CN103276298B

CN103276298B - 高硬高韧冷热兼作模具钢及其生产方法

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Publication number: CN103276298B
Application number: CN201310230689.2A
Authority: CN
Inventors: 张占普; 马党参; 吴立志; 牛旭斐; 迟宏宵
Original assignee: Heye Sci & Tech Co Ltd
Current assignee: Heye Sci & Tech Co Ltd
Priority date: 2013-06-09
Filing date: 2013-06-09
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2033-06-09
Also published as: CN103276298A

Abstract

本发明涉及一种模具钢，尤其涉及一种高硬高韧冷热兼作模具钢；其由以下重量百分比计的成分制成：C：0.50-0.65%；Si：0-0.35%；Mn：0.20-0.50%；Cr：5.00-6.00%；Mo：1.00-2.30%；W：0-1.50%；V：0.40-1.00%；Nb：≤0.25%；Co：≤1.00%；S：≤0.010%；P：≤0.025%；余量为铁和杂质，且同时满足Mo+0.55W的重量百分比为1.80-2.30%，碳饱和度Ac：0.90-1.10。本发明同时提供了一种高硬高韧冷热兼作模具钢的生产方法。本发明的高硬高韧冷热兼作模具钢与传统热作模具钢相比，具有较高的适用硬度范围（54-58HRC）、强度（4000-4700MPa）、高韧性（≥200J/cm²）以及抗回火稳定性，其综合性能较强。

Description

高硬高韧冷热兼作模具钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种模具钢，尤其涉及一种高硬高韧冷热兼作模具钢；本发明同时提供了一种高硬高韧冷热兼作模具钢的生产方法。

背景技术

传统的热作模具钢有3Cr2W8V（H21）、Cr5类（H13、H12、H11、SKD61等）、各国最新发展的Cr5系列热作模具钢（W400、DIEVAR、ADC3、GS344M、GS999、DAC55、DH31-S等）、Cr3系列热作模具钢（国外QRO45、QRO80、QRO90、H10等，国内开发的3Cr3Mo3V、HM1、HM3、GR、HD、TM、Y4等），在韧性和强度提升方面各有优点，但这些热作模具钢的适用硬度均在35-55HRC范围内，其硬度较低；而国内外新开发的Cr8系高韧高耐磨冷作模具钢LD、HYC3、GM、DC53、ER5、Cr8MoV2Ti、80Cr7Mo3W2V、DC53、ASSAB-88、CRU-WEAR、QCM8、LEXCOWEAR、Vertex、PGK、VascoDIE、TCD、CPM3V专用于冷作模具，其Cr含量和C含量高，与D2、M2等钢相比较，其韧性高，设计和适用硬度范围在58-64HRC之间，但与热作模具钢相比，其韧性相差较多。基体钢H42、012Al、65Nb等合金成分多，仍存在较多的一次碳化物，易成为模具的裂纹源，且韧性仍显不足。因此，现有的模具钢均不能同时满足具有足够高的韧性以及足够高硬度的要求。

此外，利用连续挤压工艺生产铝、铜各种扁线、异型材等产品，如高铁电缆线、铜排、铝排、铝管、汽车平行流扁管、铝包钢线、OPGW包覆线等，完全改变了传统的拉拔工艺，不仅提高产品质量，同时能生产复杂形状的产品品种，其操作简单性能稳定，无需退火、能耗低、较大幅度降低了劳动强度，改善了生产环境。常温坯料在摩擦力作用下被挤压轮拽入并随其旋转，靠挤压和摩擦力将坯料温度升到高塑性状态温度（Al为500℃，Cu约550℃），发生塑性变形后被压入模腔，遇模腔鼻子阻挡导向模孔被挤出形成要求的产品形状。

在如上的连续挤压工艺制造产品过程中，在加料连续挤压开始后，模腔鼻子受到坯料很大的撞击，随后模腔鼻子受500-550℃的塑变挤压和转向摩擦力，工作条件极为苛刻，因此，其要求模腔材料有高的热强度、高的韧性和高的耐回火软化能力。而现有的挤压模腔材质普遍选用标准牌号的H13，或改良的优质和特优质H13，部分挤压条件过于苛刻的情况，也有采用高温合金作鼻子与H13腔体结合形成的组合式模腔。但随着挤压合金牌号和性能（强度）的提高，产品品种和规格的增多，单支产品重量的增大（50吨以上），产品质量要求（尺寸精度和金属夹杂）的提升，以及设备性能（挤压速度）的提高，模腔的使用条件更加苛刻。以前的模腔用钢材料，因为硬度和强度偏低（54HRC以下），鼻子部分磨损、变形加快，韧性不足，易发生早期断裂，难以维持模具的寿命。因此，在对模具报废原因详细调查分析后得出：①硬度偏低、强度不够和抗软化能力不足是其主要原因；②现有的模具钢都是强调了Si对二次硬化的重要作用，但Si对韧性降低还有很不利的影响，对抗回火稳定性也不利；③热处理硬度偏高时，晶粒粗化，韧性偏低；④成分的偏析导致组织的差异产生应力、气体含量和非金属夹杂物不纯度等，对钢的韧性和均匀性有很大的影响，从而造成以碳化物、非金属夹杂物为开裂源点，并使裂纹易扩展造成模具快速失效。此外，在钢中的P、Sn、Sb等的有害元素主要在晶界发生偏析，使晶界脆化，裂纹沿脆化的晶界扩展，也加快了模具早期断裂现象的发生，进一步影响了模具的寿命。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种具有较高的硬度、同时兼具较高韧性的高硬高韧冷热兼作模具钢。

为实现上述目的，本发明的高硬高韧冷热兼作模具钢，其由以下重量百分比计的成分制成：

C：0.50-0.65%；Si：0-0.35%；Mn：0.20-0.50%；Cr：5.00-6.00%；Mo：1.00-2.30%；W：0-1.50%；V：0.40-1.00%；Nb：≤0.25%；Co：≤1.00%；S：≤0.010%；P：≤0.025%；余量为铁和杂质，且同时满足Mo+0.55W的重量百分比为1.80-2.30%，碳饱和度Ac：0.90-1.10。

作为对上述方式的限定，所述的高硬高韧冷热兼作模具钢用于挤压模腔的制造。

同时，本发明还涉及一种高硬高韧冷热兼作模具钢的生产方法，所述的高硬高韧冷热兼作模具钢具有如上任一方案中所述的成分，其采用电渣重熔、真空脱气+电渣重熔、喷射成型中任一种生产钢锭的方法制成。

本发明的技术方案，对构成模具钢的成分进行了优化设计，提高C含量的同时，提高W、Mo、V合金总含量，保证增强二次硬化能力，提高钢的硬度、强度和抗回火软化能力，调整V含量，控制C与碳化物形成元素关系的碳饱和度值，以得到55-58HRC高的二次硬度和强度，控制Si含量，使钢在高硬度下仍具有足够高的韧性和强度。同时，为了使本发明的高硬高韧冷热兼作模具钢能够符合制造挤压模腔所需材料的要求，其将可能成为裂纹源的非金属夹杂物控制到更小更少，对S含量和碳化物数量和形貌进行了有效的控制，把P和其他有害元素As，Sn，Sb，Cu，B，Pb，Bi的含量控制在特定值以下，以进一步提高韧性，有效地防止模具的断裂缺损。具体来讲：

（1）Si通常作为脱氧剂添加，在H13等传统的热作模具钢、高韧耐磨冷作模具钢，以及低合金高速钢、基体高速钢和某些特定高速钢中，都强调并利用了Si对钢二次硬化的贡献，本发明钢中将Si含量由传统的1.0%Si降低至0.35%Si以下时，热处理正常硬度范围虽然由58-62HRC降低到54-58HRC，但冲击韧性却提高了30%以上，而且在其正常硬度范围内其韧性变化不大，因此相同硬度下韧性对比同样提高30%以上。但由于Si是脱氧剂，完全去除不可能，对钢的氧含量控制也造成极大困难，因此本发明钢对Si含量确定为大于0，且≤0.35%Si。

（2）在本发明钢中，Cr最重要的作用是保证钢的淬透性，特别对于截面较大的模具，淬透性尤为重要，在高速钢中Cr为4.0%左右，对于较大截面的模具淬透性稍显不足，为保证足够的淬硬性，Cr规定下限为5.0%Cr；但Cr在凝固时析出M₇C₃一次碳化物，本发明钢的耐磨性和抗回火软化性，主要依靠回火析出的Mo、W、V二次硬化合金碳化物，尽量控制一次碳化物的数量，特别是控制Cr的碳化物在热处理后的钢中存在量，一次碳化物是造成韧性降低的主要原因，因此Cr的上限控制在6.0%Cr。

（3）Mo、W提高淬透性，W、Mo主要是回火析出二次碳化物，是强二次硬化元素，提高钢的热强性和抗回火软化，因W、Mo与C形成碳化物的当量关系是：1%Mo相当于1.8%W，W和Mo可以相互替代，但Mo比W更有效，Mo对改善韧性有利，W提高耐热性更有效。此外，在挤压模腔挤压成形加工中坯料温度是500-550℃，模腔材料抗回火软化对模腔寿命保持十分重要，根据实际挤压研究，模腔硬度在55-57HRC范围较合适。大量的研究表明，当(Mo+0.55W)达到2.0%左右时，其二次硬化能力达到较高水平，超过此量则二次硬化能力提高较少，韧性损失较多，因此，确定Mo：1.00-2.30%，W：0-1.50%，同时满足Mo+0.55W：1.80-2.30%。

(4)V也是强二次硬化形成元素，形成MC型碳化物VC，特别是二次回火析出的MC型碳化物对耐磨性贡献最大，V也有超晶粒细化作用；但V在凝固过程中形成VC型共晶碳化物，大量研究表明，超过1%V，形成VC过多成链状分布，热处理时也基本上不发生变化，对钢的韧性造成极大的影响，而且往往成为裂纹源，本钢的发明为的是在传统热作模具钢基础上，提高强度和硬度、抗回火稳定性，并尽可能保持高的韧性，因此V规定为0.40-1.00%。

（5）Nb是晶粒细化元素，提高淬火温度，提高W、Mo、V溶入奥氏体的量，从而增强二次硬化效果，同时保持细晶高韧性，Nb是强MC型碳化物形成元素，由于凝固时其析出温度高，一次碳化物容易形成大块MC型碳化物，在热处理过程中不发生变化，往往成为裂纹源，虽然Nb的MC型碳化物对耐磨性有很大的作用，但本身二次硬化能力很弱，因此本发明钢利用其细化晶粒，提高淬火温度从而提高二次硬化效果的作用，为避免形成大块碳化物影响韧性，不利用其对耐磨性的贡献，因此可以少量加入Nb，但控制Nb≤0.25%。

（6）Co是很贵重的合金元素，能够提高二次硬化能力，Co≤1.0%时，影响不很明显。但本发明钢的硬度已经比较合适，无需再大幅提高硬度，为控制Co对钢的成本增加，以及钢的热处理硬度的一致性，因此本发明钢不有意添加Co，但允许Co≤1.0%。

（7）Ni、Cu：对钢的性能影响不大，作为残余元素，通常分别控制≤0.20%。

（8）Mn通常作为脱氧剂添加，在钢中与残存的S形成MnS，改善S的危害；一般Mn/S≥20；本钢种中要求S≤0.010%，因此控制Mn：0.20-0.40%即可。

（9）P是晶界偏聚元素，对钢的冲击韧性影响很大，P含量越低，对钢的韧性越有利，特别是0.015%以下钢的冲击值纵横异性显著减小，但由于高合金钢冶炼时对P去除很难，主要通过控制原料P含量达到要求，考虑经济性问题本钢控制P≤0.025%。

（10）S是非金属夹杂物形成元素，为改善消除S与Fe等其它元素形成低熔点非金属夹杂的危害，控制适量Mn与S形成MnS，但MnS在压延方向延伸分布，使压延方向的韧性降低。希望S含量越低越好，本钢要求S≤0.010%。

（11）Sn、Pb、As、Bi、B等有害元素，在凝固时在晶界偏聚，变形后形成带状偏析，热处理时在奥氏体晶界进行偏聚，降低钢的韧性，本发明模具钢要求Sn、Pb等有害元素总量希望控制在0.015%以下，具体为As 0.005%以下，Sn 0.006%以下，B 0.003%以下，Pb 0.0025%以下，Bi 0.001%以下。

（12）碳饱和度Ac值和C含量：

碳饱和度Ac=Cs/Cp

其中，Ac为碳饱和度；Cs为钢的实际碳含量；

Cp=0.033W+0.063Mo+0.060Cr+0.2V。

C是使钢具有需要的硬度、强度、耐磨性的最主要元素，为了得到55-58HRC的热处理硬度，碳含量0.5%以上是必要的。C和Cr，W，Mo，V形成碳化物有着定量平衡的关系，即碳饱和度Ac值，决定着钢的耐磨性，Ac值太小则碳含量不足，钢硬度低，Ac值过大则碳含量过剩，一次碳化物增多，韧性降低，设定碳饱和度Ac值为：0.95-1.15。与本钢种W、Mo、V、Cr及(Mo+0.55W)具体规定相匹配，C的上限规定不超过0.65%，即C：0.50-0.65%。

此外，本发明高硬高韧冷热兼作模具钢可采用常用的生产方法进行制造，如（电弧炉冶炼+LF+浇注铸锭+锻、轧成材；或中频炉冶炼+浇注自耗电极+电渣重熔成电渣锭+锻、轧成材），但为了达到更好的效果，基于本发明的高硬高韧冷热兼作模具钢的生产需要降低S，P和As，Sn，Sb，Cu，B，Pb，Bi等有害元素以及O、H、N气体，为了控制这些有害元素到更低限度以提高韧性，最好采用钢水真空脱气+电渣熔炼的精炼方法。此外，还可采用更先进的喷射成形和粉末冶金工艺制备钢锭，可以更有效地减小化学成分偏析，控制一次碳化物数量和形貌，可极大提高钢的韧性和各向同一性。

为了进一步控制一次碳化物数量、形貌和化学成分偏析，本发明钢在用上述冶炼方法制备成钢锭后，可在随后进行的钢锭加热变形加工的过程中，至少一次保持1150-1250℃高温加热扩散处理工艺，以实现均质化的目的。如扩散温度不到1150℃，不能进行元素充分的扩散和均质化；而超过1250℃，部分碳化物过热形貌变差，降低了钢的机械强度，所以上限为1250℃。

本发明高硬高韧冷热兼作模具钢，采用1030-1070℃淬火，510-550℃回火2次，按国标GB/T230、GB/T14452、GB/T229等标准检验，其性能指标见下表：

性能	指标
		硬度，HRC	54-58
抗弯强度σ_bb，MPa	4000-4700
		无缺口冲击韧性α_k，J/cm²	≥200

综上所述，本发明的高硬高韧冷热兼作模具钢与传统热作模具钢相比，具有较高的适用硬度范围（54-58HRC）、强度（4000-4700MPa）、高韧性（≥200J/cm²）以及抗回火稳定性，其综合性能较强；其用于制造铝、铜及其合金热挤压成形所需的挤压模腔时，满足其所需要的高韧性、高强度的要求，制成的挤压模腔可以比H13更耐磨，且不易开裂和变形，进而有效的提高了挤压模腔的寿命。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进行进一步详细说明：

实施例钢的冶炼原材料为：模具钢返回料、工业纯铁、钨铁、钼铁、铬铁、钒铁等，经中频+电渣重熔→钢锭→钢锭加热均质化→快锻精锻机变形→方坯→轧制成品材或锻制成锻件成品；

针对实施例1，自轧制的方钢14mm方和φ14mm圆钢取样制备冲击和抗弯试样，进行热处理性能实验，其检测和实验结果列于下表：

由于无缺口10mm×10mm×55mm标准试样不能冲断，采用7mm×10mm×55mm扁试样进行冲击，其值为冲击功与截面积之比；

抗弯试样采用φ10mm×180mm标准试样，三点弯曲；

淬回火硬度在冲击试验后的试样上用洛氏硬度计测试；

将实施例1的高硬高韧冷热兼作模具钢，采用20t中频+LF+VD冶炼→ESR成φ315mm锭→退火→钢锭加热均质化→SX55精锻成110mm方→退火精整→下料→加热→750kg空气锤三镦三拔成φ120mm×75mm锻件→高温球化退火→机加工成φ110mm×66mm，进行真空热处理；1050℃淬火，530℃回火两次，再精加工成成品挤压铝模腔。检测硬度为56.5HRC。

经用户使用，与H13制作相同模具相比，H13模具挤压铝制品55吨报废；本发明钢挤压80吨仍能使用，寿命提高60%以上。

Claims

1.一种高硬高韧冷热兼作模具钢，其特征在于其由以下重量百分比计的成分制成：

C：0.50-0.65%；Si：0-0.35%；Mn：0.20-0.50%；Cr：5.00-6.00%；Mo：1.00-2.30%；W：0-1.50%；V：0.40-1.00%；Nb：≤0.25%；Co：≤1.00%；S：≤0.010%；P：≤0.025%；余量为铁和杂质，且同时满足Mo+0.55W的重量百分比为1.80-2.30%，碳饱和度Ac：0.90-1.10；所述的高硬高韧冷热兼作模具钢用于铝、铜及其合金热挤压成形所需的挤压模腔的制造。

2.一种高硬高韧冷热兼作模具钢的生产方法，其特征在于：所述的高硬高韧冷热兼作模具钢具有权利要求1 所述的成分，其采用电渣重熔、真空脱气+ 电渣重熔、喷射成型中任一种生产钢锭的方法制成。