一种冷冲压式螺母一次成型模具用低磷硫稀土合金钢及其制备方法

摘要

本发明公开了一种冷冲压式螺母一次成型模具用低磷硫稀土合金钢及其制备方法，按照质量百分比，该合金钢由以下元素组成：C 0.81～0.84%、Cr 4.00～4.50%、Si 0.2～0.3%、Mn 0.2～0.35%、W 6.50～6.80%、Mo 4.8～5.2%、V 1.80～1.90%、Co 0.80～1.00%、Ni 0.16～0.20%、Cu 0.08～0.12%、Nb 0.01～0.03%、Ce 0.01～0.015%、P≤0.020%、S≤0.010%、Fe 78.715～80.41%，以及其它不可避免杂质元素。本发明的合金钢具有低硬度、高耐磨性能和高韧性等综合性能优良且生产成本低。

说明书

技术领域

本发明属于模具用材料技术领域，涉及冷冲压模具用材料，特别涉及一种冷冲压稀土合金模具钢材料及其制备方法。

背景技术

模具是工业生产中用量最大、影响面广的重要基础件，是工业生产中不可缺少的工具。尤其是随着工业的迅速发展，模具已成为工业产品的主要成型工具。随着模具需求量的急剧增长，模具制造工业已经逐步发展成为一个独立的行业，而且其发展速度领先于其他行业，特别是该发明的模具钢材料在国内市场全部依靠进口。目前很多工业产品质量的改善，生产效率的提高，产品成本的降低以及产品更新换代的速度，在一定程度上取决于模具的制造精度、质量、制造周期、生产成本和使用寿命等。我国模具工业的发展比较迅速。但是，随着工业生产技术的提高，模具的服役条件越来越苛刻，造成国产合金模具钢无论在品种、质量、尺寸规格及性能等方面尚不能满足生产需要，也是导致我国模具钢需要大量进口的重要原因之一。

目前，各工业发达国家模具钢的有很多特种要求，所以工业发达国家模具钢的生产逐步由分散向集中发展。工业发达国家一般都有1家或2～3家生产模具钢的主导厂，如日本的大同特殊钢铁公司，日立金属安来工场，奥地利的百乐钢厂（BOEHLER），瑞典的乌德霍姆（UDDEHOLM）公司，这两家公司1991年合并，德国的蒂森（THYSSEN）特殊钢公司，美国的钒合金钢公司，卡彭特公司等，这些公司的模具钢产量一般占该国总产量的60%～80%。这些模具钢生产厂都配备了技术先进的生产线，配备完善的工艺装备和质量控制检测手段和科研手段，较系统地开展了模具钢的科研开发工作。生产出品种齐全、质量水平一流的模具钢产品，以占领国内外市场。根据模具钢产品的品种特点，国外已有部分模具钢品种转到钢铁联合企业，利用其已有的宽厚板轧机和带钢连轧机生产。

由于分工不明确，加上生产技术装备水平等方面的因素，使得我国模具钢的生产效率低、在产品质量、尺寸精度等方面与工业发达国家相比，存在着一定的差距；有些钢厂也陆续装备一些先进的冶金生产设备，如炉外精炼、电渣重熔、精锻机、快锻机等、逐步完善模具钢的专业化生产线，以充分发挥作用，但满足不了高端模具需求抗冲压性能的要求。

我国目前生产的主要合金模具钢的钢号有11个，即P20（3Cr2Mo）、718（3Cr2NiMnMo）、5CrNiMo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV1、Cr12、Cr12Mo1V1（D2）、Cr12MoV、CrWMn（01）、9SiCr等。近些年来，随着模具工业的发展，对模具钢提出了更高的要求，相应发展了大量的新的性能优良的模具钢品种。该发明打破常规国产模具钢不含Co。增加了该模具钢耐磨性和该模具材料的低硬度，增加了冲压的成品率以及高合金含量中的低磷、硫，提高材料的韧性有着特殊的作用。

合金模具钢的品种规格繁多，尺寸、形状各异。品种规格大致分为：热轧或热锻棒材、模块、板材、扁钢、冷拔棒材、带材和钢丝，其中棒材占的比例最大。长期以来，我国生产的合金模具钢中，棒材占85%以上，模块、扁钢、带材和丝占的比例较小。但近些年来，取得了很大改观，热轧棒材和锻造棒材的比例逐年减少。以2010年为例，我国的塑料模具钢的85%以上均是板材，12%以上是园钢，3%为扁钢。在合金模具钢中，板材占45%，棒材约占25%，锻件占23%，扁钢的产量已占接近7%的较高比例。但是无论是棒材还是板材、锻件和扁钢，仍然大多停留在粗钢阶段，深加工不够，距离我国装备制造业，以及标准件行业提出的模具钢精品战略目标及国际先进水平，存在一定差距。

综上所述，结合国内外模具生产现状及现有技术，在模具用材料技术领域和合金冶炼技术国内有必要开发一种力学性能、机械性能和塑性加工性能等综合性能优异的螺母成型冷冲压稀土合金模具钢材料，用于制造模具，打破国外技术与市场垄断。

发明内容

本发明的目的是提供一种冷冲压式螺母一次成型模具用低磷硫稀土合金钢及其制备方法，以得到具有低硬度、高耐磨性能和高韧性等综合性能优良且生产成本低的螺母成型冷冲压稀土合金模具钢材料。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种冷冲压式螺母一次成型模具用低磷硫稀土合金钢按照质量百分比，其由以下元素组成：C 0.81～0.84%、Cr 4.00～4.50%、Si 0.2～0.3%、Mn 0.2～0.35%、W 6.50～6.80%、Mo4.8～5.2%、V 1.80～1.90%、Co 0.80～1.00%、Ni 0.16～0.20%、Cu 0.08～0.12%、Nb 0.01～0.03%、Ce 0.01～0.015%、P≤0.020%、S≤0.010%、Fe 78.715～80.41%，以及其它不可避免杂质元素。

所述低磷硫稀土合金钢的硬度为HRC=16～18。

一种冷冲压式螺母一次成型模具用低磷硫稀土合金钢的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，首先依次通过中频感应炉、炉外精炼、吹氩浇注、电渣重熔的工艺得到表面光滑的合金锭；

步骤2，然后再依次通过热处理、锻造、热轧、退火、剥皮的工艺，得到合金钢棒材或板材。

所述步骤1中，在中频感应炉中加入钙铝合金，以降低磷、硫、氧含量。

所述步骤1中，通过炉外精炼、吹氩浇注，以降低氢、氧、氮含量。

所述步骤1中，利用下浇注法浇铸，以降低杂质含量。

所述步骤2中，热处理、锻造、热轧、退火的具体步骤为：锻造前将合金锭加热到1150～1180℃，在1150℃～1160℃温度下进行锻造，终锻温度≥950℃；热轧温度为1160～1180℃，保温1h，终轧温度为≥950℃；然后采用等温退火，退火温度为860～880℃，保温6～8h，降温到750～770℃，保温3h，最后随炉冷却。

本发明的低磷硫稀土合金钢在能够应用于制备模具中。

本发明的原理是：

影响模具钢材料性能的主要因素为化学成分和热处理工艺，要改变模具钢材料的某种性能可以通过调整化学成分和热处理工艺来实现。对于热处理工艺基本确定的材料，可以通过添加合金元素来改变模具钢材料性能。

合金元素是指在材料中有目的的加入，在合金熔炼、电渣重熔、热处理过程中利用其特有的性能，如产生新的固溶体及金属化合物来改变材料的某种性能。在模具钢材料中，可将合金元素分为两类，一类是影响相变的元素，如Mn、Mo、Cr等，一类是碳化物和氮化物的微合金化元素如V、Ti等。它们在钢中有不同的存在形式，作用也不同。其中：

碳（C）：模具钢中碳含量增加，屈服点和抗拉强度升高，然而含量越高，合金的延伸率和焊接性能越低，脆性增大，使材料塑性和抗冲击性能降低，同时降低了耐大气腐蚀能力；但是碳含量过低又会影响合金组织的稳定性并增加冶炼成本，因此在设计合金成分时，如何控制碳含量已成为衡量产品强度、韧性、耐腐蚀性能好坏的重要指标，本发明中，控制碳的质量含量为0.81～0.84%。

锰（Mn）：多数Mn固溶于铁素体中，具有很好的固溶强化效果，多余的Mn可以与钢中的C形成 Mn3C 合金渗碳体。Mn是扩大γ相区的合金元素，同时可以使C曲线右移，降低淬火临界冷却速度，提高钢的淬透性，Mn还可以降低Ms点，淬火后基体组织中含有较多的残余奥氏体，能够保证材料具有良好的塑性。随着Mn含量的增加，共析成分的C含量减低，珠光体含量增加，由于Mn还可以降低临界冷却速度，因此Mn含量提高有助于细化晶粒，提高钢的强度和塑性。Mn的含量对钢的韧性也有很大影响，在非调质钢中，增加Mn的含量会降低相变温度，珠光体组织更细小，片间距也变小，有助于增加钢的韧性；但随着Mn含量的增加，珠光体的含量也随之增加，钢的韧性会随之降低。在使用时还要参考钢中C含量来添加Mn的量。S是钢铁材料产生热裂的有害元素，是生产过程中严格控制的元素，Mn的存在可以与S在炉内形成MnS，降低S含量。Mn的存在也有它的弊端，含Mn钢对回火脆性很敏感，热处理后容易出现晶粒粗大。

钼（Mo）：Mo既可以溶于奥氏体或铁素体中形成固溶体，又可与C化合形成碳化物，如Mo₂₃C₆、Mo₂C、Mo₆C等。Mo有很好的固溶强化作用，能明显增加钢的硬度强度，而且Mo还可以使C曲线右移，可显著提高钢的淬透性。在回火过程中Mo能很好地抑制碳化物聚集，稳定材料在较高温度时的强度和硬度，Mo还可以使碳化物均匀分布，提高材料的韧性。

钒（V）：V最突出的作用就是能够细化马氏体晶粒，V是强碳化物形成元素，能与C结合形成VC，VC具有很高的硬度，在钢中弥散度很好，可显著提高材料的耐磨性，被认为是提高工具钢耐磨性最有效的元素，VC也是材料二次硬化主要影响因素。V可以降低由于P的存在引起的冷裂危害，同时还能提高材料的焊接性。V尽管有很好的沉淀强化作用，但含量最好不要超过2%，过高会降低材料的加工性。

钴（Co）：能细化晶粒，可降低钢的过热倾向性，可提高耐磨度和热硬性，提高合金强度和促进回火碳化物形成。

铬（Cr）：Cr也是增强碳化物合成元素，含量较低时可以形成合金渗碳体，含量较高时可以形成碳化物，如Cr23C6和Cr7C3。Cr在奥氏体中能有效阻碍C的扩散，因而奥氏体的稳定性较好。同时Cr也是促使C曲线右移的合金元素，使钢的临界冷却速度降低，淬透性提高，组织和碳化物更加细化，同时残余奥氏体含量在Cr含量超过一定量后能迅速增加，强度、塑性都能得到提升。

钨（W）：W是W系高速钢的主要合金化元素，形成的碳化物（如WC，W2C，FeW3C和FeW6C等）硬度、脆性、熔点、稳定性都很高，W能提高材料的淬透性，并能抑制晶粒长大，可得到较细的组织，W也是产生二次硬化的主要元素，同时在高温时具有较好的热硬性。

镍（Ni）：Ni是非碳化合物形成元素，以固溶形式存在，但固溶作用较弱。Ni可以使C曲线右移，提高材料的淬透性，Ni的存在主要可以提高钢的强度、韧性和淬透性。

铌（Nb）：Nb是强碳化物形成元素，且NbC化学稳定性很高，Nb也是晶粒细化的重要元素，对奥氏体晶粒的细化和再结晶组织的细化有明显作用，同时Nb在高温下还具有很强的固溶强化作用。

磷（P）、硫（S）几乎在全部钢种中都属于有害元素，含量应严格控制。P能全部溶于铁素体中，有强烈的固溶强化作用，虽然可以提高强度、硬度，但却显著降低钢的塑性、韧性，这就是所说的P的冷脆性。少量的P就可以严重影响材料的加工性，P是引起材料低温脆性的主要因素，P的存在还会增加材料的吸氢性能，严重影响钢的抗腐蚀能力。某些特殊用钢，如冷冲压模具材料防止开裂含P量应严格控制，一般要求小于0.02%或0.015%。S在钢中主要以FeS形式存在，FeS与Fe容易在晶界上形成低熔点的共晶体，材料在进行热加工时容易造成脆性开裂，即所谓的“热裂”。该发明模具钢材料中降低 S 的含量显得特别重要。

化学成分确定后，为了获得高质量的精密合金锭，本发明选用中频感应炉+精炼炉+电渣重熔工艺法进行冶炼加工，合金中的有害元素如磷、硫等通过补加钙铝合金脱氧时降低磷硫含量和非金属夹杂物、合金锭表面光滑、组织和化学成分均匀细密，再结合热处理+锻造+热轧+冷轧+热处理+剥皮工艺得到模具钢棒材或板材，有利于后续产品的机械加工和塑性成形。

有益效果：相比于现有技术，本发明具有以下优点：

（1）本发明的模具用螺母成型冷冲压稀土合金模具钢材料具有较低的硬度、较高的韧性和高耐磨性，达到了工业用冲压模具产品的性能要求,能够替代进口的同类产品。

（2）本发明的模具用螺母成型冷冲压稀土合金模具钢材料采用中频感应炉+精炼炉+电渣重熔工艺进行冶炼，可有效去除合金中磷、硫、铅、锑、锡等杂质，得到的合金锭纯度高、含磷硫低、非金属夹杂物少、合金锭表面光滑、组织和化学成分均匀细密，再结合热处理+锻造+热轧+冷轧+热处理+剥皮工艺得到冷冲压模具钢材料，有利于后续产品的机械加工和塑性成形。

（3）利用本发明的螺母成型冷冲压稀土合金模具钢材料生产制造的模具产品相比其它产品减少了机械加工，金属利用率大大提高，节约了能源，提高了生产率；耐磨性和低硬度冲压不开裂明显增强，提高了该产品的使用寿命，减少了模具的更换次数；打破了国外对我国高质量模具材料制造技术与市场的长期垄断。

具体实施方式

下面根据实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种冷冲压式螺母一次成型模具用低磷硫稀土合金钢及其制备工艺，按照质量百分比，其组成为：C0.81%、Cr4.00%、Si0.2%、Mn0.2%、W6.50%、Mo 4.8%、V1.80%、Co0.80%、Ni0.15%、Cu0.08%、Nb0.01%、Ce0.01%、P≤0.020%、S≤0.010%、Fe80.61%，以及其它不可避免杂质元素。制备方法为：首先依次通过中频感应炉、炉外精炼、电渣重熔、吹氩浇注的工艺得到表面光滑的合金锭；然后再依次通过热处理、锻造、热轧、退火、剥皮的工艺，得到合金钢棒材或板材。具体工艺参数为：锻造前将模具合金锭加热到1150℃，在1150℃温度下进行锻造，终锻温度≥950℃；热轧温度为1150℃，终轧温度为≥950℃；采用等温退火，退火温度为870℃，保温8h降温到760℃，保温3小时冷却方式为炉冷。其中，在中频感应炉中加入钙铝合金，以降低磷、硫、氧含量；通过炉外精炼、吹氩浇注，以降低氢、氧、氮含量；利用下浇注法浇铸，以降低杂质含量。

得到的模具合金材料经力学性能测试，测得洛氏硬度（HRC）为16，抗冲击性能和耐磨性较好；经金相组织显微观察，组织和化学成分均匀细密，有利于进一步机械加工和塑性成形。

实施例2

一种冷冲压式螺母一次成型模具用低磷硫稀土合金钢及其制备工艺，其组成成分质量百分比为：C0.83%、Cr4.25%、Si0.25%、Mn0.27%、W 6.65%、Mo 5.00%、V 1.85%、Co0.90%、Ni0.18%、Cu0.10%、Nb0.02%、Ce0.013%、P≤0.020%、S≤0.010%、Fe79.657%，以及其它不可避免杂质元素。制备方法为：首先依次通过中频感应炉、炉外精炼、电渣重熔、吹氩浇注的工艺得到表面光滑的合金锭；然后再依次通过热处理、锻造、热轧、退火、剥皮的工艺，得到合金钢棒材或板材。具体工艺参数为：锻造前将模具合金锭加热到1175℃，在1160℃温度下进行锻造，终锻温度≥950℃；热轧温度为1160℃，终轧温度为≥950℃；然后采用等温退火，退火温度为860℃，保温7h降温到750℃，保温3小时冷却方式为炉冷。其中，在中频感应炉中加入钙铝合金，以降低磷、硫、氧含量；通过炉外精炼、吹氩浇注，以降低氢、氧、氮含量；利用下浇注法浇铸，以降低杂质含量。

得到的模具合金材料经力学性能测试，测得洛氏硬度（HRC）为17，抗冲击性能和耐磨性较好；经金相组织显微观察，组织和化学成分均匀细密，有利于进一步机械加工和塑性成形。

实施例3

一种冷冲压式螺母一次成型模具用低磷硫稀土合金钢及其制备工艺，其组成成分质量百分比为：C0.84%、Cr 4.50%、Si0.3%、Mn0.35%、W 6.80%、Mo 5.2%、V 1.90%、Co 1.00%、Ni0.20%、Cu0.12%、Nb0.03%、Ce0.015%、P≤0.020%、S≤0.010%、Fe78.715%，以及其它不可避免杂质元素。制备方法为：首先依次通过中频感应炉、炉外精炼、电渣重熔、吹氩浇注的工艺得到表面光滑的合金锭；然后再依次通过热处理、锻造、热轧、退火、剥皮的工艺，得到合金钢棒材或板材。具体工艺参数为：锻造前将模具合金锭加热到1180℃，在1160℃温度下进行锻造，终锻温度≥950℃；热轧温度为1180℃，终轧温度为≥950℃；然后采用等温退火，退火温度为880℃，保温6h降温到770℃，保温3小时冷却方式为炉冷。其中，在中频感应炉中加入钙铝合金，以降低磷、硫、氧含量；通过炉外精炼、吹氩浇注，以降低氢、氧、氮含量；利用下浇注法浇铸，以降低杂质含量。

得到的模具合金材料经力学性能测试，测得洛氏硬度（HRC）为18，抗冲击性能和耐磨性较好；经金相组织显微观察，组织和化学成分均匀细密，有利于进一步机械加工和塑性成形。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。