CN110656281A - 一种高硬模具钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高硬模具钢及其制备方法，其化学成分配比方面采用降低碳和铬的含量，将C和Cr控制在合理的范围内，并增加一定量的Mo、V等碳化物形成元素，能够强韧化基体，使冷作模具钢铸态下的碳化物形态得到改善，则在锻打时就能以较小的锻造比获得较好的锻造效果，在这基础上还增加了Ni和Cu微合金元素形成Cu3.8Ni金属间化合物在机体的晶界析出，强化机体，从而提高机体的硬度。具有淬透性好，淬火温度较低，热处理变形小，价格低，较好的强度和韧性的配合，可适用于制造精密复杂模具的优点，能在较大的范围内取代Cr12MoV型的通用冷作模具钢。

Description

一种高硬模具钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及模具钢，更具体地是指一种高硬模具钢及其制备方法。

背景技术

高硬模具钢主要用于制造在冷状态(室温)条件下进行压制成形的模具，如冷拉伸模具、冷镦模具、冷挤压模具、压印模具、辊压模具等。冷作模具的工作条件和刃具有些相似，但因被加工材料在冷态下变形，故变形抗力很大。与刃具钢相比，高硬模具钢要求更高的淬透性、耐磨性和韧性，而红硬性的要求可低些，一般模具工作时温度升高不会超过250℃。

目前，国内模具材料市场上应用最为广泛的模具钢材料是高碳高铬冷作模具钢Cr12MoV作为主选通用型的冷作模具钢材料。并具有较高的淬透性、淬硬性、耐磨性，高温抗氧化性能好，可以作为通用型冷作模具钢材料用于制造各种用途的冷作模具，例如形状复杂的冲孔凹模、冷挤压模、滚螺纹轮、冷剪切刀和精密量具等。但是，这种Cr12MoV通用型冷作模具钢材料中的合金元素组成中含有较高的碳和铬元素(该材料化学成分质量百分数为：C 1.45～1.70％，Si≦0.40％，Mn≦0.40％，Cr11.0～12.5％，Mo0.4～0.6,Ni≦0.10,Cu≦0.10,P≦0.030％，S≦0.030％)，而过多的碳和铬元素含量会使材料显微组织中存在网状的莱氏体碳化物，造成材料的韧性不高。模具在使用中易崩刃、断裂或塌陷。

Cr12MoV钢的主要性能指标：抗弯强度2500MP，硬度为59HRC。而这些性能指标是冷作模具钢的关键技术指标。冷作模具主要用于金属或非金属材料的冷成型，包括冷冲压、冷挤压和冷镦等。这类模具工作载荷大、尺寸精度、表面质量要求高。通常选用的冷作模具钢要求有足够的强度、韧度、硬度和耐磨性。而Cr12MoV钢由于组织中含有不均匀的莱氏体碳化物，虽然经过淬火回火之后有较高的硬度和耐磨性能，但是韧性较低。在实际使用中容易发生崩裂和塌陷。

上述Cr12MoV钢采用电弧炉熔炼，浇铸成钢锭锻造开坯，具体步骤依次为炼钢、锻造、热处理，最后形成产品。其锻造的加热温度为1110℃-1130℃，终锻温度为≥900℃，冷却方式采用高温退火、坑冷或者砂冷。由于Cr12MoV钢形成大量粗大的呈连续网状分布的共晶碳化物。这种网状共晶碳化物严重割裂基体，还可作为模具钢断裂时的裂纹源和裂纹扩展途径，从而使得模具钢的晶界严重脆化，韧性很低。并且在锻造时，由于受到锻造比的限制，对于大尺寸铸坯，其心部的共晶碳化物很难打碎，所以在锻造后的模具钢组织中经常存在带状碳化物偏析，使模具钢的性能出现各向异性。而且由于网状共晶碳化物的存在，在锻造过程中容易出现开裂和过烧等引起的废品。

发明内容

本发明的针对模具钢钢种成份的优化、组织控制、冶金质量控制、锻、轧工艺控制、供货状态及使用状态的组织控制、微合金化应用性技术等研究工作，开发出一种高硬模具钢，具有较高的硬度和屈服强度配合，以替代传统的冷作模具钢材料，运用于模具行业的高端市场。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一方面，一种高硬模具钢及其制备方法，按质量百分比计包含：C 1.01～1.15％，Si 0.60～0.85％，Mn 0.20～0.40％，P<0.02％，S<0.02％，Cr 7.50～8.20％，Mo 2.00～2.20％，V 0.20～0.40％，Ni 0.20～0.30％，Cu 0.15～0.25％，余量为Fe，且C＝1/15Cr+1/4Mo。

另一方面，一种高硬模具钢的制备方法，包括：

按照高硬模具钢的组分配比，在感应炉中进行熔炼之后，浇铸成的钢锭作为自耗电极放置于电渣重熔装置中，进行电渣重熔，使液体金属经过渣池的渣层下落至下面的水冷结晶器中，再重新凝固成2.0～3.0t电渣钢锭；将钢锭加热至1200～1220℃温度范围内，保温3～5小时后进行锻造加工；始锻温度为1040～1060℃，终锻温度≥900℃。

所述的钢锭加热采用在锻机加热炉内以80℃/h～120℃/h的升温速度加热至1200℃～1220℃。

采用本发明的高硬模具钢及其制备方法，其化学成分配比方面采用降低碳和铬的含量，将C和Cr控制在合理的范围内，并增加一定量的Mo、V等碳化物形成元素，能够强韧化基体，使冷作模具钢铸态下的碳化物形态得到改善，则在锻打时就能以较小的锻造比获得较好的锻造效果，也就是说可以使得碳化物在相同锻造比的情况下获得更好的均匀分布，又起到了控制合金元素的成本的目的。在这基础上还增加了Ni和Cu微合金元素形成Cu3.8Ni金属间化合物在机体的晶界析出，强化机体，从而提高机体的硬度。具有淬透性好，淬火温度较低，热处理变形小，价格低，较好的强度和韧性的配合，可适用于制造精密复杂模具的优点，能在较大的范围内取代Cr12MoV型的通用冷作模具钢。另外，该模具钢通过奥氏体化后，促使合金元素大量溶入基体，提高合金度，增强固溶强化效果。同时，在进行二次回火过程中，弥散析出细小均匀的第二相粒子和金属间化合物通过晶界强化，提高模具材料硬度。

附图说明

图1是现有技术的为Cr12MoV钢的金相照片；

图2是本发明的高硬模具钢的金相照片。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

本发明的设计原理为：

在Cr12MoV基础上适当减少C和Cr，增加Mo和V，以减少并细化共晶碳化物，细化晶粒，适量增加Si以提高强韧性。该组分以适量的Si固溶于基体，提高强韧性，在奥氏体化温度下使奥氏体中的C量达到0.6％左右而具有高淬硬性，合金成分的设计中加入微合金化元素Ni和Cu元素，形成金属间化合物分布于机体，大大提高了机体抗弯强度和硬度。本发明高硬模具钢的具体组分如下：

按质量百分比计包含：C 1.01～1.15％，Si 0.60～0.85％，Mn 0.20～0.40％，P<0.02％，S<0.02％，Cr 7.50～8.20％，Mo 2.00～2.20％，V 0.20～0.40％，Ni 0.20～0.30％，Cu 0.15～0.25％，余量为Fe，且应满足如下数学关系式：C＝1/15Cr+1/4Mo。因为，铬、钼都是强碳化物形成合金元素，它们和碳结合可以形成M23C7、M7C3型碳化物，并且可以均匀、弥散的分布在显微组织的晶界上，合适的碳化物类型和数量和弥散度分布是材料获得高抗弯强度和高硬度的基础，只有铬、钼合金元素的含量和碳元素的含量满足上述数学关系式才能使得材料获得最佳的的显微组织，这种最佳的显微组织的特征是M23C7、M7C3型碳化物呈现细小均匀的分布在显微组织晶界上，从而保证了这种钢铁材料的最佳抗弯强度和机体高硬度的配合。

以下是本发明主要元素的作用及其限定说明：

C 1.01～1.15％

C碳元素是高强韧性冷作模具钢的主要化学元素之一，是形成钒碳化物、钼碳化物和铬碳化物等各种碳化物的不可缺少的基本元素，也是影响钢的成分偏析和钢的组织均匀性的重要元素，溶解在马氏体中能够保证马氏体拥有良好的强度和淬透性。钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低。此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。本设计钢成分与Cr12MoV钢相比较，碳含量有较大的降低，其目的是改善钢的显微组织中的碳化物的分布和性质，改善钢的网状碳化物的级别。较低的碳元素含量可以防止钢在凝固的过程中产生偏析组织从而造成钢的抗弯强度和冲击韧性下降。因此，碳含量如果高于此成分设计上限，将导致过多的碳化物的形成和组织的偏析产生，影响钢的网状性能指标，特别是造成钢的抗弯强度和冲击韧性降低；但是碳元素低于此成分的设计范围也将要造成碳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细小的碳化物和碳化物的复合作用，影响钢的强度和钢的淬硬性。

Si 0.60～0.85％

Si溶于基体中能够提高基体强度，回火时能够阻碍马氏体的分解提高了钢的回火稳定，在炼钢过程中能够起到还原剂和脱氧剂的作用。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度。硅元素可以在奥氏体到马氏体的转变之后的回火过程中有效阻碍马氏体的分解，这主要是通过拟制ε碳化物质点的长大和扩大ε碳化物稳定区，延迟了ε碳化物向Fe3C的转变。本专利的硅含量的控制相对目前Cr12MoV钢大幅提高，目的是进一步阻止马氏体转变后在回火过程中的分解，对提高钢在淬火后的抗弯强度和冲击性能值有一定的作用。

Mn 0.2～0.4％

Mn在奥氏体化的过程中，大部分溶入到了基体当中，提高了基体中的合金含量，加强了固溶强化作用，从而提高基体的强度。但是Mn有严重的正偏析倾向，可富集于共晶团晶界处形成晶间碳化物，能降低材料的韧性。将Mn元素控制在一定的范围内，目的是增加基体的强度，并使材料的性能稳定。

Cr 7.5～8.5％

Cr是强碳化物形成元素，能够提高材料的淬透性，同时价格低廉。但Cr也是网状碳化物形成的主要原因，影响材料的韧性，因此Cr的含量不宜过高。在CrMoV钢中含有11.0～13.0％的Cr，这些Cr与C形成了网状的莱氏体碳化物，这些铬的碳化物在钢的结晶过程中分布不均匀，是形成合金莱氏体组织的主要合金元素，这种显微组织不仅影响了铬元素在钢种提升淬透性的作用，而且降低了钢的抗弯强度和冲击韧性值指标。适当降低Cr含量，目的是使材料的组织均匀，提高材料的韧性。

Mo 2.00～2.20％

Mo在钢中形成弥散的第二相析出物，这些弥散的析出物不仅能够起到沉淀强化作用，而且能够有效地阻碍奥氏体晶粒的长大，提高材料的强韧性。并且由于Mo与碳原子的亲和力强，在回火过程中降低了马氏体的分解速度，提高钢的稳定性。与Cr12MoV相比适当提高Mo合金元素的含量，使组织有较多的二次碳化物弥散析出，使马氏体有足够高的强度。

V 0.20～0.40％

钒是强化铁素体和奥氏体相区形成元素之一，它与碳、氮、氧都有极强的亲和力，与之形成相应的极为稳定的化合物。在钢中主要以MC碳化物的形态存在。它在钢中的主要作用是：细化钢的组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性，并提高钢的强度和韧性；增加钢的回火稳定性。钒是强碳化物形成元素，在时效过程中，通过钒与碳的结合，弥散析出大量的VC，强化基体。碳化钒的显微硬度(HV)达2500-2800，当其含量超过一定值后，就会因共格析出合金碳化物而硬化。钒在奥氏体热作模具钢中，还可以细化奥氏体晶粒，增加钢的强度和韧性，提高钢的耐磨性。

Ni 0.20～0.30％、Cu0.15～0.25％

镍和铜元素均不是碳化物形成元素，在机体中不会形成碳化物，而是通过镍和铜元素的相互外层电子吸引力的作用，形成一种Cu3.8Ni的金属间化合物弥散分布于机体中，在机体晶界上起到强化机体的作用，从而增加了材料的屈服强度和硬度。

P＜0.020％

磷是钢中的有害元素，增加钢的脆性，降低钢的冲击韧性，因此磷元素控制较传统的冷作模具钢低一些，对性能指标值的提高有一定的作用。

S＜0.010％

硫元素在一定的程度上容易造成钢的加工性能的恶化，容易使得钢在热加工的过程中产生过热和过烧现象。因此控制硫含量较原有技术Cr12MoV钢低一些可以提高钢加工性能和机械性能，特别是对径锻机锻造开坯时的连续锻造加工所产生的的过热现象起到拟制的作用。

上述高硬模具钢的制备方法为：

按照该钢的上述组分配比，在感应炉中进行熔炼之后，浇铸成的钢锭作为自耗电极放置于电渣重熔装置中，进行电渣重熔，使液体金属经过渣池的渣层下落至下面的水冷结晶器中，再重新凝固成2.0～3.0t电渣钢锭；将钢锭加热至1200～1220℃温度范围内，保温3～5小时后进行锻造加工；始锻温度为1040～1060℃，终锻温度≥900℃。

主要工艺参数控制如下：

钢锭在锻机加热炉内以80℃/h～120℃/h的升温速度加热至1200℃～1220℃后保温3～5小时：

钢锭在加热过程中的热应力敏感性较高，容易产生应力裂纹，升温速度控制在80℃/h～120℃/h可以防止钢锭在加热的过程中产生热应力裂纹，在加热至1200℃～1220℃后保温3～5小时，使得钢锭的整个表面至心部的温度都可以保持均匀，这样可以改善钢锭的可锻形，防止钢在锻造过程中的开裂倾向，并可以改善钢的显微组织指标，提高钢的强度和韧性。

经过锻机锻造开锻温度为1040℃～1060℃：

由于这种钢在1040℃～1060℃温度范围是钢的奥氏体单相组织区域，有着最佳的高温热塑性，有利于高温变形加工处理，不容易产生高温热加工开裂。

该钢的锻机停锻温度为≥900℃：

由于钢锭终轧温度对钢锭轧制质量有着重要的影响，径锻机停锻温度低于所规定的控制范围，非常容易引起钢锭在径锻机锻造开坯过程中产生钢锭开裂，但是，停锻温度高于控制范围容易引起钢在径锻机锻造开坯后产生钢组织粗晶现象，并形成严重的网状碳化物，降低钢的性能。

本发明的特点及优点如下所述：

(1)本发明的模具钢的合金元素成分设计，是在Cr12MoV基础上适当减少C和Cr，增加Mo和V，以减少并细化共晶碳化物，细化晶粒。以适量的Si固溶于基体，提高强韧性；在奥氏体化温度下使奥氏体中的C量达到0.6％左右而具有高淬硬性。

(2)由于本专利钢与Cr12MoV钢相比较，其材料显微组织中的碳化物的分布和性质网状碳化物的级别都有很大的改善。因此在同等的锻造比条件下，本专利钢比Cr12MoV更能够使铸态的组织中树枝状碳化物形态得到更好的碎化，细化钢的显微组织，提高钢的性能。

(3)合理的化学成分配比促使碳化物均匀析出强化以及微合金化元素的添加形成金属间化合物的微合金化技术应用，提升了材料的抗弯强度和机体硬度并结合先进的制造工艺使得钢的性能指标明显提升。在相同的耐磨性能状况下，传统的Cr12MoV钢抗弯强度功为2500MP，硬度为59HRC.而本发明钢的性能指标可以达到抗弯强度3350MP，提升25％；硬度可以达到HRC63，提升6％。

实施例1

本实施例中，采用的高硬模具钢的组分按重量百分比如下：

C 1.06％，Si 0.66％，Mn 0.36％，Cr 8.18％，Mo 2.10％，V 0.35％，Ni 0.28％，Cu 0.19％，P 0.016％，S 0.013％，Fe余量。

该高硬模具钢的工艺过程步骤如下：

采用感应炉中进行熔炼之后浇铸成的钢锭作为自耗电极放置于电渣重熔装置中，进行电渣重熔，液体金属经过渣池的渣层下落至下面的水冷结晶器中，再重新凝固成2.3吨钢锭；将上述钢锭加热至1220℃温度保温4.5小时后进行锻造加工；始锻温度：1060℃，终锻温度920℃。

采用本实施例的高强韧耐磨冷作模具钢的硬度达到HRC63，较通用型的冷作模具钢Cr12MoV提高6％；抗弯强度达到3350MP，传统的模具钢Cr12MoV提高25％。

实施例2～6的具体化学成分(重量百分比Wt％)见表2所示，工艺参数控制见表3所示，性能指标见表4所示。

表2

表3

表4

实施例	抗弯强度(MP)	硬度值(HRC)
			2	3380	63.0
3	3360	63.5
			4	3355	63.5
5	3355	63.0
			6	3375	63.5

图1为Cr12MoV钢的金相照片，图2为本发明的实施例1的高硬模具钢的金相照片，从图1中看出存在莱氏体碳化物的偏析导致材料抗弯强度和机体硬度的下降。而从图2中看出索氏体基体上均匀分布着弥散细小的合金碳化物颗粒以及金属间化合物颗粒，这样的显微组织确保本发明的高硬模具钢有优良的抗弯强度和高硬度的配合。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (3)

1.一种高硬模具钢，其特征在于，按质量百分比计包含：C 1.01～1.15％，Si 0.60～0.85％，Mn 0.20～0.40％，P<0.02％，S<0.02％，Cr 7.50～8.20％，Mo 2.00～2.20％，V0.20～0.40％，Ni 0.20～0.30％，Cu 0.15～0.25％，余量为Fe，且C＝1/15Cr+1/4Mo。

2.如权利要求1所述的高硬模具钢的其制备方法，其特征在于，包括：

按照高硬模具钢的组分配比，在感应炉中进行熔炼之后，浇铸成的钢锭作为自耗电极放置于电渣重熔装置中，进行电渣重熔，使液体金属经过渣池的渣层下落至下面的水冷结晶器中，再重新凝固成2.0～3.0t电渣钢锭；将钢锭加热至1200～1220℃温度范围内，保温3～5小时后进行锻造加工；始锻温度为1040～1060℃，终锻温度≥900℃。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的钢锭加热采用在锻机加热炉内以80℃/h～120℃/h的升温速度加热至1200℃～1220℃。

Images