高强韧性冷作模具钢及其制备方法

摘要

本发明涉及一种高强韧性冷作模具钢及其制作方法，属合金钢制造工艺技术领域。本发明合金钢的化学组成及其重量百分比：C 0.9～1.0％，Cr 9～10％，Mo 2.0％，V 0.8～1.0％，Si 1.0％，P＜0.02％，S＜0.02％，Fe余量。本发明的冷作模具钢的制备过程和步骤如下：(1)熔炼、(2)电渣重熔、(3)退火、(4)粗锻、(5)再退火、(6)球化退火、(7)淬火回火。本发明方法制得的合金钢其硬度可达61～63HRC，冲击功AK可达61～85J，比原有的Cr12MoV钢提高3倍以上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强韧性冷作模具钢及其制备方法，属合金钢制造工艺技术领域。

背景技术

由于冷作模具钢化学成分种类繁多，其中高铬钢中随含碳量的增高，其共晶碳化物的不均匀性也加大，导致钢的韧性下降。

如目前已有的Cr12MoV钢：

(1)Cr12MoV的成分如下表所示：

                Cr12MoV的化学成分表

  C  Si  S  P  Mn  Ni  Cr  Mo  V  1.59  0.35  0.00004  0.0137  0.299  0.08  12.04  0.49  0.29

(2)Cr12MoV的性能：具有高硬度与高耐磨性，冲击韧性低。

(3)Cr12MoV的不足之处：带状碳化物使钢材的力学性能和物理性能出现明显的各向异性，冲击韧性降低。碳化物分布不均匀使钢的磨削性和研磨性变差，淬火裂纹形成的倾向性增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种冷作模具钢的新钢种，设计新的成分，主要设计构思是为适当地减少碳量和铬量，增加钼和钒的含量，减少并细化共晶碳化物、细化晶粒，以改善韧性。

本发明一种高强韧性冷作模具钢，其特征在于具有以下的化学组成及重量百分比：

C     0.9～1.0％，   Cr    9～10％，

Mo    2.0％，        V     0.8～1.0％，

Si    1.0％，        P    ＜0.02％，

S     ＜0.02％，     Fe    余量。

上述的高强韧性冷作模具钢的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：

a.熔炼：按传统常规方法熔炼；将按上述配方称量配合的配合料放置于中频感应炉或电弧炉中，在1500℃温度以上进行熔炼，然后浇注钢锭；

b.电渣重熔：将上述钢锭作为自耗电极放于电渣重熔装置中，进行二精炼；利用电流通过电渣层产生电阻热来熔化自耗电极合金钢母材，液体金属以熔滴形式经渣池的渣层下落至下面的水冷结晶中的金属熔池内，再重新凝固成钢锭；钢锭自下而上逐步结晶；

c.退火：将上述钢锭于830℃温度下，退火8小时，随后随炉冷却；

d.锻造：再将上述钢锭加热至1200～1230℃，进行粗锻，终锻温度940℃，得到钢锻件；

e.再退火：将上述钢锻件再次退火，于830℃温度下退火8小时，随后随炉冷却；

f.球化退化：将上述钢锭在830℃保温3小时，按着以每小时30℃的冷却速度炉冷；当温度冷却制730℃时，保温4小时；然后以每小时30℃的冷却速度炉冷；温度达550℃后进行空冷；

g.淬火回火：采用高淬高回或低淬低回的方式；高淬高回工艺方式是在1060℃～1080℃淬火，520～540℃二次回火，每次回火1小时；低淬低回工艺方式是在1020～1040℃淬火，180～210℃回火1小时；最终制得高强韧性冷作模具钢。

本发明的特点及优点如下所述：本发明方法采用了电渣重熔工艺，这是一个二次精炼技术，采用电渣重熔工艺可降低钢锭中气体夹杂物的含量，故有效地脱氧和脱硫，并且可以控制凝固，改善重熔钢锭的宏观和微观组织，因此电渣重熔工艺可获得成分均匀、组织致密、质量优良的钢锭。

本发明由于采用了合理的热处理工艺，即采用了合适的退火制度以及采用高淬高回或低淬低回的方式，使钢锭的硬度性能和耐冲击功能都有很大提高。

附图说明

图1为本实施例试样(SDC99)与其他对比试样在1080℃淬火+540℃回火热处理条件下的硬度和冲击韧性比较图。

图2为本实施例试样(SDC99)与其他对比试样在1040℃淬火+210℃回火热处理条件下的硬度和冲击韧性比较图。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例1：本实施例中，采用合金钢的化学组成及重量百分比如下：

C 0.95％，Cr  9.5％，Mo  2.0％，V  1.0％，Si  1.0％，P＜0.02％，S＜0.02％，Fe余量。

本实施例中合金钢的制备过程和步骤如下：

(a)熔炼：合金按上述成分设计后，按传统常规方法熔炼，将按上述配方来的合金炉料放置于中频感应炉或电弧炉中，在1500℃温度以上进行熔炼，然后浇注钢锭，进入下一步骤待用；

(b)电渣重熔：利用电流通过电渣层产生电阻热来熔化自耗电极的合金钢母材，液体金属以熔滴形式经渣池下落至水冷结晶中的金属熔池内，钢锭由下而上逐步结晶。电渣重熔后可降低气体和夹杂物的含量，并获得成份均匀、组织致密、质量高的钢锭。重熔时合金得到进一步精炼，夹杂物去除是通过渣洗和在熔池中上浮。合金的持久性能和塑性都得到提高，消除或减轻了各种宏观的显微缺陷；

(c)退火：于830℃温度下，退火8小时，随后随炉冷却；

(d)锻造：再将上述钢锭加热至1200～1230℃，进行粗锻，终锻温度940℃，得到钢锻件；

(e)退火：于830℃温度下，退火8小时，随后随炉冷却；

(f)球化退化：在830℃保温3小时，按着以每小时30℃的冷却速度炉冷；当温度冷却制730℃时，保温4小时；然后以每小时30℃的冷却速度炉冷；温度达550℃后进行空冷；

(g)采用低淬低回或高淬高回：采用的低淬低回工艺是在1040℃淬火，210℃回火1小时；采用的高淬高回工艺是在1080℃淬火，540℃二次回火，每次回火各1小时。

性能测试

对上述实施例所得的试样(SDC99)进行硬度和冲击韧性的性能测试。

对比钢种试样其化学组成及其重量百分比如下：

Cr12MoV钢：

                    Cr12MoV的化学成分表

  C  Si  S  P  Mn  Ni  Cr  Mo  V  1.59  0.35  0.00004  0.0137  0.299  0.08  12.04  0.49  0.29

SCD99钢：

                            SDC99的化学成分表

  C  Si  S  P  Mn  Ni  Cr  Mo  V  0.9462  1.0145  0.0017  0.0176  0.2747  0.1258  9.5643  1.9782  0.8825

SCD3钢：

                            SDC3的化学成分表

  C  Si  S  P  Mn  Ni  Cr  Mo  V  0.9231  1.0084  0.0008  0.0143  0.2731  0.1189  9.5020  1.9410  0.8810

Cr8钢：

                            Cr8的化学成分表

  C  Si  S  P  Mn  Ni  Cr  Mo  V  W  0.98  1.19  0.00039  0.0159  0.26  0.11  8.03  2.09  2.22  0.90

DC53钢：

                            DC53的化学成分表

  C  Si  S  P  Mn  Ni  Cr  Mo  V  0.9876  0.9804  0.0008  0.0170  0.2700  0.1214  8.0969  1.9891  0.2599

试验结果参见图1和图2。

图1为本实施例试样(SDC99)与其他对比试样在1080℃淬火+540℃回火热处理条件下的硬度和冲击韧性比较图。

图2为本实施例试样(SDC99)与其他对比试样在1040℃淬火+210℃回火热处理条件下的硬度和冲击韧性比较图。

本发明该钢冲经1040℃淬火+210℃回火后，硬度为61HRC，冲击功Ak为85J，冲击功与在相同热处理下、相同硬度的DC53相当，与Cr12MoV相比，冲击功提高2倍以上。经1080℃淬火+540℃回火后，硬度为63HRC，冲击功Ak为61J，冲击功与在相同热处理下、相同硬度的DC53相当，与Cr12MoV相比，冲击功提高3倍以上。