CN100469938C - 多类型超细碳化物高合金工具钢 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高合金工模具钢及其热处理工艺，该钢种属于一种多类型超细碳化物高合金钢。采用自主研发的合金设计方法，对其进行了相平衡热力学计算、电子/原子层次结合能计算、淬火和回火硬度计算以及依据碳化物相变规律对其强度和韧性等作出了综合评价。其成分特征是合适的含C量和Cr/(W+Mo)比、合理的Si、Mn以及少量的Ni；其显微组织特征是具有超细碳化物，退火碳化物平均尺寸为0.8～1.0μm之间，淬火时未溶碳化物尺寸小于0.5μm。淬火加高温回火后硬度61-64HRC，具有高屈服强度和冲击韧度。在薄刃刀具、剪切模具和重冲击模具等行业中有广泛的应用前景。

Description

多类型超细碳化物高合金工具钢

技术领域

本发明涉及工模具钢的合金设计及其热处理工艺，尤其涉及DM6S-2钢的研发。

背景技术

碳化物细化对工模具钢的性能提高有着重要的作用。但是，大多数高碳高合金钢中由于碳化物数量多、分布密度大，极易聚集长大，虽然通过锻轧加工和热处理也难以达到细化的目的。况且，复杂的锻轧加工或热处理又会增加工艺上的困难，并消耗较多的能源。于是又转而发展了基体钢，然而由于基体钢无淬火剩余碳化物导致耐磨性差，淬火加热时晶粒易长大，用作尖角工模具则会发生准解理断裂，降低了使用性能。随着加工工业的发展，薄刃刀具、剪切模具和重冲击模具等要求具有比高碳低合金钢工模具具有更长的使用寿命和更好的加工质量，为了实现这个目标，我们多年来一直致力于超细碳化物的高合金工具钢的研究和开发。我们的研究表明，多元合金高碳钢成分设计合适时，钢中存在有多类型碳化物，诸如M₃C、M₂₃C₆、M₇C₃、M₆C和MC。在退火温度区间，因不同类型碳化物晶体结构不同以及它们在不同温度下形核、生长及在奥氏体中溶解的热力学和动力学差异，其碳化物平均尺寸为0.8～1.0μm之间，淬火时未溶碳化物尺寸小于0.5μm，与通常的高合金钢中的碳化物比较，可称为超细碳化物。这类钢在合适的Cr/(W+Mo)比时，在500℃-560℃回火时二次硬化将使回火硬度提高至61-64HRC。

超细碳化物的高合金工具钢DM6S-2，是应用我们研发的合金设计方法设计的。该方法综合运用了相平衡热力学计算及碳化物相变规律、电子/原子层次上结合能的计算、热处理工艺及淬火和回火硬度计算的方法、对新钢种的强度和韧性作出了预测。其设计的出发点是获得超细碳化物高碳高合金钢，通过采用合理的热处理工艺使其制造的工模具能有高硬度、高耐磨性和高的刃口锋利度。

发明内容

本发明的提出，旨在提供一种多类型超细碳化物高碳高合金DM6S-2钢。其设计原则是(1)合理的C、Cr、W、Mo、V含量保证碳化物细化，保证高硬度碳化物数量，少量的Ni保证屈服强度和韧性、提高基体与碳化物的结合力、并降低表面脱碳倾向；(2)合理的Cr/(W+Mo)比，利用高温回火的二次硬化使之获得高的回火硬度；(3)高的屈服强度和冲击韧度指标。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种多类型超细碳化物的高合金工具钢，其特征在于含有(重量％)C 0.67～0.75、Si 0.4～0.55、Mn 0.25～0.5、Cr 6.5～7.5、W 3.0～3.8、Mo 1.3～1.6、V 1.0～1.4、Ni 0.15～0.6、S≤0.015、P≤0.02、Fe余量；该合金工具钢的制备方法包括采用感应电炉或感应电炉+电渣炉重熔和870℃～1150℃锻轧后，再进行退火、淬火、冷处理和回火处理步骤，其工艺条件为：

(1)退火，加热840℃～860℃，2～4小时后随炉冷；

(2)淬火，加热1060℃～1100℃，保温1.5min/mm之后水冷或油冷；

(3)冷处理，淬后深冷至-80℃～-120℃，保冷0.5～1小时，缓慢升温至室温；

(4)回火，520℃～560℃恒温2～4小时。

与现有技术相比较，本发明的优点在于通过合理的合金化设计，使多类型碳化物在其固溶和沉淀硬化过程中实现超细化，即通过退火可使碳化物均匀细化，平均尺寸小于0.8μm，一次块状碳化物少于5％；通过淬火使未溶碳化物均匀细化，平均尺寸小于0.5μm，马氏体针长小于6μm，残余奥氏体15～25％；通过冷处理促进残余奥氏体分解，细化碳化物；通过回火使回火马氏体析出的碳化物均匀细化，残余奥化体降到15％以下。

附图说明

本发明共有附图7幅，其中：

图1是成分为下限的碳化物相平衡图；

图2是成分为中限时的碳化物相平衡图；

图3是成分为上限时的碳化物相平衡图；

图4是淬火硬度曲线图；

图5是回火硬度曲线图；

图6是退火显微组织图；

图7是淬火显微组织图。

具体实施方式

如图1～图7所示的一种多类型超细碳化物的高合金工具钢。

其成分含量如表1：

      表1 钢的成分(wt％)

 

C	Si	Mn	Cr	w	Mo	v	Ni	S	P	Fe
											0.67-0.75	0.4-0.55	0.25-0.5	6.5-7.5	3.0-3.8	1.3-1.6	1.0-1.4	0.15-0.6	≤0.015	≤0.02	余量

热处理工艺如表2：

        表2 热处理工艺

 

工序	工艺过程及说明	硬度	组织及附注
				退火	840℃-860℃加热2-4小时后随炉冷，较高的退火温度与中合金对应，可以获得良好的球化组织。	HB227-235	碳化物均匀细化，平均尺寸小于0.8um，一次块状碳化物少于5％。
淬火	1060℃-1100℃加热1.5min/mm之后水冷或油冷，中等的淬火温度与合理的Cr/(W+Mo)比对应，可以获得良好的淬火组织。	HRC62-64	未溶碳化物均匀细化，平均尺寸小于0.5um，马氏体针长小于6um，残余奥氏体15-25％
				冷处理	淬后深冷至-80℃--120℃，保冷0.5-1小时，缓慢升温至室温。促进残余奥氏体分解、细化碳化物。	HRC63-65	此项工艺根据使用条件要求采用或不采用。
回火	520℃-560℃恒温2-4小时，采用相对较高的回火温度，可充分回火降低残余奥氏体、提高韧度，利用二次硬化得到高硬度。	HRC61-63；HRC62-64(加冷处理)	回火马氏体，碳化物均匀细化，残余奥氏体小于15％

机械性能如表3：

      表3 机械性能

 

	回火温度/℃	硬度/HRC	抗弯强度σ<sub>bb</sub>/MPa	屈服强度σ<sub>bs</sub>/MPa	σ<sub>bs</sub>/σ<sub>bb</sub>	挠度/mm	冲击韧度a<sub>K</sub>/J/cm<sup>2</sup>
								淬火回火	540	61-63	4100	3420	0.83	4.1	86
淬火冷处理回火	540	62-64	4180	3510	0.84	4.7	89

模具和刃具的制造工艺路线为：

锻轧→退火→校直→粗磨→淬火→校直→(冷处理)→回火→校直→磨加工→成品。

该钢种的成分设计分别依照图1、2、3的碳化物相平衡图进行，基体成分和硬度设计结果示于表4、5、6中。结合这些图表，可以对合金元素的作用与影响作个简明的分析，含碳量高于上限时，组织粗化，低于下限时硬度和耐磨性低；含硅量高于上限时，表面脱碳加重并使脆性增加，低于下限时屈服强度下降；含锰量高于上限时，脆性增加，低于下限时屈服强度下降；含铬量高于上限时，碳化物不均匀程度加重并使残余奥氏体量增加，低于下限时淬火硬度降低；含钨和钼量高于上限时，碳化物不均匀程度加重并且大块状一次碳化物数量增加，低于下限时钨和钼的碳化物数量少，不利于退火细化并降低耐磨性；含钒量高于上限时，很容易产生大量块状一次碳化物，低于下限时钒的碳化物数量少，不利于细化并降低耐磨性；含镍量高于上限时，提高屈服强度的能力减弱并使退火球化困难，低于下限时屈服强度降低。

对热处理的评价是，将退火温度选择在碳化物转变即M23C6→M6C的温度区间，高于或低于此温度区间不能得到细化组织；淬火温度高于上限，残余奥氏体量过多并使回火硬度降低；低于下限淬火，在500℃-540℃回火时二次硬化效应下降，使回火硬度降低；回火温度高于上限硬度下降，低于下限残余奥氏体量过多；根据需要进行冷处理是获得更高性能的有利措施。

    表4 成分下限不同温度下基体中合金含量(wt％)及硬度计算值(HRC)

 

温度/℃	C	Cr	w	Mn	Mo	v	Si	Ni	淬火硬度	回火硬度
											1060	0.52	6.52	2.25	0.26	1.06	0.47	0.40	0.15	63.0	63.2
1080	0.54	6.51	2.49	0.25	1.14	0.53	0.40	0.15	63.7	63.7
											1100	0.56	6.45	2.75	0.25	1.21	0.60	0.40	0.15	64.4	64.2

     表5 成分中限不同温度下基体中合金含量(wt％)及硬度计算值(HRC)

 

温度/℃	C	Cr	w	Mn	Mo	v	Si	Ni	淬火硬度	回火硬度
											1060	0.49	7.04	2.19	0.39	1.07	0.47	0.48	0.36	62.6	62.2
1080	0.51	7.03	2.42	0.39	1.15	0.54	0.48	0.36	63.2	62.6
											1100	0.54	7.02	2.66	0.38	1.22	0.61	0.48	0.36	64.1	63.3

表6 成分上限不同温度下基体中合金含量(wt％)及硬度计算值(HRC)

 

温度/℃	C	Cr	w	Mn	Mo	v	Si	Ni	淬火硬度	回火硬度
											1060	0.47	7.57	2.13	0.53	1.08	0.48	0.56	0.63	62.3	61.1
1080	0.50	7.56	2.35	0.52	1.16	0.54	0.56	0.62	63.0	61.7
											1100	0.52	7.55	2.59	0.52	1.23	0.61	0.56	0.62	63.8	62.3

对于淬火硬度和回火硬度的影响是：

(1)1060℃-1100℃达到最高硬度63HRC；温度进一步升高，残余奥氏体量增大，淬火硬度下降。

(2)520-560℃回火时析出细小弥散分布的M2C和MC型碳化物产生二次硬化效应，最高硬度接近64HRC。

(3)显微组织示于图6和图7。图6表明在840℃退火碳化物比较细小，颗粒平均尺寸为0.5μm，个别大块碳化物为1.0-1.5μm。图7表明在1100℃淬火碳化物颗粒平均尺寸为0.23μm，极少量大块状MC碳化物为0.6-0.8μm。下面结合实施例对本发明作进一步说明。

用本发明的钢种制造木材刨切刀具，其化学成分和热处理工艺分别示于表7和表8中。

         表7成分

 

	C	Si	Mn	Cr	W	Mo	V	Ni	S	P
											实施例1	0.70	0.50	0.45	6.68	3.34	1.30	1.19	0.29	0.013	0.016
实施例2	0.72	0.45	0.35	6.65	3.24	1.45	1.30	0.24	0.015	0.018
											实施例3	0.75	0.47	0.50	7.26	3.12	1.52	1.29	0.22	0.012	0.014

       表8 热处理工艺及应用

 

	退火	淬火	冷处理	回火	木材刨切刀应用
						实施例1	840℃4小时炉冷	1060℃水淬		520℃4小时，HRC62	2.1万张/刃磨1次
实施例2	840℃4小时炉冷	1080℃水淬	-80℃4小时	540℃4小时，HRC63	2.4万张/刃磨1次
						实施例3	850℃4小时炉冷	1100℃水淬	-119℃4小时	540℃4小时，HRC64	2.8万张/刃磨1次

Claims (1)

1、一种多类型超细碳化物的高合金工具钢，其特征在于含有(重量％)C0.67～0.75、Si 0.4～0.55、Mn 0.25～0.5、Cr 6.5～7.5、W 3.0～3.8、Mo 1.3～1.6、V 1.0～1.4、Ni 0.15～0.6、S≤0.015、P≤0.02、Fe余量；该合金工具钢制备方法包括采用感应电炉或感应电炉+电渣炉重熔和870℃～1150℃锻轧后，再进行退火、淬火、冷处理和回火处理步骤，其工艺条件为：

(1)退火，加热840℃～860℃，2～4小时后随炉冷；

(2)淬火，加热1060℃～1100℃，保温1.5min/mm之后水冷或油冷；

(3)冷处理，淬后深冷至-80℃～-120℃，保冷0.5～1小时，缓慢升温至室温；

(4)回火，520℃～560℃，恒温2～4小时。

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