一种新型铬系热作模具钢及其热处理工艺

摘要

本发明新型铬系热作模具钢属于一种热作模具钢，特别是涉及一种含钨很低的热作模具钢及其热处理工艺。按重量百分比计包括：碳C 0.3～0.8％，硅Si 0.2～0.8％，锰Mn0.2～0.8％，铬Cr 6.0～8.0％，钨W 1.0～2.4％，钼Mo 0.8～2.0％，钒V 0.3～1.0％，钴Co0.3～8.0％，镍Ni 0.3～1.5％，硫S≤0.005％，磷P≤0.030％，硼B 0.03％～0.10％，氮化物含量的范围为0.02％≤氮化物≤0.20％，氮N含量的范围为0.02％≤氮N≤0.10％，其余量为铁Fe。本发明钢的晶粒更细化，产生了耐热性、耐韧性、抗压强度都大大增加的效果，硬度在55～61HRC，是现有模具钢的三倍以上的耐用次数。本发明还提供了该钢淬火温度为1050℃～1090℃这种较低温度的热处理工艺。

说明书

技术领域

本发明属于一种热作模具钢，特别是涉及一种用铬Cr大量代替钨W的热作模具钢及其热处理工艺。

背景技术

我国常用的热作模具钢3Cr2W8V钢广泛用做黑色和有色金属热挤压模。这种钢的热稳定性高，使用温度达650℃，但钨系热作模具钢的导热性低、冷热疲劳性差。南京理工大学对3Cr2W8V热作模具钢的热疲劳性能进行了研究，得出可能最佳方案为：830℃×2h+730℃×4h球化退火，1150℃×30min淬火，630℃×2h回火2次。用一般箱式电炉达不到1150℃的淬火温度，这样在少批量生产上不方便淬火及交货时间。

中国发明专利ZL 200410010656.8授权公开号CN1557985《新型变质热作模具钢》公开一种新型变质热作模具钢材料。由以下主要化学成分按重量百分比组成：C：0.200～0.350，Cr：7.000～13.000，Mo：0.800～2.000，Ni：0.600～1.500，V：0.300～1.200，Mn：0.200～0.600，Si：0.700～1.500，S≤0.040，P≤0.040，N：0.005～0.100，Ti：0.050～0.200，Ca：0.001～0.050，Ce：0.000～0.100，Y：0.000～0.100，Fe：余量。该发明新型变质热作模具钢具有高的使用寿命。该钢具有很高的铬Cr和硅Si的含量，但Cr含量7.000～13.000的范围太宽，已不能是一种钢了。

中国发明专利申请200610095014.1申请公开号CN1904122《高性能热作模具钢》本发明的高性能热作模具钢，包括以下含量按重量百分比计的化学成分：C：0.70～1.98，Si：0.30～1.50，Mn：0.20～0.70，Cr：0.80～2.00，W：0.80～1.40，Mo：1.00～1.80，Ni：1.00～3.00，V：0.30～1.20，Bi：0.01～0.02，稀土硅镁：0.05～0.08，P<0.03，S<0.03，余量为Fe及不可避免的微量杂质。该钢具有很高的碳C和镍Ni的含量。碳C的含量C0.70～1.98的范围太宽，已不能是一种钢了。

发明内容

本发明的目的是提供一种比现有热作模具钢3Cr2W8V的耐热性和韧性更好的热作模具钢。

本发明的第二次目的是提供本发明这种热作模具钢的热处理工艺。

本发明的技术方案是：

本发明的一种新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.30～0.80％， 硅Si 0.20～0.80％，锰Mn 0.20～0.80％，铬Cr 6.00～8.00％，

钨W 1.00～2.40％， 钼Mo 0.80～2.00％，钒V 0.30～1.00％， 钴Co 0.30～8.00％，

镍Ni 0.30～1.50％，硫S≤0.005％，     磷P≤0.030％，其余量为铁Fe。本发明新型铬系热作模具钢自定名为Cr7W1Mo1V NiCo。

作为优选，上述新型铬系热作模具钢按重量百分比计包括：

碳C 0.38～0.60％， 硅Si 0.20～0.40％，锰Mn 0.20～0.40％，铬Cr 6.00～7.00％，

钨W 1.60～2.00％， 钼Mo 1.20～1.60％，钒V 0.40～0.60％， 钴Co 0.30～8.00％，

镍Ni 0.30～0.70％，硫S≤0.005％，     磷P≤0.030％，其余量为铁Fe。

作为最优选取值，上述新型铬系热作模具钢按重量百分比计包括：

碳C 0.65％， 硅Si 0.30％，  锰Mn 0.30％，铬Cr 7.00％，

钨W 1.80％， 钼Mo 1.40％，  钒V 0.50％， 钴Co 0.50％，

镍Ni 0.50％，硫S≤0.005％，磷P≤0.030％，其余量为铁Fe。

作为最优选取值，上述新型铬系热作模具钢按重量百分比计包括：

碳C 0.40％， 硅Si 0.30％，  锰Mn 0.30％，铬Cr 7.00％，

钨W 1.80％， 钼Mo 1.40％，  钒V 0.50％， 钴Co 0.50％，

镍Ni 0.50％，硫S≤0.005％，磷P≤0.030％，其余量为铁Fe。

作为优选，上述任何一种新型铬系热作模具钢中还包括按重量百分比计还包括硼B含量的范围为0.03％--0.10％。

作为优选，上述一种新型铬系热作模具钢中还包括按重量百分比计还包括微量的氮化物，含量的范围为0.02％≤氮化物≤0.20％，氮化物包括：BN、AlN、FeN、CrN、MnN、TiN、VN的一种或全部；还包括微量的氮N，按重量百分比计氮N含量的范围为0.02％≤氮N≤0.10％。

作为优选，上述一种新型铬系热作模具钢中还包括按重量百分比计还包括0.30％的铌Nb，0.30％以下的钛Ti，0.05％以下的稀土元素。

上述任何配合比，任何优选配合比的新型铬系热作模具钢的热处理工艺，包括以下步骤：

(1)、预加热：将全部原料预加热温度为580℃～620℃，预加热时间为50～70分钟；

(2)、淬火加热：淬火加热温度为1050℃～1090℃，采用油冷却或者空气冷却或者盐浴冷却，淬火时间为20～30分钟；

(3)、回火：回火温度为520℃～540℃，然后空气冷却至室温。

作为优选，预加热后，还进行第二次预加热，然后进行淬火，第二次预加热温度850℃～900℃，第二次预加热时间为40～50分钟；第一次回火空气冷却后，再进行第二次回火，第二次回火温度520℃～540℃，然后空气冷却至室温。

作为优选，第二次回火空气冷却至室温后，再进行第三次回火，第三次回火温度480℃～500℃，然后空气冷却至室温。

本发明一种新型铬系热作模具钢主要组份范围确定的理由如下：

碳C：是控制马氏体强度的关键因素，也是影响韧性的主要因素。国内外关于低碳马氏体的大量研究表明：若要获得较好的综合机械性能，钢中碳量要控制在.80％-0.30％。

硅Si：硅的加入可提高钢的淬透性和基体强度。硅溶于α-Fe中，使其强化，并提高α-Fe转变r-Fe的转变温度及高温抗氧化能力。硅是不溶于碳化物，但能提高回火时析出特殊碳化物的弥散度；近期研究表明：加入适量的硅可以改善钢的韧性。

锰Mn：除了能提高淬透性之外，还可以消除硫的有害影响。

铬Cr：铬形成碳化物，可提高钢的淬透性。淬火加热时铬溶于奥氏体，淬火后固溶于马氏体中，可以提高钢的抗回火能力。热作模具钢中，α-Fe中铬含量少于2％时，随着铬含量的增加，高温强度随之上升，但铬含量大于2％时，高温强度将随铬含量的增加反而下降。同时，还会引起碳化物偏析，将导致降低冲击韧性。

钨W和钼Mo：钨的加入在多元复合合金化的热作模具钢中，可以明显地降低钢的过热敏感倾向，并提高钢的热稳定性。但钨的含量超过2.0-3.0％，钢的热强性不会再有明显提高，反而会使韧性下降。一般应控制在1％左右。钼的加入，可以提高钢的淬透性与热强性，又可以防止第二类回火脆性。但钼加入过多，会造成钼碳化物偏析，在回火过程中沿晶界呈针状或网状析出，影响钢的韧性。

钒V：钒可以降低钢的过热敏感倾向。在低合金钢中加入0.1-0.3％的钒就有明显的效果。马氏体钢中，钒含量达到0.5％就可以产生足够的二次硬化效应。钒量过高，在二次硬化温度范围内回火，钢的塑性、韧性将明显下降。

镍Ni：镍为非碳化合物形成元素，可提高钢的淬透性。对钢的强度与韧性，均有良好作用。但过量镍会促使沿奥氏体晶界析出碳化物，这会导致基体中合金元素含量降低，使钢热强性下降。

钴Co、铌Nb、钛Ti：铌可形成稳定性很高的NbC，在1050℃刚刚开始溶入奥氏体中，因此抑制晶粒长大，可提高热强性和高韧性。钴的加入可显著提高耐氧化性和红硬性(耐磨性能好)。加入3％的钴，可大大提高其钢的耐磨性能。钛在钢中的作用，就是在高温时，避免晶粒粗化，因此可以强化钢的基体，又能提高钢的韧性。

硫S与磷P：由原材料带入的有害元素，属于尽量控制在少含量范围的元素。

本发明的优点：本发明新型铬系热作模具钢Cr7W1Mo1V NiCo比较现有热作模具钢3Cr2W8V大量减少了价格昂贵钨W的含量，大量增加铬Cr的含量，少量增加了钼Mo、镍Ni、钴Co的含量，其原料成本与现有热作模具钢3Cr2W8V基本相同，但晶粒更细化，产生了耐热性、耐韧性、抗压强度都大大增加的效果，经过大量实践证明，用本发明新型铬系热作模具钢Cr7W1Mo1V NiCo作的模具是现有热作模具钢3Cr2W8V相同模具的三倍以上的耐用次数。因为现有热作模具钢3Cr2W8V钨W的含量太高，在实际应用过程中热脆性能不佳，容易崩裂，本发明用大量减少钨W的含量，大量增加铬Cr的含量，少量增加了钼Mo、镍Ni、钴Co的含量的技术方案解决了3Cr2W8V热脆性能不佳，容易崩裂的问题，因而韧性增加更耐用。

本发明新型铬系热作模具钢的热处理工艺的淬火加热温度为1050℃～1090℃，与现有3Cr2W8V淬火加热温度1120℃～1150℃相比，虽然只下降了30℃～100℃，但这30℃～100℃的下降对箱式炉具有重要意义：用一般箱式炉达不到1150℃的淬火温度，硬度在55～61HRC。这样在少批量生产上不方便淬火及交货时间。不仅生产不方便，还需要大量投资，占用生产场地。

附图说明

图1是发明新型铬系热作模具钢热处理工艺曲线图；

具体实施方式

实施例1

本发明的一种新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.65％， 硅Si 0.30％， 锰Mn 0.30％，铬Cr 7.00％，

钨W 1.80％， 钼Mo 1.40％， 钒V 0.50％， 钴Co 0.50％，

镍Ni 0.50％，硫S≤0.005％，磷P≤0.030％，其余量为铁Fe，

上述新型铬系热作模具钢热处理工艺的步骤如下：

(1)、预加热：将全部原料预加热温度为580℃～620℃，预加热时间为50～70分钟；

(2)、淬火加热：淬火加热温度为1050℃～1090℃，采用油冷却或者空气冷却或者盐浴冷却，淬火时间为20～30分钟；

(3)、回火：回火温度为520℃～540℃，然后空气冷却至室温。

实施例2

本发明的一种新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.65％，硅Si 0.30％，锰Mn 0.30％，铬Cr 6.50％，

钨W 1.80％， 钼Mo 1.40％，   钒V 0.50％，  钴Co 0.50％，

镍Ni 0.50％，硫S≤0.005％，  磷P≤0.030％，铌Nb0.30％，

钛Ti0.30％， 稀土元素0.05％， 硼B 0.04％，其余量为铁Fe。

上述新型铬系热作模具钢热处理工艺的步骤如下：

(1)、第一次预加热：将全部原料预加热温度为580℃～620℃，预加热时间为50～70分钟；

(2)、第二次预加热：第一次预加热后，进行第二次预加热，然后进行淬火，第二次预加热温度850℃～900℃，第二次预加热时间为40～50分钟。

(3)、淬火加热：淬火加热温度为1050℃～1090℃，采用油冷却或者空气冷却或者盐浴冷却，淬火时间为20～30分钟；

(4)、第一次回火：回火温度为520℃～540℃，然后空气冷却至室温。

(5)、第二次回火：第一次回火空气冷却后再进行第二次回火，第二次回火温度520℃～540℃，然后空气冷却至室温。

实施例3

本发明的一种新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.65％， 硅Si 0.30％，    锰Mn 0.30％，  铬Cr 6.50％，

钨W 1.80％， 钼Mo 1.40％，    钒V 0.50％，   钴Co 0.50％，

镍Ni 0.50％，硫S≤0.005％，   磷P≤0.030％， 铌Nb0.30％，

钛Ti0.30％， 稀土元素0.05％， 硼B 0.08％，氮化硼BN 0.02％其余量为铁Fe。

上述新型铬系热作模具钢热处理工艺的步骤如下：

(1)、第一次预加热：将全部原料预加热温度为580℃～620℃，预加热时间为50～70分钟；

(2)、第二次预加热：第一次预加热后，进行第二次预加热，然后进行淬火，第二次预加热温度850℃～900℃，第二次预加热时间为40～50分钟。

(3)、淬火加热：淬火加热温度为1050℃～1090℃，采用油冷却或者空气冷却或者盐浴冷却，淬火时间为20～30分钟；

(4)、第一次回火：回火温度为520℃～540℃，然后空气冷却至室温。

(5)、第二次回火：第一次回火空气冷却后再进行第二次回火，第二次回火温度520℃～540℃，然后空气冷却至室温。

(6)第三次回火：在第二次回火空气冷却至室温后，再进行第三次回火，第三次回火温度480℃～500℃，然后空气冷却至室温。

实施例4、

本发明的一种热段新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.40％， 硅Si 0.30％，  锰Mn 0.30％， 铬Cr 7.00％，

钨W 1.80％， 钼Mo 1.40％，  钒V 0.50％，  钴Co 0.50％，

镍Ni 0.50％，硫S≤0.005％， 磷P≤0.030％，其余量为铁Fe。

上述热段新型铬系热作模具钢热处理工艺的步骤同于实施例3。本实施例热段新型铬系热作模具钢硬度在55～57HRC。

实施例5、

本发明的一种温段新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.65％， 硅Si 0.30％，    锰Mn 0.30％，  铬Cr 7.00％，

钨W 1.80％， 钼Mo 1.40％，    钒V 0.50％，   钴Co 0.50％，

镍Ni 0.50％，硫S≤0.005％，   磷P≤0.030％， 铌Nb0.30％，

钛Ti0.30％， 稀土元素0.05％， 硼B 0.10％，   氮化物BN、AlN、FeN、CrN总重量为0.08％，其余量为铁Fe。

上述温段新型铬系热作模具钢热处理工艺的步骤同于实施例3。本实施例温段新型铬系热作模具钢硬度在58～61HRC。

实施例6、

本发明的又一种温段新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.65％， 硅Si 0.30％，    锰Mn 0.30％，  铬Cr 7.00％，

钨W 1.80％， 钼Mo 1.40％，    钒V 0.50％，   钴Co 0.50％，

镍Ni 0.50％，硫S≤0.005％，   磷P≤0.030％， 铌Nb0.30％

钛Ti0.30％， 稀土元素0.05％， 硼B0.08％，  氮化物BN、AlN、FeN、CrN、MnN的全部含量供为0.10％；还包括0.02％氮N，其余量为铁Fe。

上述温段新型铬系热作模具钢热处理工艺的步骤同于实施例3。本实施例温段新型铬系热作模具钢硬度在58～61HRC。

实施例7、

本发明的又一种温段新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.65％， 硅Si 0.30％，  锰Mn 0.30％，  铬Cr 7.00％，

钨W 1.80％， 钼Mo 1.40％，  钒V 0.50％，   钴Co 0.50％，

镍Ni 0.50％，硫S≤0.005％， 磷P≤0.030％， 铌Nb0.30％，

钛Ti0.30％，稀土元素0.05％，硼B0.06％，氮化物BN、AlN、FeN、CrN、MnN、TiN、VN的全部含量供为0.20％；还包括0.10％氮N，其余量为铁Fe。

上述温段新型铬系热作模具钢热处理工艺的步骤同于实施例3。本实施例温段新型铬系热作模具钢硬度在58～61HRC。

实施例8、

本发明的又一种温段新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.65％， 硅Si 0.30％，    锰Mn 0.30％，  铬Cr 7.00％，

钨W 1.80％， 钼Mo 1.40％，    钒V 0.50％，   钴Co 0.50％，

镍Ni 0.50％，硫S≤0.005％，   磷P≤0.030％， 铌Nb0.30％，

钛Ti0.30％， 稀土元素0.05％， 氮化物BN、AlN、FeN、CrN、MnN、TiN、VN的全部含量供为0.20％，还包括0.08％氮N，其余量为铁Fe。

上述温段新型铬系热作模具钢热处理工艺的步骤同于实施例3。本实施例温段新型铬系热作模具钢硬度在58～61HRC。

实施例9、

本发明的又一种温段新型铬系热作模具钢，按重量百分比计包括：

碳C 0.65％， 硅Si 0.30％，  锰Mn 0.30％，  铬Cr 7.00％，

钨W 1.80％， 钼Mo 1.40％，  钒V 0.50％，   钴Co 0.50％，

镍Ni 0.50％，硫S≤0.005％， 磷P≤0.030％， 铌Nb0.30％，

钛Ti0.30％， 氮化物BN、FeN、CrN、MnN的全部含量供为0.06％，还包括0.06％氮N，其余量为铁Fe。

上述温段新型铬系热作模具钢热处理工艺的步骤同于实施例3。本实施例温段新型铬系热作模具钢硬度在58～61HRC。