减少，而钒含量增加较多，Mo含量有所提高，同时添加1％的Si元素。基于这一合理的成分设计，并采用粉末冶金工艺，使获得的Vanadis4钢具有远比Cr12MoV钢更优的综合性能，特别是耐磨性和韧性显得更为突出，这对延长模具寿命是极为有利的。美中不足的是，利用粉末冶金工艺生产Vanadis4钢，工序较复杂，成本、能耗以及生产周期与常规工艺相比明显增加。Uddeholm公司生产的Vanadis系列的粉末冷作模具钢，尽管都有相当好的综合性能，但是，由于受到上述问题的约束，势必造成不可能大规模的生产及其推广应用。美国Crucible公司(坩埚公司)在生产高合金工模具钢方面也是非常出名的，采用粉末冶金工艺生产的CPM系列钢种，具有优良的综合性能，并能满足不同层面的需求，但是，同样存在由于粉末冶金工艺本身的特点所决定而不可避免地遭遇如前所说的通病。

基于上述情况，本发明旨在提供一种能够生产具有高强韧高耐磨优良组合的高合金冷作模具钢工艺，与粉末冶金工艺相比，具有生产工序简化、制造成本和能耗明显降低等优点，并且便于规模生产和实际推广应用。

发明内容

鉴于目前高合金冷作模具钢生产中因采用粉末冶金工艺而存在的工序复杂、成本高、能耗大等问题，本发明的目的在于提供一种高合金冷作模具钢的生产工艺，将喷射成形技术，一道次大变形量热轧以及等温球化热处理有机结合的生产工艺，可生产具有无偏析的优良球化组织的高合金冷作模具钢。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是，一种高合金冷作模具钢的生产工艺，(1)其合金成分重量百分比为：C 1.45～1.55、Cr 7.8～8.2、V 3.9～4.1、Mo 1.4～1.6、Si 0.9～1.1、Mn 0.3～0.5、余Fe；

(2)喷射成形工艺制取坯件

将(1)中给出合金成分的真空浇铸母合金作为原料，采用喷射成形工艺制取可供热轧用坯件；

将母合金原料放入感应炉内加热熔化，在高于熔点150～250℃温度下保持一段时间，使熔液的温度和成分达到均匀。用高压氮气向由导液管流出的熔体进行喷射，使之雾化成为细小液滴，飞行并沉积在收集基板上，完成凝固并形成块体材料。这种块体的高合金冷作模具钢由于具有优良的等轴细晶原始组织而使其具有优异的高温变形能力，因此可对其施行大变形量的热加工；

(3)对喷射成形坯件进行热轧

坯件预热温度：600～700℃，保温时间：5～10分钟；

热轧温度：950～1150℃，保温时间：10～20分钟；

热轧压下量：50％～70％；

(4)热轧砂冷后板料进行等温球化退火热处理

将热轧砂冷后板料放入加热炉内随炉升温，达设定的温度范围800～900℃后进行1.5～2.5小时保温，之后按30～70℃/0.5小时的冷却速率冷至730～780℃，再次保温2.5～3.5小时，然后以≤30℃/小时的冷却速率炉冷至480～520℃，取出空冷。

进一步，所述的热轧为单道次轧制以实现预定的50～70％大压下量。

其中，等温球化热处理中热轧砂冷板料加热后进行1.5～2.5小时保温。

等温球化热处理中热轧砂冷板料加热后进行保温之后按30～70℃/0.5小时的冷却速率冷至730～780℃。

本发明提供了一种行之有效的高合金冷作模具钢(如著名的Vanadis4冷作模具钢)的生产工艺，其优点主要体现在生产成本和能耗的降低以及生产周期明显缩短等方面，与粉末冶金工艺相比优势十分突出。这是因为像Vanadis4这种高合金冷作模具钢，采用常规的冶铸工艺生产将会带来众多如成分偏析等难以避免的缺陷，因而目前只能采用粉末冶金工艺生产。粉末冶金工艺虽然能解决上述高合金冷作模具钢易产生成分偏析、组织不均匀的问题，但是，却不能解决在粉末加工成块体材料的生产过程中易出现氧化的问题，且生产工序复杂、生产成本和能耗明显增加等缺陷无法避免，因而不便于大力推广。

本发明的一个重要特点是采用喷射成形这一半固态、近终形新技术，可以快速、便捷地获得具有细小等轴晶均匀组织的高合金冷作模具钢坯料，这为后续的热塑性变形加工和热处理创造了条件，恰恰在这方面，粉末冶金工艺却需要花费众多步骤，从而造成生产成本和能耗的大幅上升。另外，正是因为喷射成形技术获得的高合金冷作模具钢具有优良的无偏析的细小组织，且具有良好的高温塑性加工能力，这就为下一步顺利地实施大变形量热轧奠定了基础。再则，选择合适的等温球化退火工艺，即成为最终能够获得优良球化组织的关键步骤。本发明的生产工艺，是由三个步骤或环节构成的有机整体，缺一不可。

本发明的生产工艺由喷射成形技术、轧制以及热处理三部分组成，喷射成形作为半固态、近终形技术，在制备材料方面具有独特的优势，它不仅可以对传统材料进行改进，而且更为重要的是能够制备新型材料，特别是那些难加工变形材料，如高合金冷作模具钢、无偏析高速钢以及难变形高温合金等，并且该技术能够明显简化生产工序，从而使生产成本和能耗随之降低。在这个意义上说，采用喷射成形技术生产具有高附加值的高合金冷作模具钢，在生产成本上并不比粉末冶金工艺高。

本发明与粉末冶金工艺相比，不仅工序得到简化，而且获得的高合金冷作模具钢，同样能够有效地克服合金成分偏析及碳化物偏聚的问题，从而成功地避免了共晶莱氏体的出现，与进口的采用粉末冶金工艺得到的著名的vanadis4钢相比，具有相似的适合于后续淬回火处理的优良球化组织，以及相近的硬度值，但本工艺获得的球化组织中的碳化物颗粒尺寸却更为细小。

本发明的有益效果

本发明选用合适的高合金冷作模具钢的合金成分，采用具有快速凝固特点的喷射成形工艺制取坯件，然后将所得坯件进行一道次大变形量热轧和等温球化退火相结合的加工处理，由此组合生产工艺获得的无偏析高合金冷作模具钢，因为拥有优良的均匀球化组织和合适的硬度值而可以直接进入后续淬回火处理。

本发明获得的高合金冷作模具钢，成分类似于Vanadis4钢，与进口的采用粉末冶金工艺得到的价格昂贵的(目前市场进口价约：55万/吨)著名Vanadis4钢相比，不仅具有相似的适合于后续淬回火处理的优良球化组织，以及相近的硬度值，而且其均匀球化组织中的碳化物颗粒尺寸却更为细小。

附图说明

图1显示喷射成形高合金冷作模具钢喷射态坯件显微组织：具有等轴细晶的均匀组织，未见莱氏体偏析组织。

图2-4所示喷射成形坯件经过一道次大变形量热轧和等温球化退火相结合生产工艺处理后的组织：晶粒比较细小，近似于球形的碳化物均匀地分布于基体上，这是典型的球化退火组织。

图5为进口的采用粉末冶金工艺生产的Vanadis4冷作模具钢供货态组织：具有典型的球化退火组织。

具体实施方式

实施例1

(1)合金成分(化学分析结果，重量百分比)

1.52C，8.0Cr，4.0V，1.48Mo，1.0Si，0.35Mn，余Fe。

(2)采用喷射成形制取坯件

将母合金原料放入感应炉内加热熔化，在高于熔点150～250℃温度下保持5分钟时间，使熔液的温度和成分达到均匀；用高压氮气向由导液管流出的熔体进行喷射，使之雾化成为细小液滴，飞行并沉积在收集基板上，完成凝固并形成重约2Kg的圆形坯件。

(3)喷射成形坯件热轧

从喷射成形坯件上切取厚16mm的条形坯料，坯料一端加工成楔形状，便于热轧时咬入。坯料放入已达300℃的加热炉内随炉升温至600℃保温5分钟进行预热，然后再升温至950℃进行15分钟的保温后，取出立即送入最大轧制力为3000KN的热轧机上进行轧制，单道次将坯料轧制至6.4mm厚，压下量为50％，轧制后板料立即砂冷，未发现开裂现象。

(4)轧制砂冷后板料等温球化热处理

轧制后板料砂冷后放入加热炉内随炉升温，达设定的温度900℃后进行2小时保温，之后按50℃/0.5小时的冷却速率冷至750℃，再次保温3小时，然后以≤30℃/小时的冷却速率炉冷至500℃，取出空冷。

实施例2

(1)合金成分(化学分析结果，重量百分比)

1.51C，8.01Cr，3.9V，1.47Mo，1.0Si，0.4Mn，余Fe。

(2)采用喷射成形制取坯件

同实施例1。

(3)喷射成形坯件热轧

从喷射成形坯件上切取厚16mm的条形坯料，坯料一端加工成楔形状，便于热轧时咬入。坯料放入已达300℃的加热炉内随炉升温至700℃保温5分钟进行预热，然后再升温至1050℃进行20分钟的保温后，取出立即送入最大轧制力为3000KN的热轧机上进行轧制，单道次将坯料轧制至6.4mm厚，压下量为60％，轧制后板料立即砂冷，未发现开裂现象。

(4)轧制砂冷后板料等温球化热处理

轧制后板料砂冷后放入加热炉内随炉升温，达设定的温度800℃后进行2小时保温，之后按50℃/0.5小时的冷却速率冷至730℃，再次保温2.5小时，然后以≤30℃/小时的冷却速率炉冷至480℃，取出空冷。

实施例3

(1)合金成分(化学分析结果，重量百分比)

1.53C，8.1Cr，4.0V，1.47Mo，1.1Si，0.37Mn，余Fe。

(2)采用喷射成形制取坯件

同实施例1。

(3)喷射成形坯件热轧

从喷射成形坯件上切取厚16mm的条形坯料，坯料一端加工成楔形状，便于热轧时咬入。坯料放入已达300℃的加热炉内随炉升温至700℃保温5分钟进行预热，然后再升温至1150℃进行10分钟的保温后，取出立即送入最大轧制力为3000KN的热轧机上进行轧制，单道次将坯料轧制至6.4mm厚，压下量为70％，轧制后板料立即砂冷，未发现开裂现象。

(4)轧制砂冷后板料等温球化热处理

轧制后板料砂冷后放入加热炉内随炉升温，达设定的温度850℃后进行2小时保温，之后按50℃/0.5小时的冷却速率冷至780℃，再次保温3.5小时，然后以≤30℃/小时的冷却速率炉冷至520℃，取出空冷。

上述实施例高合金冷作模具钢球化退火后的硬度与相比较的进口V4钢的硬度值见表1所示。

由表1看到，采用本发明组合工艺获得的高合金冷作模具钢，与进口的采用粉末冶金工艺得到的著名的vanadis4钢相比，具有相近的等温球化退火硬度值，这为随后的淬回火处理创造了有利而必要的条件。

表1本发明实施例高合金冷作模具钢与进口V4钢的硬度数据

样品编号	试样状态	硬度值(Hv)
			实施例1	950℃热轧+球化退火	236
实施例2	1050℃热轧+球化退火	242
			实施例3	1150℃热轧+球化退火	240
进口V4钢	市场供货的球化退火棒料	246

Claims (4)

1.一种高合金冷作模具钢的生产工艺，包括如下步骤，

1)所选的高合金冷作模具钢的合金成分重量百分比为：

    C     1.45～1.55％

    Cr    7.8～8.2％

    V     3.9～4.1％

    Mo    1.4～1.6％

    Si    0.9～1.1％

    Mn    0.3～0.5％

    余Fe；

2)采用喷射成形工艺制取高合金冷作模具钢坯件；

将1)中给出合金成分的母合金作为原料，采用喷射成形工艺制取坯件：将母合金原料放入感应炉内加热熔化，在高于熔点150～250℃温度下保持一段时间，使熔液的温度和成分达到均匀；用高压氮气向由导液管流出的熔体进行喷射，使之雾化成为细小液滴，飞行并沉积在收集基板上，完成凝固并形成坯件；

3)对喷射成形坯件进行大形变量热轧，

坯件预热温度：600～700℃，保温时间：5～10分钟；

热轧温度：950～1150℃，保温时间：10～20分钟；

热轧压下量，50％～70％；

4)对热轧砂冷后板料进行等温球化热处理，

将热轧砂冷后板料放入加热炉内随炉升温，达设定的温度范围800～900℃后进行保温，之后冷却，冷至730～780℃再次保温2.5～3.5小时，然后以≤30℃/小时的冷却速率炉冷至480～520℃，取出空冷。

2.如权利要求1所述的高合金冷作模具钢的生产工艺，其特征在于，所述的热轧为单道次轧制以实现预定的50～70％大压下量。

3.如权利要求1所述的高合金冷作模具钢的生产工艺，其特征在于，其等温球化热处理中热轧砂冷板料加热后进行1.5～2.5小时保温。

4.如权利要求1所述的高合金冷作模具钢的生产工艺，其特征在于，其等温球化热处理中热轧砂冷板料加热后进行保温之后按30～70℃/0.5小时的冷却速率冷至730～780℃。

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