專利名稱：粉末冶金高韌性冷作模具鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于含釩或鈮的鐵基合金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型粉末冶金高韌性冷作模具鋼及其制備方法。
背景技術(shù)：
模具是工業(yè)生產(chǎn)中極其重要而又不可或缺的特殊基礎(chǔ)工藝裝備，使用模具批量生產(chǎn)制件具有高生產(chǎn)效率、高一致性、低耗能耗材，以及有較高的精度和復(fù)雜程度，已越來越被各工業(yè)生產(chǎn)部門所重視。冷作模具的主要失效形式包括磨損、斷裂以及塑性變形等，冷作模具材料的主要評價指標包括耐磨性能、沖擊韌性、抗彎強度以及硬度等四個方面。冷作模具鋼的耐磨性能主要取決于鋼中存在的硬質(zhì)第二相，硬質(zhì)第二相的種類包括M6C、M2C, M23C6, M7C3以及MC等，MC碳化物的顯微硬度高于其他碳化物，能夠更好的保護基體，減少磨損發(fā)生，提高模具的使用壽命。冷作模具鋼的沖擊韌性以及抗彎強度是反映韌性的重要指標，鋼中粗大碳化物的存在引起應(yīng)力集中，使模具韌性降低，導(dǎo)致在較低的外力加載下發(fā)生斷裂，為了提高冷作模具鋼韌性，減少碳化物含量或細化碳化物粒度是重要的手段。為了避免塑性變形的發(fā)生，對冷作模具鋼的硬度有一定要求，冷作模具鋼的硬度主要決定于基體的形態(tài)，馬氏體形態(tài)基體相比奧氏體形態(tài)基體具有更高的硬度，合金在基體中的固溶以及均勻分布的細小析出相能使硬度進一步提高。本申請人的在先中國發(fā)明專利申請CN200910009173.9公開了一種“釩鈮復(fù)合合金化的冷作模具鋼及其制備方法”，該冷作模具鋼按質(zhì)量百分比計包含:V:5.0%-12%，Nb:
0.2%-5.0%, C:2.2%-2.8% , Si: ^ 1.3%, Mn:0.2%-0.9%, Cr:4.0%-5.6%, W: ^ 1.00%, Mo:(6.00%,余量為鐵和雜質(zhì)。該冷作模具鋼含有V和Nb形成的富V型碳化物和富Nb型碳化物，且其耐磨性能為Crl2的20倍以上，M2的10倍左右，且沖擊韌性ak為30-70J/cm2。然而，由于該冷作模具鋼具有較高含量的V和Nb，生產(chǎn)成本較高。并且，在現(xiàn)有技術(shù)中，有時需要相對更高的沖擊韌性，以及良好的耐磨性能，例如對一些高強度板材的沖壓成型，模具工作中，模具表面反復(fù)承受很大的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，模具的失效主要表現(xiàn)為崩刃、磨損和疲勞斷裂等，模具材料韌性的提高使模具發(fā)生崩刃以及疲勞斷裂的風(fēng)險降低，耐磨性能提高減少模具發(fā)生磨損的程度，故模具具備良好的韌性、耐磨性能，以及一定的硬度有助于提高模具的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種粉末冶金法制備的高韌性冷作模具鋼，具有更加優(yōu)異的韌性，同時也具有良好的耐磨性能，且成本較低。本發(fā)明的另一目的是提供制造所述冷作模具鋼的方法。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案:一種粉末冶金高韌性冷作模具鋼，其中，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比包括:
V:2.5%-6.0%, Nb:0.2%_2.5%, C:0.5%-2.0%, S1: ^ 2.0%, Mn:0.2%-l.5%, Cr:4.0%-5.6%，Mo 3.0%，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)；其中，所述冷作模具鋼中Nb固溶于V形成的MC型碳化物相，且MC型碳化物相呈彌散分布狀態(tài)，在所述冷作模具鋼中的體積分數(shù)是1.5% - 12.0%。所述化學(xué)成分按質(zhì)量百分比包括:V:2.8%-3.5%, Nb:0.5%_1.7%, C:0.8%_1.2%,Si 1.3%, Mn:0.2%-1.5%, Cr:4.8%-5.4%, Mo:彡 2.0%，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。所述冷作模具鋼的V當量為2.6% — 7.0%，所述V當量定義為Neq = V+0.65Nb。所述冷作模具鋼的基本相中馬氏體的質(zhì)量分數(shù)>95%，其余為殘余奧氏體。MC型碳化物相的最大尺寸< 2.5 μ m,粒度D5tl ( 1.2 μ m。MC碳化物最大尺寸< 2.0 μ m,碳化物粒度D5tl ^ 0.9 μ m0所述雜質(zhì)包括S和P，且S彡0.1%，P彡0.03%。制備前述冷作模具鋼的方法，其中，所述方法包括如下步驟:I)配料:提供按照如下合金元素配比的金屬原料:V:12%_20%，Nb:0.5%_4.5%，C:2.5%-4.8%, S1:彡 2.0%, Mn:0.2%-1.5%, Cr:4.0%-5.6%, Mo S 3.0%，余量為鐵和雜質(zhì)；2)熔煉:采用中頻感應(yīng)熔煉對所述金屬原料進行熔煉，熔煉溫度為16000C _1680°C，熔煉時間15-30分鐘，得到均勻的合金熔體；3)霧化制粉:利用真空氣霧化對合金熔體進行霧化得到合金粉末，霧化澆鋼溫度為1600°C _1680°C，對霧化中間包采用加熱措施，保溫溫度為800°C -1300°C，霧化氣體為高純氮氣，霧化氣壓> 2.52 X IO6Pa,霧化后粉末平均粒徑30-150 μ m ；4)熱等靜壓:采用熱等靜壓工藝對合金粉末進行成型，形成壓坯，熱等靜壓溫度為IlOO0C -1160O，壓力彡 IlOMPa ；5)鍛造:對壓坯進行壓力鍛造得到鍛件，鍛造溫度為1095°C _1170°C，停鍛溫度不低于930°C，鍛后入沙坑緩冷；6)熱處理:對鍛造后的鍛件進行退火、淬火和回火熱處理，得到本發(fā)明的冷作模具鋼。所述退火處理包括:將鍛件加熱到880 0C -910 °C,保溫時間2小時，隨后以(15°C /小時的冷速冷至530°C，然后爐冷或靜止空氣空冷至50°C以下。所述淬火處理包括:將退火后的鍛件在鹽浴815°C _845°C預(yù)熱，溫度均勻后放入鹽浴1000°C — 1200°C的溫度下保溫30 — 45分鐘，隨后淬入530°C _550°C鹽浴，并空冷至50°C以下。所述回火處理包括:將淬火后的鍛件鹽浴加熱到540-670°C的溫度并保溫1.5-2小時，隨后空冷至50°C以下，如此重復(fù)2到3次。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:1、本發(fā)明對各合金元素含量進行了優(yōu)化設(shè)計，通過合適的熱處理，殘余奧氏體含量處于非常低的值，基體主要以 馬氏體形式存在，硬度可達到HRC60以上，滿足一般模具材料對硬度的要求。2、本發(fā)明的關(guān)鍵在于基于對不同成分MC碳化物的研究，發(fā)現(xiàn)鈮合金在MC碳化物中的固溶能夠降低富釩MC碳化物形核勢壘，從而達到提高MC碳化物形核率的作用，使析出MC碳化物能夠更加細小，有利于冷作模具鋼韌性的提高，本發(fā)明的冷作模具鋼的沖擊韌性可以達到40-85J/cm2。3、通過熱力學(xué)計算，本發(fā)明合金鈮含量處在合適的范圍內(nèi)，同時鈮主要以固溶于富釩MC碳化物的形式存在，避免了 NbC相在鋼液中形成。4、本發(fā)明采用了粉末冶金工藝制備冷作模具鋼，粉末冶金工藝快速冷卻的特點避免了合金元素的偏析，采用了合適的工藝參數(shù)保證了粉末冶金工藝能夠順利進行，同時在霧化制粉過程中采取對霧化中間包進行加熱保溫措施，使得到的鋼組織均勻，MC碳化物非
常細小。
具體實施例方式下面，結(jié)合實施例進一步詳細解釋本發(fā)明的冷作模具鋼及其制備方法。在本說明書中，鋼中的合金化元素的含量以質(zhì)量百分比表示，除非另外說明。在本發(fā)明的冷作模具鋼中，在添加一定量元素V的同時，添加一定量的元素Nb。如前所述，Nb的作用在于降低MC碳化物的形核勢壘，促進更加細小MC碳化物的形成，從而提高本發(fā)明鋼的韌性。為了達到滿意的綜合性能，本發(fā)明鋼中的各合金成分應(yīng)控制在上述所給范圍之內(nèi)，下面對本發(fā)明中各合金元素的作用進行詳細說明。C:C是MC碳化物的組成兀素之一，C的含量至少大于0.5%,最大含量小于2.0%。C含量的優(yōu)選范圍為0.8%-1.2%,在此范圍內(nèi)，C元素充分參與碳化物的形成且不會有過多的C固溶于基體導(dǎo)致殘余奧氏體含量增加。V:V主要和C反應(yīng)生成硬質(zhì)MC碳化物相，提高材料的耐磨性能。V含量控制在
2.5%-6.0%，且優(yōu)選2.8%-3.5%`，同時匹配相應(yīng)的C含量來形成MC型碳化物。Nb =Nb的作用在于降低MC碳化物的形核勢壘，促使MC碳化物在鋼液凝固過程中具有更高的形核率，從而使最終MC碳化物尺寸更為細小。Nb的主要存在形式為固溶于MC碳化物中，形成成分特點為富V含Nb的MC碳化物。Nb的含量大于0.2%，使MC碳化物中能夠固溶足夠量的鈮，對MC碳化物起到充分細化作用，Nb的含量應(yīng)小于2.5%，避免NbC在鋼液中形成，Nb的含量優(yōu)選為0.5%-1.7%。Cr =Cr的作用在于固溶于MC碳化物，提高MC碳化物的穩(wěn)定性，促使更多MC碳化物析出。本發(fā)明鋼中的Cr含量為4.0%-5.6%，優(yōu)選范圍為4.8%_5.4%。Mo:本發(fā)明鋼中Mo的作用類似Cr，其作用在于促使更多MC碳化物析出。本發(fā)明鋼中Mo含量范圍是Mo ( 3.0%，且優(yōu)選范圍為Mo ( 2.0%。Si =Si在本發(fā)明冷作模具鋼中不參與碳化物的形成，它主要是作為一種脫氧劑和基體強化元素來使用，Si過多會使基體的韌性下降。因此本發(fā)明的鋼中Si含量范圍是Si ( 2.0%，優(yōu)選 Si ( 1.3%οMn:Mn作為脫氧劑加入，同時固硫減少熱脆性，另外Mn顯著增加淬透性。在本發(fā)明鋼中的Mn含量范圍是0.2%-1.5%。其中上述雜質(zhì)包括磷、硫等制備過程中不可避免的元素。在本發(fā)明的冷作模具鋼中 S 彡 0.1% 并且 Ρ<0.03%。在本發(fā)明的冷作模具鋼中，Nb、V及C形成富V含Nb的MC型碳化物，通過如下定義V當量，Veq (質(zhì)量％)=V+0.65Nb。在一個優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明冷作模具鋼中的V當量為:2.6%-7.0%。本發(fā)明的高韌性冷作模具鋼的制備方法包括如下步驟:I)提供具有上述合金元素組成的金屬原料。2)采用中頻感應(yīng)熔煉對所述金屬原料進行熔煉，熔煉溫度為1600°C -1680°C，整個熔煉時間15-30分鐘，最后得到均勻的合金熔體。3)采用真空氣霧化的方法對合金熔體進行霧化得到合金粉末。霧化澆鋼溫度為1600°C -1680°C。澆鋼鋼液從中頻感應(yīng)爐留出經(jīng)由霧化中間包流入噴嘴最后進入霧化塔，為了防止鋼液流經(jīng)霧化中間包時鋼液溫度降低過快導(dǎo)致大顆粒MC碳化物形成，對霧化中間包采取了加熱保溫措施，防止MC碳化物在進入霧化塔前形成，霧化中間包保溫溫度為800°C -1300°C。霧化氣體為高純氮氣，霧化氣壓> 2.52X 106Pa，霧化后粉末平均粒徑30-150 μm。4)采用熱等靜壓工藝對合金粉末進行成型，形成壓坯，熱等靜壓溫度為IlOO0C -1160°c，壓力> IlOMPa05)對壓坯進行壓力鍛造得到鍛件，鍛造溫度為1095°C -1170°C，停鍛溫度不低于9300C，鍛后入沙坑緩冷。6)熱處理:對鍛造后的鍛件進行退火、淬火和回火熱處理，得到本發(fā)明的冷作模具鋼。所述退火處理涉及將鍛件加熱到880°C _910°C，保溫時間2小時，隨后以彡15°C /小時的冷速冷至530°C，然后爐冷或靜止空氣空冷至50°C以下。所述淬火處理涉及將退火后的鍛件在鹽浴815°C _845°C預(yù)熱，溫度均勻后放入鹽浴IOOO0C- 1200°C的溫度下保溫30 — 45分鐘，隨后淬入530°C _550°C鹽浴，并空冷至50°C以下。所述回火處理涉及將淬火后的鍛件鹽浴加熱到540_670°C的溫度并保溫1.5-2小時，隨后空冷至50°C以下，如此重復(fù)2到3次。通過本發(fā)明的方法制備得到實施例1-4的具有不同組成的冷作模具鋼，并將其制成Φ50πιπι的棒材。另外為了對比還列出了兩種冷作模具鋼，分別為普通粉末冶金高釩冷作模具鋼(合金Α)和普通高鉻鑄鍛冷作模具鋼(合金B(yǎng))。其中，實施例1-4與合金Α、合金B(yǎng)的冷作模具鋼的具體組成參見表I。表I本發(fā)明各實施例合金以及合金Α、B的具體組成
權(quán)利要求
1.一種粉末冶金高韌性冷作模具鋼，其特征在于:其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比包括:V:2.5%-6.0%, Nb:0.2%-2.5%, C:0.5%-2.0%, Si: ≤ 2.0%, Mn:0.2%-1.5%, Cr:4.0%-5.6%，Mo:≤3.0%，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)； 其中，所述冷作模具鋼中Nb固溶于V形成的MC型碳化物相，且MC型碳化物相呈彌散分布狀態(tài)，在所述冷作模具鋼中的體積分數(shù)是1.5% - 12.0%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷 作模具鋼，其特征在于:所述化學(xué)成分按質(zhì)量百分比包括:V:2.8%-3.5%, Nb:0.5%-1.7%, C:0.8%-1.2%, S1:≤ 1.3%, Mn:0.2%-1.5%, Cr:4.8%-5.4%,Mo 2.0%，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷作模具鋼，其特征在于:所述冷作模具鋼的V當量為2.6% - 7.0%，所述 V 當量定義為 Veq = V+0.65Nb。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷作模具鋼，其特征在于:所述冷作模具鋼的基本相中馬氏體的質(zhì)量分數(shù)> 95%，其余為殘余奧氏體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷作模具鋼，其特征在于:MC型碳化物相的最大尺寸≤2.5 μ m,粒度 D50 ≤ 1.2 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的冷作模具鋼，其特征在于:MC碳化物最大尺寸<2.0μπι，碳化物粒度D50≤0.9 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷作模具鋼，其特征在于:所述雜質(zhì)包括S和P，且SS0.1%，P ≤ 0.03%。
8.制備權(quán)利要求1-7任一項所述的冷作模具鋼的方法，其特征在于:所述方法包括如下步驟: O配料:提供按照如下合金元素配比的金屬原料:V:12%-20%，Nb:0.5%-4.5%，C:2.5%-4.8%, S1:≤ 2.0%, Mn:0.2%-1.5%, Cr:4.0%-5.6%, Mo:≤ 3.0%，余量為鐵和雜質(zhì)； 2)熔煉:采用中頻感應(yīng)熔煉對所述金屬原料進行熔煉，熔煉溫度為1600°C-1680°C，熔煉時間15-30分鐘，得到均勻的合金熔體； 3)霧化制粉:利用真空氣霧化對合金熔體進行霧化得到合金粉末，霧化澆鋼溫度為16000C _1680°C，對霧化中間包采用加熱措施，保溫溫度為800°C -1300°C，霧化氣體為高純氮氣，霧化氣壓> 2.52 X IO6Pa,霧化后粉末平均粒徑30-150μπι; 4)熱等靜壓:采用熱等靜壓工藝對合金粉末進行成型，形成壓坯，熱等靜壓溫度為IlOO0C -1160O，壓力≤ IlOMPa ； 5)鍛造:對壓坯進行壓力鍛造得到鍛件，鍛造溫度為1095°C_1170°C，停鍛溫度不低于930°C，鍛后入沙坑緩冷； 6)熱處理:對鍛造后的鍛件進行退火、淬火和回火熱處理，得到本發(fā)明的冷作模具鋼。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于:所述退火處理包括:將鍛件加熱到8800C -9100C，保溫時間2小時，隨后以≤15°C /小時的冷速冷至530°C，然后爐冷或靜止空氣空冷至50°C以下。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于:所述淬火處理包括:將退火后的鍛件在鹽浴815°C _845°C預(yù)熱，溫度均勻后放入鹽浴1000°C — 1200°C的溫度下保溫30 — 45分鐘，隨后淬入530°C _550°C鹽浴，并空冷至50°C以下。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于:所述回火處理包括:將淬火后的鍛件鹽浴加熱到540-670°C的 溫度并保溫1.5-2小時，隨后空冷至50°C以下，如此重復(fù)2到3次。
全文摘要
本發(fā)明屬于含釩或鈮的鐵基合金技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種粉末冶金高韌性冷作模具鋼，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比包括V2.5%-6.0%，Nb0.2%-2.5%，C0.5%-2.0%，Si≤2.0%，Mn0.2%-1.5%，Cr4.0%-5.6%，Mo≤3.0%，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)；其中，所述冷作模具鋼中Nb不以NbC相存在，而是固溶于V形成的MC型碳化物相，且MC型碳化物相呈彌散分布狀態(tài)，MC型碳化物相在所述冷作模具鋼中的體積分數(shù)是1.5%－12.0%。本發(fā)明還提供了制備所述冷作模具鋼的方法，使得本發(fā)明的冷作模具鋼具備高韌性的同時也具有良好的耐磨性能。
文檔編號C21D8/00GK103233168SQ20131016553
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月8日
發(fā)明者李小明, 鐘海林, 霍光, 王學(xué)兵, 盧廣峰, 匡星, 況春江, 吳立志 申請人:安泰科技股份有限公司