專利名稱：高強(qiáng)韌性錘鍛模具鋼的制作方法
專利說明 本發(fā)明屬于合金模具鋼領(lǐng)域，主要關(guān)系到熱作模具鋼。
目前，國內(nèi)外用量最大、最典型的錘鍛模具鋼是5CrNiMo鋼，這種鋼具有韌性好，淬透性好和價(jià)格低廉地優(yōu)點(diǎn)，但這種鋼常因熱強(qiáng)性不夠而過早失效。近年來國內(nèi)外發(fā)展了不少用于熱擠壓模具的高熱強(qiáng)性熱作模具鋼，如英國的BH10、BH10A，法國的30DCV28、30DCKV28，美國的H11、H13，中國的3Cr3Mo3VNb等鋼種，雖然它們的熱強(qiáng)性有了很大的提高，650℃高溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)到813～863MPa，但常溫沖擊韌性ak只有18.6～26.5J/cm2，其韌性不能滿足錘鍛模具的要求。在我國雖研制出了5Cr2MoNiV、5Cr2NiMoVSi等新熱鍛模具鋼，其高溫強(qiáng)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，它們主要應(yīng)用于壓力機(jī)鍛模，應(yīng)用于沖擊載荷大的錘鍛模具，韌性仍欠不足。
本發(fā)明的目的在于提供一種即保持5CrNiMo鋼的高韌性、高淬透性的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又把熱強(qiáng)性提到高熱強(qiáng)鋼水平的錘鍛模具鋼。
根據(jù)錘鍛模具的實(shí)際工作條件，這種鋼應(yīng)同時(shí)具備下列性能指標(biāo)①常溫沖擊韌性ak≥49J/cm2，②300℃高溫沖擊韌性ak≥78.4J/cm2，③600℃高溫沖擊韌性ak≥78.4J/cm2，600℃高溫硬度Hv≥300，650℃高溫硬度Hv≥250，④600℃保溫12小時(shí)后，常溫洛氏硬度HRc≥40，⑤鋼的A1點(diǎn)≥750℃，Ms點(diǎn)≥300℃，⑥具有良好的熱疲勞性能。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的基本構(gòu)思是①降低鋼中的碳含量，淬火后獲得高韌性的低碳馬氏體，②加入Cr、Mo、W、V等碳化物形成元素與Ni、Si等非碳化物形成元素，復(fù)合實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化與彌散強(qiáng)化，以提高低碳馬氏體的熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性與高溫硬度，③實(shí)施強(qiáng)韌化熱處理工藝，保證高溫強(qiáng)度、高溫韌性及表面耐磨性的良好配合。
本發(fā)明所提供的錘鍛模具鋼，在成份的設(shè)計(jì)上與已有的技術(shù)相比，其特征在于降低了碳的含量，增加了鉻的含量，降低鎳的含量和提高鉬的含量，同時(shí)，又加入少量新的合金元素鎢與釩，并在保持錳含量的同時(shí)，適量的增加了硅含量，使得本發(fā)明的錘鍛模具鋼，在經(jīng)過強(qiáng)韌化處理后，具有多元復(fù)合合金化的低碳馬氏體組織，因此，顯著的提高了高溫強(qiáng)度、高溫?zé)岱€(wěn)定性、高溫沖擊韌性、高溫硬度和冷熱疲勞性能，使本發(fā)明鋼種具有高的高溫強(qiáng)韌性和使用壽命。本發(fā)明鋼種所確定的成份范圍(重量百分比，以下皆同)如下 0.25～0.32%的碳、1.70～2.10%的鉻、0.90～1.30%的鎳、0.80～1.00%的鉬、0.60～0.90%的硅、0.50～0.80%的錳、另外還含有0.40～0.80%的鎢、0.30～0.50%的釩，余為鐵和雜質(zhì)。
本發(fā)明鋼(26Cr2NiMoWVSi，簡稱262鋼)與對(duì)比鋼(5CrNiMo)的化學(xué)成份范圍列于表1。
表2是本發(fā)明262鋼與對(duì)比鋼5CrNiMo的常溫機(jī)械性能數(shù)據(jù)。
表3是本發(fā)明262鋼與對(duì)比鋼5CrNiMo鋼的高溫短時(shí)拉伸和高溫沖擊韌性數(shù)據(jù)。
表4是本發(fā)明262鋼與對(duì)比鋼5CrNiMo的高溫硬度數(shù)據(jù)。
表5是本發(fā)明262鋼和對(duì)比鋼5CrNiMo600℃熱穩(wěn)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
表6是本發(fā)明262鋼和對(duì)比鋼5CrNiMo鋼板材熱疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
本發(fā)明在成份設(shè)計(jì)的特征上所基于的理由是 降低碳的含量，其碳含量一般應(yīng)控制在0.25～0.32%的范圍，以保證加熱淬火后獲得全部低碳馬氏體組織，為高韌性奠定基礎(chǔ);保證淬火硬度為HRC50～52，經(jīng)回火可使洛氏硬度值調(diào)正到HRC38～46，以滿足大、中、小型錘鍛模具對(duì)硬度的要求。
提高鉻的含量，其含鉻量一般應(yīng)控制在1.70～2.10%的范圍，以用于提高鋼的淬透性和高溫強(qiáng)度，但鉻含量大于2%時(shí)，對(duì)提高高溫強(qiáng)度不利。
把含鎳量控制在較低的限度，一般應(yīng)控制在0.90～1.30%的范圍，以用于提高鋼的淬透性和改善鋼的韌性。
增加鎢、釩元素，提高其鉬元素的含量，這是由于鎢、鉬、釩均為強(qiáng)碳化物形成元素，加入0.50%左右的鎢，在淬火加熱時(shí)全部溶入奧氏體，起到提高熱強(qiáng)性的作用，又不會(huì)導(dǎo)致韌性下降;加入0.60～1.00%的鉬，除了提高淬透性與熱強(qiáng)性外，還起防止第二類回火脆性的作用;加入0.30～0.50%的釩，除防止鋼的過熱敏感傾向外，還依靠釩的固溶與碳化釩(VC)的

散強(qiáng)化，來提高鋼的熱穩(wěn)定性、高溫硬度和高溫強(qiáng)度。在多元的復(fù)合合金化中，鎢、鉬、釩的加入量雖然不多，但由于相互復(fù)合作用，進(jìn)一步提高了合金化強(qiáng)韌化的效果。
提高硅的含量，同時(shí)保持錳的含量，鋼中加入0.60～0.90%的硅，其目的在于提高鋼的淬透性、回火穩(wěn)定性與基體強(qiáng)度。硅溶于α-Fe，提高了α-Fe→γ-Fe的轉(zhuǎn)變溫度(即提高A1點(diǎn))及高溫抗氧化能力，硅雖然不是碳化物形成元素，但它可提高回火轉(zhuǎn)變時(shí)析出的特殊碳化物的

散度，因而保證了鋼的高溫強(qiáng)度、高溫硬度與熱穩(wěn)定性;錳的作用除提高淬透性之外，還在于消除硫的有害影響。
對(duì)于硫、磷等雜質(zhì)元素，其含量應(yīng)盡量限制在最小的范圍，一般其含量不應(yīng)超過0.03%。
本發(fā)明錘鍛模具鋼，是在電弧爐中冶煉的，經(jīng)1150～1170℃開鍛，850～900℃終鍛，再于760±10℃高溫回火3-4小時(shí)軟化處理，機(jī)加工后，進(jìn)行強(qiáng)韌化熱處理淬火加熱溫度為960～980℃，電阻爐加熱保溫系數(shù)為2分/毫米，在油中或空氣中冷卻，也可采用等溫淬火的方法，淬火硬度HRC50～52，淬火組織為板條馬氏體+少量殘留奧氏體，回火溫度600～650℃保持2-4小時(shí)，出爐空冷，回火后硬度HRC46～38。這種強(qiáng)韌化熱處理可以與滲硼工藝結(jié)合起來，其工藝為，在模腔表面敷以滲硼劑與保護(hù)劑，用熱風(fēng)機(jī)吹干，升溫致960℃～980℃保溫2-4小時(shí)，油冷，600～650℃回火。實(shí)行該工藝的滲硼劑配方為80%SiC+10%B4C+5%KBF4+5%B2O3。將各種粉末混合均勻，用12%醋酸纖維丙酮溶液調(diào)成粘稠狀，在模腔表面涂敷厚度為2-6毫米，用熱風(fēng)機(jī)吹干。實(shí)行該工藝所使用的保護(hù)劑配方為65%SiO2+25%Na2CO3+3%Al2O3+7%Cr2O3。將各種粉末混合均勻，用濃水玻璃調(diào)合成粘稠狀，涂敷在滲硼劑層外側(cè)，涂層厚度為2-4毫米。
本發(fā)明鋼種可以進(jìn)行氮化處理，其工藝為960-980℃加熱淬火，淬火加熱保溫系數(shù)為2分/毫米，油中淬火;600-650℃回火2-3小時(shí)空冷，模腔表面精磨加工后于氮化爐中530～550℃氮化處理2-4小時(shí)，爐冷后出爐。
本發(fā)明鋼種具有以下特點(diǎn) 1.由于把已有技術(shù)的含碳量為0.50～0.60%降到0.30%左右，運(yùn)用低碳馬氏體的強(qiáng)韌化機(jī)理于錘鍛模具的成份設(shè)計(jì)，顯著的提高了鋼的韌性，尤其是高溫沖擊韌性。本發(fā)明262鋼經(jīng)960～980℃淬火+600℃回火，其洛氏硬度為HRC＝45.5，常溫沖擊韌性ak＝53.9J/cm2、300℃高溫沖擊韌性ak＝93.1J/cm2、550℃高溫沖擊韌性ak＝83.3J/cm2。而對(duì)比鋼5CrNiMo在經(jīng)860℃淬火+450℃回火，其洛氏硬度為HRC＝45、300℃高溫沖擊韌性為ak＝41.2J/cm2、550℃高溫沖擊韌性為ak＝51.0J/cm2。
2.由于本發(fā)明采用了鉻、鉬、鎢、釩、硅、鎳多種元素的聯(lián)合作用，實(shí)現(xiàn)了多元復(fù)合合金化。淬火加熱時(shí)，這些合金元素大部分固溶于奧氏體，淬火冷卻后，又固溶于低碳馬氏體中，在高溫回火時(shí)，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化與特殊碳化物的

散強(qiáng)化。因此，本發(fā)明錘鍛模具鋼能在高韌性的前提下，具有較高的高溫強(qiáng)度、高溫硬度和回火穩(wěn)定性。這種鋼在經(jīng)960～980℃淬火+600℃回火后，其600℃時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度為σb＝897MPa，600℃時(shí)高溫硬度Hv＝334，而對(duì)比鋼5CrNiMo，在經(jīng)860℃淬火+450℃回火，其600℃時(shí)高溫強(qiáng)度σb＝485MPa，600℃時(shí)高溫硬度Hv＝205。本發(fā)明鋼種回火到HRc＝42～45的回火溫度比5CrNiMo鋼提高了120～150℃;本發(fā)明鋼種淬火并回火后HRc＝45，在600℃保溫12小時(shí)后其硬度為HRC＝40～43，比5CrNiMo鋼高出硬度值為HRC＝10以上，回火穩(wěn)定性明顯提高。由于多種合金元素的復(fù)合作用，使本發(fā)明鋼種的Ms點(diǎn)提高到358℃，A1點(diǎn)提高到805℃，明顯有利于高韌性低碳馬氏體的形成及材料熱強(qiáng)性的提高。
3.鉬、鉻等合金元素含量的變化，顯著地推遲了本發(fā)明鋼的奧氏體→珠光體轉(zhuǎn)變，發(fā)生奧氏體→珠光體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度為0.15～0.20℃/S，發(fā)生奧氏體→貝氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度為1.50℃/S。本發(fā)明鋼種具有很好的淬透性，φ350mm×500mm的圓柱，1000℃加熱油淬，可以完全淬透。
4.本發(fā)明鋼種加熱至1150℃，形成單相奧氏體組織，高溫鍛造無鍛裂傾向。850～900℃終鍛后空冷可獲得淬火馬氏體+貝氏體復(fù)相組織，洛氏硬度大于HRc44，無白點(diǎn)與開裂傾向，鍛造性能良好。
5.本發(fā)明鋼種，鍛造后軟化退火工藝可以為850℃奧氏體化后于720℃±10℃等溫6-7小時(shí)，爐冷，可獲得Hv＝239，但這種工藝，周期長，能耗大。生產(chǎn)中推薦采用760℃高溫回火3-4小時(shí)(空冷，得到回火索氏體組織)可獲得硬度為HB＝229，便于機(jī)加工。
6.本發(fā)明鋼的熱處理工藝是最佳淬火加熱溫度為960～980℃，奧氏體晶粒度一般為8～10級(jí)，空氣爐加熱保溫系數(shù)一般為2分/毫米，大、中型模具一般采用油淬，小型模具可采用等溫或空冷方式淬火。
淬火硬度一般為HRc50～52，淬火組織為板條狀低碳馬氏體+3%左右的殘留奧氏體。
加熱至960～980℃油淬后，600℃回火，其硬度值為HRc45，625℃回火時(shí)則為HRc43，650℃回火時(shí)則為HRc40，回火溫度從600℃提高到650℃，它們斷裂韌性K1C從73.7MPa

迅速提高到144MPa

，對(duì)于沖擊載荷大的大型模具推薦采用630～650℃回火。
7.由于本發(fā)明鋼種降低了碳含量，抗冷熱疲勞的性能顯著提高，650℃～20℃冷熱循環(huán)1000次，縱向裂紋長度為0.75mm，同樣試驗(yàn)條件下的5CrNiMo鋼的縱向裂紋長度為1.80mm。
8.本發(fā)明鋼種具有良好的鑄造性能，可以直接鑄造出型腔復(fù)雜的模塊，經(jīng)過熱處理后，也可獲得良好的強(qiáng)韌性。
9.本發(fā)明鋼種，可以與化學(xué)熱處理結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)心部強(qiáng)韌化與表面硬化的復(fù)合處理，利用960～980℃的淬火加熱溫度特性，可把淬火與滲硼處理合為一個(gè)工序進(jìn)行，其實(shí)施工藝為在模腔表面敷以滲硼劑與保護(hù)劑用熱風(fēng)機(jī)吹干，升溫至960～980℃保溫2-4小時(shí)油冷，600～650℃回火，這一工藝也可用于熱擠壓模。
利用高于600℃的回火特性對(duì)于型腔復(fù)雜，變形要求嚴(yán)格的模具，可以在模腔精加工之后實(shí)施軟氮化或輝光離子氮化處理，氮化溫度為530～550℃，2-4小時(shí)。這種工藝可提高表面硬度與耐磨性，心部的強(qiáng)韌性不受影響，5CrNiMo無法實(shí)施這一表面強(qiáng)化工藝。
此外，本發(fā)明鋼種由于組織細(xì)小均勻，特別有利于電解加工，經(jīng)這種加工后的表面光潔度明顯優(yōu)于對(duì)比鋼。
本發(fā)明鋼種262鋼與對(duì)比鋼5CrNiMo相比，由于把含碳量從0.50～0.60%降低到0.30%左右，由于增加0.50%的鎢，0.50%的釩和1.00%的鉻，成本增加了30～40%，但模具的使用壽命可提高200～300%。目前，國內(nèi)每年用于錘鍛模具的5CrNiMo鋼大約為3000噸，如果采用本發(fā)明鋼種262鋼，那么，錘鍛模具鋼用量可降到1200噸，每年節(jié)省鋼材達(dá)700萬元。模具壽命的提高，不僅可以節(jié)省制造模具用的鋼材，同時(shí)還可以取得下面幾點(diǎn)社會(huì)效益①節(jié)省模具的加工工時(shí)與機(jī)時(shí)，②節(jié)省更換、校準(zhǔn)模具的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，③提高鍛件的尺寸精度，減少產(chǎn)品的機(jī)加工量。因此，本發(fā)明具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
本發(fā)明鋼種262鋼特別適用于大、中、小型各種類型的錘鍛模具、也適用于制造熱擠壓模具。
本發(fā)明的具體實(shí)施例如下 實(shí)施例1 煤礦運(yùn)輸機(jī)聯(lián)接環(huán)熱鍛模具，尺寸為232×175×75mm，采用本發(fā)明1號(hào)鋼制造。經(jīng)1150℃加熱鍛造，三鐓三拔，終鍛溫度850℃，空冷。然后760℃保溫3小時(shí)軟化處理，HB235。經(jīng)機(jī)加工成模塊，然后960℃加熱150分，油中淬火。640℃回火3小時(shí)，回火后模具洛氏硬度HRc42。電解加工開模腔，后經(jīng)手工修整模腔后轉(zhuǎn)鍛造車間使用。一噸蒸汽錘，被鍛材料為23MnVB鋼，鍛料加熱到1150～1180℃，每分鐘鍛打18-20件，模具在工作中僅用鋸末潤滑，模塊使用壽命為7000件，比5CrNiMo鋼模具壽命1500-2000件提高了2-3倍。
實(shí)施例2 鑄態(tài)262鋼汽車右轉(zhuǎn)向節(jié)鍛模，尺寸為440×315×350mm，按本發(fā)明3號(hào)鋼成分冶煉，鑄成模塊。1000℃均勻化處理5小時(shí)，保溫后爐冷。然后760℃軟化處理，保溫4小時(shí)，HB240。進(jìn)行機(jī)加工，開模腔，然后980℃加熱3-4小時(shí)，油冷淬火，HRc51。630℃±10℃回火4小時(shí)，HRc42-43。在二噸錘上使用，另件材料為45號(hào)鋼，加熱致1180℃。鑄造模具使用壽命為3000件，比5CrNiMo鋼模具壽命1500件提高1倍。
實(shí)施例3 滲硼復(fù)合強(qiáng)韌化熱擠壓模具10吋活搬手活咀熱擠壓模具。尺寸為φ140×150mm。原來使用3Cr2W8V鋼，1130～1150℃加熱淬火，600℃回火HRc46-48。擠壓45號(hào)10吋活咀3000件，模具因變形失效。改用3Cr2W8V鋼滲硼處理，940℃滲硼4小時(shí)，升溫致1130～1150℃淬火，常常出現(xiàn)滲硼層熔化現(xiàn)象，無法實(shí)現(xiàn)心部強(qiáng)韌化與表面硬化復(fù)合處理工藝。后改用本發(fā)明2號(hào)鋼制造，模具在電解開型腔之后，在模腔表面敷以滲硼劑，在940℃加熱3小時(shí)，升溫致960～980℃保溫0.5小時(shí)，油中淬火，600℃回火，心部硬度為HRc44-46，表面硬度為HV900-1200，滲硼層厚度為0.05毫米。模具在250噸磨擦壓力機(jī)上使用，熱擠壓45號(hào)鋼活咀8000件，使用壽命提高260%。

表2本發(fā)明262鋼和5CrNiMo鋼的常溫機(jī)械性能數(shù)據(jù)
表3本發(fā)明262鋼和5CrNiMo鋼的高溫短時(shí)拉伸和高溫沖擊韌性數(shù)據(jù)
表4本發(fā)明262鋼和5CrNiMo鋼的高溫硬度(HV)數(shù)據(jù)



權(quán)利要求
1、一種高強(qiáng)韌性錘鍛模具鋼，其特征在于化學(xué)成份(重量百分比)為0.25～0.32%碳、1.70～2.10%鉻、0.90～1.30%鎳、0.80～1.00%鉬、0.40～0.80%鎢、0.30～0.50%釩、0.60～0.90%硅、0.50～0.80%錳，余為鐵和雜質(zhì)。
2、一種高強(qiáng)韌性錘鍛模具鋼，其特征在于強(qiáng)韌化熱處理工藝為淬火加熱溫度為960～980℃，電爐加熱保溫系數(shù)2分/毫米，在油中或空氣中冷卻，也可采用等溫淬火方式，回火溫度600～650℃，這種工藝可與化學(xué)熱處理結(jié)合起來一起進(jìn)行。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的強(qiáng)韌化工藝，其特征在于960～980℃加熱可與滲硼處理結(jié)合起來，其工藝為在模腔表面敷以滲硼劑與保護(hù)劑，用熱風(fēng)機(jī)吹干，升溫致960～980℃保溫2-4小時(shí)，油冷，600～650℃回火。
4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的強(qiáng)韌化處理工藝，其特征在于600～650℃回火后，可進(jìn)行氮化處理，其工藝為960～980℃加熱淬火，其保溫系數(shù)為2分/毫米，油中淬火，600～650℃回火2-3小時(shí)，空冷，模腔表面精加工后于氮化爐中530～550℃氮化處理2-4小時(shí)，爐冷后出爐。
5、根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的強(qiáng)韌化工藝，其特征在于，滲硼配方是由滲硼劑和保護(hù)劑組成，其滲硼劑為80%SiC+10%B4C+5%KBF4+5%B2O3，將各種粉末混合均勻，用12%醋酸纖維丙酮溶液調(diào)成粘稠狀，在模腔表面涂敷厚度為2-6毫米;保護(hù)劑為65%SiO2+25%Na2CO3+3%Al2O2+7%Cr2O3，將各種粉末混合均勻，用濃水玻璃調(diào)合成粘稠狀，涂敷在滲硼劑層外側(cè)，涂層厚度為2-4毫米。
全文摘要
一種高強(qiáng)韌性錘鍛模具鋼，含有(重量百分比)0.25～0.32％的碳、1.70～2.10％的鉻、0.90～1.30％的鎳、0.80～1.00％的鉬、0.60～0.90％的硅、0.50～0.80％的錳、另外還含有0.40～0.80％的鎢、0.30～0.50％的釩，余為鐵和雜質(zhì)。這種鋼經(jīng)強(qiáng)韌化處理后，具有在600～650℃下保持高的沖擊韌性、高的熱強(qiáng)性、高的硬度、高的熱穩(wěn)定性和高的熱疲勞性，比現(xiàn)有錘鍛模具鋼的壽命可提高200～300％。這種鋼還可用于制造熱擠壓模具。
文檔編號(hào)C22C38/46GK1040396SQ88106068
公開日1990年3月14日 申請(qǐng)日期1988年8月13日 優(yōu)先權(quán)日1988年8月13日
發(fā)明者陸善炘, 胡萬玉, 金毓洲, 余廣華, 唐承祥, 康韶光, 趙宇, 王德和 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué), 航空工業(yè)部黎明發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司, 張家口煤礦機(jī)械廠