一種Al‑Nb‑V複合合金化高臨界點模具鋼的製作方法

2023-06-11 20:36:41

本發明屬於模具鋼技術領域，特別涉及一種Al-Nb-V複合合金化高臨界點模具鋼；適用於衝裁、衝壓、冷鐓、拉伸、壓印模具用鋼，也可應用於具有高溫要求的壓鑄模具用鋼以及軋輥用鋼等。

背景技術：

隨著工業技術的迅速發展，為了降低產品生產成本，提高生產效率和產品質量，提高材料利用率，節能降耗，國內外製造工業廣泛使用模具加工技術代替傳統的切削加工工藝。模具的工作條件苛刻，對模具材料—模具鋼的要求很高。按照模具的使用用途分類，模具鋼分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼。冷作模具鋼在工作中承受相當大的壓應力和摩擦力，必須具有相當高的硬度和耐磨性，為了避免衝擊載荷引起的斷裂和崩刃，還應具有適當好的韌性。目前，較為通用的冷作模具鋼仍是以D2鋼(Cr12Mo1V1)為代表的Cr12系列冷作模具鋼。這類鋼的硬度和耐磨性較高，然而，由於鑄態組織偏析嚴重，共晶碳化物顆粒尺寸大，因此韌性極差，模具常常因韌性不足而發生早期失效。相比於Cr12系列模具鋼，以DC53鋼(Cr8Mo2SiV)為代表的Cr8型冷作模具鋼具有更高的韌性和強度配合，因此得到廣泛應用，然而耐磨性稍低。熱作模具鋼用於製造將加熱到再結晶溫度以上的金屬或液態金屬壓製成工件的模具。如鍛壓模具、熱擠壓模具、壓鑄模具等。熱作模具鋼通常在較高的溫度下進行工作，尤其是壓鑄模具，模具材料必須具備抵抗高溫應力的能力。金屬壓鑄是機械化程度和生產效率很高的生產技術，是先進的少無切削工藝。壓鑄生產是將熔化的金屬直接壓鑄成各種結構複雜、尺寸精確、表面光潔、組織緻密以及用其它方法難以加工的零件、如薄壁、小孔、凸緣、花紋、齒輪、螺紋、字體以及鑲襯組合等零件。以銅合金壓鑄模具為例，銅液澆注溫度在1100～1350℃範圍內，而模具在壓射過程中模具最高溫度達800～900℃。考慮到一般熱作模具鋼的臨界點Ac1溫度在800℃左右，因此材料很容易發生失效。因此，採用合金化思路設計高耐磨性Cr8型冷作模具鋼，並利用其高臨界點的特性，可能應用於工作溫度極高的壓鑄模具具有重大的經濟效益和社會效益。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種Al-Nb-V複合合金化高臨界點模具鋼，具有高耐磨性、高臨界點、適當韌性的模具鋼。

根據上述目的，本發明整體的技術方案是：

本發明在D2鋼的基礎上重新設計合金元素Cr的含量，降低C含量，提高衝擊韌性；增加二次強化元素Mo，與C形成碳化物在高溫回火時產生二次硬化，增加二次硬化硬度；並加入W、V、Nb強碳化物形成元素，形成高硬度碳化物強化基體，增加耐磨性並細化晶粒；加入元素Al，與Nb，V共同作用，提高鋼的臨界點。使該模具鋼具有良好的韌性又具有很高的耐磨性，同時，還具有較高的臨界點特性，而成為優良的模具用鋼，具有良好的使用性和應用前景。

具體為：(1)加入提高臨界點元素Al，通過Al-Nb-V複合合金化顯著提高臨界點，使鋼材具有較高的臨界點溫度；(2)重新設計C及Cr、Mo、V的含量使鋼材具有更好的衝擊韌性以及在高溫回火時產生更高的二次硬化效應，提高其綜合性能；(3)加入元素W，Nb，形成高硬度碳化物，分布於基體，產生高耐磨性，並細化晶粒；(3)加入Co元素，促進二次硬化效果，增加硬度和耐磨性。

根據上述目的和整體技術方案，本發明具體的技術方案為：

本發明的具體化學成分(重量％)如下：C：0.80～1.20％，Si：≤0.50～1.60％，S：≤0.030％，P：≤0.030％，Mn：≤0.40％，W：0.80～1.20％，Mo：1.50～2.20％，Cr：7.80～8.20％，V：1.50～3.20％，Nb：0.50～2.00％，Al：1.25～2.50％，Co：0～5.0％，Ti：0～2.0％，其餘為Fe及不可避免的不純物。

上述各元素的作用及配比依據如下：

C：碳是工業用鋼的主要元素之一，鋼的性能與組織在很大程度上取決於碳在鋼中的含量及其分布的形式，在模具鋼中碳的影響尤為顯著。碳在模具鋼中的含量不能很低，一方面碳在鋼中是最有效的強化元素，另一方面碳是形成各種碳化物的形成元素，尤其在冷作模具鋼中，要保證充足的碳化物含量用以保證耐磨性。但碳含量過高的負面影響是降低鋼的衝擊韌性，尤其是碳和合金含量同時高到一定程度，將發生共晶反應，形成粗大共晶碳化物，顯著降低鋼的韌性。所以，從強度、耐磨性與韌性方面來看，碳在模具鋼中的作用是互相矛盾的。碳含量過高，會影響韌性。碳含量過低，模具鋼的強度和耐磨性不足。本發明根據其它元素含量並綜合考慮強度、耐磨性和韌性確定碳含量為0.80～1.20％。

Cr：鉻是相對廉價的合金元素，幾乎所有的合金模具鋼都含有元素鉻。對於要求高耐磨性以及高耐蝕性的模具鋼，鉻更是不可或缺。鉻與碳的親和力在形成碳化物的諸多元素中大於鐵和錳而低於鎢、鉬等。當鉻含量低於3％時，鉻取代一部分鐵而形成複合滲碳體(Fe,Cr)3C。當鉻含量大於3％，小於5％時，碳化物類型變成(Fe,Cr)7C3。當鉻含量高於11％時，將會出現(Fe,Cr)23C6碳化物。此外，在這些含量的中間區域，有兩種碳化物共存的混合區域。(Fe,Cr)7C3和(Fe,Cr)23C6對鋼的性能有顯著影響，特別是鋼的耐磨性。因此，對於需要特別耐磨的冷作模具、精密量具和量規等常使用鉻含量要大於5％。然而Cr含量太高則會發生共晶反應形成粗大共晶碳化物，嚴重影響韌性，因此綜合考慮以上原因，控制其含量在7.80～8.20％。

Mn：作為脫氧劑而加入，含量一般控制在0.20～0.40％。

Si：作為脫氧元素而加入，含量一般控制在0.20～0.40％。然而有些研究表明，Si具有很好的固溶強化效果，同時，Si還能夠細化回火析出的碳化物進而改善衝擊韌性。因此，考慮到利用Si的益處，設計Si含量在0.50～1.60％。

P：磷在鋼液凝固時形成微觀偏析，隨後在奧氏體化溫度加熱時偏聚在晶界，使鋼的脆性顯著增大。控制P的含量在0.030％以下，並且含量越低越好。

S：不可避免的不純物，給鋼帶來熱脆性。控制S含量在0.030％以下，並且含量越低越好。

Mo：鉬固溶於鐵素體時有固溶強化作用，形成碳化物時有提高碳化物穩定性的作用，固溶於奧氏體中還能夠提高淬透性。鉬是重要的二次硬化元素，通過高溫回火在馬氏體基體中析出M2C型碳化物而形成二次硬化。鉬能夠增加鋼對回火軟化的抗力，也就是提高鋼的回火穩定性。另外，鉬對回火脆性的影響頗為複雜。作為單一的合金元素存在鋼中時，鉬增加鋼的回火脆性；但和其他導致回火脆性元素，如鉻、錳等並存時，鉬又降低或抑制因其他元素所導致的回火脆性。在本發明鋼中，控制Mo含量在1.50～2.20％。

W：鎢是碳化物形成元素，形成碳化物增加耐磨性。W在模具鋼中除形成碳化物外，部分地溶入鐵中形成固溶體。固溶在基體中的W還能夠顯著增加回火穩定性、紅硬性、熱強性，以便支撐模具在較高溫度使用。在本發明鋼中，W含量控制在0.80～1.20％。

V：釩和碳、氮都有極強的親和力，與之形成極為穩定的碳化物，在鋼中也主要以碳化物的形態存在。VC的熔點為2830℃，硬度為HV 2094。因此，即使在較高的奧氏體化溫度下加熱VC也能有效地阻止晶粒長大，同時增加鋼的耐磨性。釩和鎢、鉬一樣溶入基體中可提高α-Fe的自擴散激活能，另外它偏聚在位錯線附近形成氣團，與位錯產生交互作用阻止位錯的滑移及位錯網絡的重新排列而形成胞狀亞結構，增加了馬氏體的回覆再結晶抗力，增加回火穩定性。釩也是重要的二次硬化元素，當加入量超過0.5％時，通過VC的沉澱亦可產生二次硬化效應，且隨釩量增加二次硬化峰值溫度有向高溫推移的趨勢，硬化強度提高，過時效速度亦較低。在2％Mo鋼中加入0.5％V時，則釩將不足以形成VC，而釩會固溶於Mo2C。釩的原子半徑為0.135nm(Mo為0.145nm)，不增大點陣錯配度，但因為釩和碳有更大的親和力，會提高Mo2C的穩定性，提高二次硬化的峰值溫度。另外，利用V和碳有較強親和力的特性，使V結合大量的碳，能夠有效地縮小γ相區，提高臨界點溫度。本發明鋼中將V含量控制為1.50～3.20％。

Nb：鈮和釩的作用相似，因此，Nb和V複合作用增加了V的效果。但Nb是比V和C具有更強親和力的元素，Nb和C形成的碳化物NbC的穩定性要明顯高於VC(NbC熔點：3500℃，VC：2830℃)，因此，NbC具有很高的耐磨性。同時，Nb能夠進入VC中取代一部分V原子，形成(Nb,V)C，這有利於更多的V可以固溶在基體用於二次硬化。另外，Nb還有細化晶粒，細化鑄態組織的作用。向本發明鋼中添加元素Nb，控制其含量在0.50～2.00％。

Al：提高臨界點溫度元素。單純增加Al含量並不會顯著提高臨界點溫度，本發明利用Al-Nb-V複合作用，將顯著提高鋼的臨界點溫度，獲得高臨界點模具鋼。添加元素Al，控制其含量在Al：1.25～2.50％。

Co：鈷主要固溶在基體中，在鋼中幾乎不形成碳化物，只有極少量的Co原子能進入到析出相中，因此，Co主要起固溶強化作用。Co對促進二次硬化以及增加鋼的耐磨性也具有一定的效果，因此本發明利用Co的增加鋼的二次硬化效應、硬度和耐磨性。Co在回火或使用過程中阻止、延緩其它元素特殊碳化物的聚集，本發明鋼中，Co的加入對延緩Cr碳化物聚集粗化有一定作用。本發明鋼中，Co含量控制在0～5.0％。

Ti：鈦也是強碳化物形成元素，作用與Nb、V相類似。為了進一步提高臨界點並增加耐磨性，本發明鋼中可添加2.0％的Ti。故Ti含量控制在0～2.0％。

本發明採用與現有技術相似的製備方法：

本發明鋼可採用電弧爐、感應爐冶煉，鋼水澆鑄成鋼錠，根據需要可進行電渣重熔，經鍛造成材或開坯後軋製成棒、線材等。

本發明與現有技術相比具有高臨界點、高耐磨性優良的合性能的優點。與現有模具鋼相比，本發明鋼在擁有良好的韌性的基礎上，具有很高的臨界點溫度，很高的耐磨性，可滿足用戶需求。本發明鋼具有較高的臨界點溫度(Ac1：990℃)，較高的硬度(62～63.4HRC)，較好的衝擊吸收功(9.3～10J)。

具體實施方式

根據本發明所設計的化學成分範圍，在25kg真空感應爐上冶煉了3爐本發明鋼，其具體化學成分如表1所示。鋼水澆鑄成錠，並經鍛造製成棒材。鋼材退火後，加工成試樣，經淬、回火處理(1000～1200℃淬火，200～600℃回火)，其室溫力學性能見表2～6。

本發明鋼具有高的硬度、耐磨性和較好的衝擊韌性。

1.發明鋼具有比對比鋼更高的硬度。(見表2、5)

2.經相同溫度淬火，520～580℃回火後，發明鋼具有比對比鋼更高的衝擊韌性。(見表4)

3.發明鋼具有較高的臨界點溫度。(見表3)

表1實施例與對比鋼的化學成分，重量％

表2實施例與對比鋼1110℃淬火不同溫度回火的硬度值

說明：⑴淬火試驗在箱式電阻爐中進行，保溫20分鐘，油淬。

⑵不同溫度回火2次，每次保溫1小時。

表3實施例與對比鋼的臨界點

表4實施例與對比鋼衝擊吸收功值

表5實施例1140℃淬火不同溫度回火與對比鋼最佳處理方案的硬度值

說明：(1)淬火試驗在箱式電阻爐中進行，保溫20分鐘，油淬。

(2)不同溫度回火2次，保溫1小時。

(3)對比鋼為1030℃淬火。