CN1040396A - 高强韧性锤锻模具钢 - Google Patents
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Abstract
一种高强韧性锤锻模具钢，含有(重量百分比)0.25～0.32％的碳、1.70～2.10％的铬、0.90～1.30％的镍、0.80～1.00％的钼、0.60～0.90％的硅、0.50～0.80％的锰、另外还含有0.40～0.80％的钨、0.30～0.50％的钒，余为铁和杂质。这种钢经强韧化处理后，具有在600～650℃下保持高的冲击韧性、高的热强性、高的硬度、高的热稳定性和高的热疲劳性，比现有锤锻模具钢的寿命可提高200～300％。这种钢还可用于制造热挤压模具。
Description
本发明属于合金模具钢领域，主要关系到热作模具钢。
目前，国内外用量最大、最典型的锤锻模具钢是5CrNiMo钢，这种钢具有韧性好，淬透性好和价格低廉的优点，但这种钢常因热强性不够而过早失效。近年来国内外发展了不少用于热挤压模具的高热强性热作模具钢，如英国的BH10、BH10A，法国的30DCV28、30DCKV28，美国的H11、H13，中国的3Cr3Mo3VNb等钢种，虽然它们的热强性有了很大的提高，650℃高温抗拉强度可达到813～863MPa，但常温冲击韧性ak只有18.6～26.5J/cm2，其韧性不能满足锤锻模具的要求。在我国虽研制出了5Cr2MoNiV、5Cr2NiMoVSi等新热锻模具钢，其高温强度也有所提高，但由于碳量仍保持在0.5%左右的水平上，所以，它们主要应用于压力机锻模，应用于冲击载荷大的锤锻模具，韧性仍欠不足。
本发明的目的在于提供一种即保持5CrNiMo钢的高韧性、高淬透性的优点，同时又把热强性提到高热强钢水平的锤锻模具钢。
根据锤锻模具的实际工作条件，这种钢应同时具备下列性能指标：①常温冲击韧性ak≥49J/cm2，②300℃高温冲击韧性ak≥78.4J/cm2，③600℃高温冲击韧性ak≥78.4J/cm2，600℃高温硬度Hv≥300，650℃高温硬度Hv≥250，④600℃保温12小时后，常温洛氏硬度HRc≥40，⑤钢的A1点≥750℃，Ms点≥300℃，⑥具有良好的热疲劳性能。
实现本发明的基本构思是：①降低钢中的碳含量，淬火后获得高韧性的低碳马氏体，②加入Cr、Mo、W、V等碳化物形成元素与Ni、Si等非碳化物形成元素，复合实现固溶强化与弥散强化，以提高低碳马氏体的热强性、热稳定性与高温硬度，③实施强韧化热处理工艺，保证高温强度、高温韧性及表面耐磨性的良好配合。
本发明所提供的锤锻模具钢，在成份的设计上与已有的技术相比，其特征在于降低了碳的含量，增加了铬的含量，降低镍的含量和提高钼的含量，同时，又加入少量新的合金元素钨与钒，并在保持锰含量的同时，适量的增加了硅含量，使得本发明的锤锻模具钢，在经过强韧化处理后，具有多元复合合金化的低碳马氏体组织，因此，显著的提高了高温强度、高温热稳定性、高温冲击韧性、高温硬度和冷热疲劳性能，使本发明钢种具有高的高温强韧性和使用寿命。本发明钢种所确定的成份范围（重量百分比，以下皆同）如下：
0.25～0.32%的碳、1.70～2.10%的铬、0.90～1.30%的镍、0.80～1.00%的钼、0.60～0.90%的硅、0.50～0.80%的锰、另外还含有0.40～0.80%的钨、0.30～0.50%的钒，余为铁和杂质。
本发明钢（26Cr2NiMoWVSi，简称262钢）与对比钢（5CrNiMo）的化学成份范围列于表1。
表2是本发明262钢与对比钢5CrNiMo的常温机械性能数据。
表3是本发明262钢与对比钢5CrNiMo钢的高温短时拉伸和高温冲击韧性数据。
表4是本发明262钢与对比钢5CrNiMo的高温硬度数据。
表5是本发明262钢和对比钢5CrNiMo600℃热稳定试验数据。
表6是本发明262钢和对比钢5CrNiMo钢板材热疲劳试验数据。
本发明在成份设计的特征上所基于的理由是：
降低碳的含量，其碳含量一般应控制在0.25～0.32%的范围，以保证加热淬火后获得全部低碳马氏体组织，为高韧性奠定基础;保证淬火硬度为HRC50～52，经回火可使洛氏硬度值调正到HRC38～46，以满足大、中、小型锤锻模具对硬度的要求。
提高铬的含量，其含铬量一般应控制在1.70～2.10%的范围，以用于提高钢的淬透性和高温强度，但铬含量大于2%时，对提高高温强度不利。
把含镍量控制在较低的限度，一般应控制在0.90～1.30%的范围，以用于提高钢的淬透性和改善钢的韧性。
增加钨、钒元素，提高其钼元素的含量，这是由于钨、钼、钒均为强碳化物形成元素，加入0.50%左右的钨，在淬火加热时全部溶入奥氏体，起到提高热强性的作用，又不会导致韧性下降;加入0.60～1.00%的钼，除了提高淬透性与热强性外，还起防止第二类回火脆性的作用;加入0.30～0.50%的钒，除防止钢的过热敏感倾向外，还依靠钒的固溶与碳化钒（VC）的 散强化，来提高钢的热稳定性、高温硬度和高温强度。在多元的复合合金化中，钨、钼、钒的加入量虽然不多，但由于相互复合作用，进一步提高了合金化强韧化的效果。
提高硅的含量，同时保持锰的含量，钢中加入0.60～0.90%的硅，其目的在于提高钢的淬透性、回火稳定性与基体强度。硅溶于α-Fe，提高了α-Fe→γ-Fe的转变温度（即提高A1点）及高温抗氧化能力，硅虽然不是碳化物形成元素，但它可提高回火转变时析出的特殊碳化物的 
散度，因而保证了钢的高温强度、高温硬度与热稳定性;锰的作用除提高淬透性之外，还在于消除硫的有害影响。
对于硫、磷等杂质元素，其含量应尽量限制在最小的范围，一般其含量不应超过0.03%。
本发明锤锻模具钢，是在电弧炉中冶炼的，经1150～1170℃开锻，850～900℃终锻，再于760±10℃高温回火3-4小时软化处理，机加工后，进行强韧化热处理：淬火加热温度为960～980℃，电阻炉加热保温系数为2分/毫米，在油中或空气中冷却，也可采用等温淬火的方法，淬火硬度HRC50～52，淬火组织为板条马氏体+少量残留奥氏体，回火温度600～650℃保持2-4小时，出炉空冷，回火后硬度HRC46～38。这种强韧化热处理可以与渗硼工艺结合起来，其工艺为，在模腔表面敷以渗硼剂与保护剂，用热风机吹干，升温致960℃～980℃保温2-4小时，油冷，600～650℃回火。实行该工艺的渗硼剂配方为：80%SiC+10%B4C+5%KBF4+5%B2O3。将各种粉末混合均匀，用12%醋酸纤维丙酮溶液调成粘稠状，在模腔表面涂敷厚度为2-6毫米，用热风机吹干。实行该工艺所使用的保护剂配方为：65%SiO2+25%Na2CO3+3%Al2O3+7%Cr2O3。将各种粉末混合均匀，用浓水玻璃调合成粘稠状，涂敷在渗硼剂层外侧，涂层厚度为2-4毫米。
本发明钢种可以进行氮化处理，其工艺为：960-980℃加热淬火，淬火加热保温系数为2分/毫米，油中淬火;600-650℃回火2-3小时空冷，模腔表面精磨加工后于氮化炉中530～550℃氮化处理2-4小时，炉冷后出炉。
本发明钢种具有以下特点：
1.由于把已有技术的含碳量为0.50～0.60%降到0.30%左右，运用低碳马氏体的强韧化机理于锤锻模具的成份设计，显著的提高了钢的韧性，尤其是高温冲击韧性。本发明262钢经960～980℃淬火+600℃回火，其洛氏硬度为HRC＝45.5，常温冲击韧性ak＝53.9J/cm2、300℃高温冲击韧性ak＝93.1J/cm2、550℃高温冲击韧性ak＝83.3J/cm2。而对比钢5CrNiMo在经860℃淬火+450℃回火，其洛氏硬度为HRC＝45、300℃高温冲击韧性为ak＝41.2J/cm2、550℃高温冲击韧性为ak＝51.0J/cm2。
2.由于本发明采用了铬、钼、钨、钒、硅、镍多种元素的联合作用，实现了多元复合合金化。淬火加热时，这些合金元素大部分固溶于奥氏体，淬火冷却后，又固溶于低碳马氏体中，在高温回火时，产生固溶强化与特殊碳化物的 
散强化。因此，本发明锤锻模具钢能在高韧性的前提下，具有较高的高温强度、高温硬度和回火稳定性。这种钢在经960～980℃淬火+600℃回火后，其600℃时高温抗拉强度为σb＝897MPa，600℃时高温硬度Hv＝334，而对比钢5CrNiMo，在经860℃淬火+450℃回火，其600℃时高温强度σb＝485MPa，600℃时高温硬度Hv＝205。本发明钢种回火到HRc＝42～45的回火温度比5CrNiMo钢提高了120～150℃;本发明钢种淬火并回火后HRc＝45，在600℃保温12小时后其硬度为HRC＝40～43，比5CrNiMo钢高出硬度值为HRC＝10以上，回火稳定性明显提高。由于多种合金元素的复合作用，使本发明钢种的Ms点提高到358℃，A1点提高到805℃，明显有利于高韧性低碳马氏体的形成及材料热强性的提高。
3.钼、铬等合金元素含量的变化，显著地推迟了本发明钢的奥氏体→珠光体转变，发生奥氏体→珠光体转变的临界冷却速度为0.15～0.20℃/S，发生奥氏体→贝氏体转变的临界冷却速度为1.50℃/S。本发明钢种具有很好的淬透性，φ350mm×500mm的圆柱，1000℃加热油淬，可以完全淬透。
4.本发明钢种加热至1150℃，形成单相奥氏体组织，高温锻造无锻裂倾向。850～900℃终锻后空冷可获得淬火马氏体+贝氏体复相组织，洛氏硬度大于HRc44，无白点与开裂倾向，锻造性能良好。
5.本发明钢种，锻造后软化退火工艺可以为850℃奥氏体化后于720℃±10℃等温6-7小时，炉冷，可获得Hv＝239，但这种工艺，周期长，能耗大。生产中推荐采用760℃高温回火3-4小时（空冷，得到回火索氏体组织）可获得硬度为HB＝229，便于机加工。
6.本发明钢的热处理工艺是：最佳淬火加热温度为960～980℃，奥氏体晶粒度一般为8～10级，空气炉加热保温系数一般为2分/毫米，大、中型模具一般采用油淬，小型模具可采用等温或空冷方式淬火。
淬火硬度一般为HRc50～52，淬火组织为板条状低碳马氏体+3%左右的残留奥氏体。
加热至960～980℃油淬后，600℃回火，其硬度值为HRc45，625℃回火时则为HRc43，650℃回火时则为HRc40，回火温度从600℃提高到650℃，它们断裂韧性K1C从73.7MPa 迅速提高到144MPa ，对于冲击载荷大的大型模具推荐采用630～650℃回火。
7.由于本发明钢种降低了碳含量，抗冷热疲劳的性能显著提高，650℃～20℃冷热循环1000次，纵向裂纹长度为0.75mm，同样试验条件下的5CrNiMo钢的纵向裂纹长度为1.80mm。
8.本发明钢种具有良好的铸造性能，可以直接铸造出型腔复杂的模块，经过热处理后，也可获得良好的强韧性。
9.本发明钢种，可以与化学热处理结合起来，实现心部强韧化与表面硬化的复合处理，利用960～980℃的淬火加热温度特性，可把淬火与渗硼处理合为一个工序进行，其实施工艺为：在模腔表面敷以渗硼剂与保护剂用热风机吹干，升温至960～980℃保温2-4小时油冷，600～650℃回火，这一工艺也可用于热挤压模。
利用高于600℃的回火特性：对于型腔复杂，变形要求严格的模具，可以在模腔精加工之后实施软氮化或辉光离子氮化处理，氮化温度为530～550℃，2-4小时。这种工艺可提高表面硬度与耐磨性，心部的强韧性不受影响，5CrNiMo无法实施这一表面强化工艺。
此外，本发明钢种由于组织细小均匀，特别有利于电解加工，经这种加工后的表面光洁度明显优于对比钢。
本发明钢种262钢与对比钢5CrNiMo相比，由于把含碳量从0.50～0.60%降低到0.30%左右，由于增加0.50%的钨，0.50%的钒和1.00%的铬，成本增加了30～40%，但模具的使用寿命可提高200～300%。目前，国内每年用于锤锻模具的5CrNiMo钢大约为3000吨，如果采用本发明钢种262钢，那么，锤锻模具钢用量可降到1200吨，每年节省钢材达700万元。模具寿命的提高，不仅可以节省制造模具用的钢材，同时还可以取得下面几点社会效益：①节省模具的加工工时与机时，②节省更换、校准模具的时间，提高了生产效率，③提高锻件的尺寸精度，减少产品的机加工量。因此，本发明具有明显的经济效益和社会效益。
本发明钢种262钢特别适用于大、中、小型各种类型的锤锻模具、也适用于制造热挤压模具。
本发明的具体实施例如下：
实施例1：
煤矿运输机联接环热锻模具，尺寸为232×175×75mm，采用本发明1号钢制造。经1150℃加热锻造，三镦三拔，终锻温度850℃，空冷。然后760℃保温3小时软化处理，HB235。经机加工成模块，然后960℃加热150分，油中淬火。640℃回火3小时，回火后模具洛氏硬度HRc42。电解加工开模腔，后经手工修整模腔后转锻造车间使用。一吨蒸汽锤，被锻材料为23MnVB钢，锻料加热到1150～1180℃，每分钟锻打18-20件，模具在工作中仅用锯末润滑，模块使用寿命为7000件，比5CrNiMo钢模具寿命1500-2000件提高了2-3倍。
实施例2：
铸态262钢汽车右转向节锻模，尺寸为440×315×350mm，按本发明3号钢成分冶炼，铸成模块。1000℃均匀化处理5小时，保温后炉冷。然后760℃软化处理，保温4小时，HB240。进行机加工，开模腔，然后980℃加热3-4小时，油冷淬火，HRc51。630℃±10℃回火4小时，HRc42-43。在二吨锤上使用，另件材料为45号钢，加热致1180℃。铸造模具使用寿命为3000件，比5CrNiMo钢模具寿命1500件提高1倍。
实施例3：
渗硼复合强韧化热挤压模具：10吋活搬手活咀热挤压模具。尺寸为φ140×150mm。原来使用3Cr2W8V钢，1130～1150℃加热淬火，600℃回火HRc46-48。挤压45号10吋活咀3000件，模具因变形失效。改用3Cr2W8V钢渗硼处理，940℃渗硼4小时，升温致1130～1150℃淬火，常常出现渗硼层熔化现象，无法实现心部强韧化与表面硬化复合处理工艺。后改用本发明2号钢制造，模具在电解开型腔之后，在模腔表面敷以渗硼剂，在940℃加热3小时，升温致960～980℃保温0.5小时，油中淬火，600℃回火，心部硬度为HRc44-46，表面硬度为HV900-1200，渗硼层厚度为0.05毫米。模具在250吨磨擦压力机上使用，热挤压45号钢活咀8000件，使用寿命提高260%。
表2 本发明262钢和5CrNiMo钢的常温机械性能数据
表3 本发明262钢和5CrNiMo钢的高温短时拉伸和高温冲击韧性数据
表4 本发明262钢和5CrNiMo钢的高温硬度（HV）数据
Claims (5)
1、一种高强韧性锤锻模具钢，其特征在于化学成份(重量百分比)为0.25～0.32%碳、1.70～2.10%铬、0.90～1.30%镍、0.80～1.00%钼、0.40～0.80%钨、0.30～0.50%钒、0.60～0.90%硅、0.50～0.80%锰，余为铁和杂质。
2、一种高强韧性锤锻模具钢，其特征在于强韧化热处理工艺为：淬火加热温度为960～980℃，电炉加热保温系数2分/毫米，在油中或空气中冷却，也可采用等温淬火方式，回火温度600～650℃，这种工艺可与化学热处理结合起来一起进行。
3、根据权利要求2所述的强韧化工艺，其特征在于960～980℃加热可与渗硼处理结合起来，其工艺为：在模腔表面敷以渗硼剂与保护剂，用热风机吹干，升温致960～980℃保温2-4小时，油冷，600～650℃回火。
4、根据权利要求2所述的强韧化处理工艺，其特征在于600～650℃回火后，可进行氮化处理，其工艺为：960～980℃加热淬火，其保温系数为2分/毫米，油中淬火，600～650℃回火2-3小时，空冷，模腔表面精加工后于氮化炉中530～550℃氮化处理2-4小时，炉冷后出炉。
5、根据权利要求2或3所述的强韧化工艺，其特征在于，渗硼配方是由渗硼剂和保护剂组成，其渗硼剂为：80%SiC+10%B4C+5%KBF4+5%B2O3，将各种粉末混合均匀，用12%醋酸纤维丙酮溶液调成粘稠状，在模腔表面涂敷厚度为2-6毫米;保护剂为：65%SiO2+25%Na2CO3+3%Al2O2+7%Cr2O3，将各种粉末混合均匀，用浓水玻璃调合成粘稠状，涂敷在渗硼剂层外侧，涂层厚度为2-4毫米。
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