喷射成形冷作工具钢

摘要

本发明涉及一种喷射成形冷作工具钢，其化学组分按质量百分比计包括：C：1.0%-1.5%，W：0.1%-0.5%，Mo：≤2.0%，Cr：11.1%-15.2%，V：0.6%-1.5%，Nb：0.2%-1.0%，Co：0.05%-0.5%，Si：≤0.5%，Mn：0.2%-0.6%，N：0.1%-0.8%，余量为铁和杂质；所述喷射成形冷作工具钢的碳化物组成为MC碳化物和M7C3碳化物，其中MC碳化物的类型为（V、Nb）（C、N）。制得的喷射成形冷作工具钢碳化物粒度细小，分布均匀，具备优异的耐磨性能和韧性。本发明采用喷射成形工艺制备，制备成本相比粉末冶金工艺要低，有利于降低合金整体成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种冷作工具钢，尤其涉及一种喷射成形冷作工具钢。

背景技术

冷作工具钢应同时具备包括耐磨性能、冲击韧性、抗弯强度以及硬度等四个方面的优异性能。正常使用条件下，耐磨性能决定了使用寿命的长短，工具钢的耐磨性能取决于基体硬度以及钢中存在的硬质第二相的含量、形态以及粒度分布。钢中的硬质第二相包括M₆C、M₂C、M₂₃C₆、M₇C₃以及MC等，MC碳化物的显微硬度高于其它碳化物，作业过程中能够更好地保护基体，从而减少磨损的发生，提高工模具的使用寿命。工具钢的冲击韧性是反映韧性的重要指标，钢中粗大碳化物的存在引起应力集中，使工具钢韧性降低，导致在较低的外力加载下发生断裂，为了提高工具钢韧性，减少碳化物含量或细化碳化物粒度是重要的手段。工具钢使用过程中为了避免塑性变形的发生，工具钢通常要求硬度达到HRC60以上。

目前工具钢主要采用传统的铸锻工艺制备，采用铸锻工艺制备工具钢受到工艺过程钢液缓慢冷却凝固特点的限制，合金成分在凝固过程中容易发生偏析，形成粗大的碳化物组织，即使经过后续锻轧处理，这种不良组织仍然会对合金性能带来不良影响，导致铸锻工具钢性能上包括强度、韧性、耐磨性能、可磨削性能等处于偏低水平，难以满足高端加工制造对材料使用性能及寿命稳定性的要求。采用粉末冶金工艺制备工具钢解决了合金元素偏析的问题，制备得到合金组织细小均匀，相比铸锻合金性能有大幅度提升，但是存在的问题是粉末冶金工艺复杂、流程长，带来成本的提高，限制了粉末冶金工具钢的广泛使用。在此种背景下，近年来采用喷射成形工艺制备工具钢得到发展，喷射成形的工艺原理是在惰性气体如氮气、氩气等保护气氛下，采用高压气体将熔融金属破碎成细小的金属熔滴，雾化熔滴在飞行过程中冷却到半凝固状态，这些半凝固状态熔滴飞行撞击沉积接收器表面，发生沉积，逐步长大成大块金属沉积坯，后续可对沉积坯进行锻轧加工获得所需形状材料。采用喷射成形工艺制备工具钢已有报道，但由于其原料成分的配比不够合理，生成的工具钢其碳化物组织不够理想，其性能不够优异。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种具有优异性能的喷射成形冷作工具钢。

为实现上述目的，本发明的喷射成形冷作工具钢其化学组分按质量百分比计包括：C：1.0%-1.5%，W：0.1%-0.5%，Mo：≤2.0%，Cr：11.1%-15.2%，V：0.6%-1.5%，Nb：0.2%-1.0%，Co：0.05%-0.5%，Si：≤0.5%，Mn：0.2%-0.6%，N：0.1%-0.8%，余量为铁和杂质；所述喷射成形冷作工具钢的碳化物组成为MC碳化物和M₇C₃碳化物，其中MC碳化物的类型为（V、Nb）（C、N）。

本发明通过合金成分的设计，促进工具钢在喷射成形工艺下碳化物的形核与细化，从而提高工具钢的耐磨性能和韧性。

C元素部分固溶于基体，提高基体强度，同时，C元素是碳化物的组成元素之一，含量不能小于1.0%，以保证合金元素能够充分参与碳化物析出，C的最大含量不超过1.5%，避免过多的C固溶于基体导致韧性下降，在C含量1.0%-1.5%范围内，能够获得最大耐磨性能以及强韧性的配合。

W 、Mo固溶于基体，提高基体淬透性，本发明W含量范围是0.1%-0.5%，Mo的含量范围是Mo≤2.0%。

Cr的作用一方面固溶于基体，提高淬透性，另一方面参与富Cr碳化物的析出，如M₇C₃碳化物、M₂₃C₆碳化物等，本发明的Cr含量为11.1%-15.2%。

V元素的使用对于提高耐磨性能非常重要，V是形成MC型碳化物的主要元素，考虑到工具钢对耐磨性能及韧性的双重需求，V含量控制在0.6%-1.5%。

Nb的作用与V类似，参与形成MC碳化物，本发明Nb固溶于MC碳化物，提高MC碳化物析出时的形核数量，促进MC碳化物析出和细化，提高耐磨性能，本发明控制Nb的含量范围为0.2%-1.0%。

Co主要固溶于基体，促进碳化物析出，细化碳化物颗粒度，本发明Co含量的范围为0.05%-0.5%。

Si不参与碳化物形成，作为一种脱氧剂和基体强化元素来使用，Si过多会使基体的韧性下降，因此Si含量范围限定为Si≤0.5%。

Mn作为脱氧剂加入，可以固硫减少热脆性，另外锰增加淬透性，本发明Mn含量范围为0.2%-0.6%。

N参与形成MC碳化物，快速冷却条件下，N促进MC碳化物形核析出，同时不会导致MC碳化物过分长大，有利于提高耐磨性能，限定N含量范围为0.1%-0.8%。

Nb、N合金元素促进了高硬度MC碳化物的析出，有利于耐磨性能提高，MC碳化物类型为（V、Nb）（C、N），碳化物粒度细小，分布均匀，使本发明的喷射成形冷作工具钢具备优异的韧性。

作为对上述方式的限定，所述杂质包括O，O≤0.01%。

O过高导致工具钢韧性下降，本发明控制O含量≤0.01%，以确保钢的优良性能。

作为对上述方式的限定，其化学组分按质量百分比计包括：C：1.0%-1.4%，W：0.1%-0.3%，Mo：≤1.5%，Cr：11.5%-14.0%，V：0.7%-1.5%，Nb：0.4%-1.0%，Co：0.05%-0.3%，Si：≤0.4%，Mn：0.2%-0.5%，N：0.1%-0.6%，O≤0.008%，余量为铁和杂质。

为了达到更好的综合性能，本发明喷射成形冷作工具钢中的各化学组分应控制在要求范围之内。

作为对上述方式的限定，所述杂质包括S，S≤0.1%。

作为对上述方式的限定，所述杂质包括P，P≤0.03%。

作为对上述方式的限定，所述MC碳化物的体积分数为1%-2.5%。

作为对上述方式的限定，所述MC碳化物至少80Vol% MC碳化物尺寸≤2μm，最大MC碳化物尺寸不超过3μm。

作为对上述方式的限定，所述M₇C₃碳化物为富Cr碳化物。

作为对上述方式的限定，所述M₇C₃碳化物的体积分数为12%-16%。

作为对上述方式的限定，所述M₇C₃碳化物至少80Vol% M₇C₃碳化物尺寸为3-12μm，最大M₇C₃碳化物尺寸不超过22μm。

本发明的喷射成形冷作工具钢，可以采用如下方法制备，包括以下步骤：

a、按上述化学组成要求制备工具钢钢液并转移至钢包；

b、通电加热钢包内钢液上表面覆盖的保护渣，维持钢液的过热度；在钢包底部通入惰性气体对钢液进行搅拌；

c、将钢液通过钢包底部的导流管以稳定流量流入预加热的中间包，待钢液进入中间包埋没导流管下端面时对钢液上表面施加保护渣；

d、对中间包进行持续补偿加热，维持钢液的过热度；

e、钢液从中间包进入喷射沉积室后采用惰性气体进行雾化沉积，在稳定出口压力下完成喷射沉积得到喷射沉积锭；喷射沉积过程维持钢液温度稳定、钢液流量稳定，喷射沉积接收盘缓慢下降同时水平旋转，喷射沉积接收盘下降速度与喷射沉积锭生长速度保持一致使喷射沉积锭上端面高度恒定；控制气体进气、出气流量，保持喷射沉积室的惰性气体保护性氛围；

f、将喷射沉积锭转移至保护性气氛炉进行退火或直接转移至热锻开坯工艺环节。

在喷射成形工艺过程采用全流程保护，以控制氧含量及碳化物形态，优化工具钢性能。钢包的保护渣具备隔绝空气以及导电加热功能；钢包底部通过透气孔通入惰性气体，使钢包内不同位置钢液温度均衡，同时加速有害夹杂的上浮去除；钢包底部的导流管一方面对钢液起导流作用，减少钢液流转过程紊流产生，避免卷渣或减少夹杂进入到下一环节，另一方面避免钢液直接与空气的接触，防止钢液氧含量上升；中间包的保护渣防止流经中间包的钢液直接与空气接触，减少钢液氧含量的升高；钢水进入中间包前对中间包预加热，防止钢液进入中间包时局部凝结或导致第二相提前析出；喷射沉积过程中控制气体进气及出气流量，保持喷射沉积室惰性气体的保护气氛，对喷射沉积锭起到保护作用。

综上所述，采用本发明的技术方案，获得冷作工具钢由于Nb、N合金元素的添加，促进了MC碳化物析出，有利于耐磨性能提高，MC碳化物类型为（V、Nb）（C、N），碳化物粒度细小，分布均匀，具备优异的耐磨性能和韧性，热处理硬度能够达到HRC60以上，可以满足不同类型的应用需求，用途广泛。本发明喷射成形冷作工具钢采用喷射成形工艺制备，合金制备成本相比粉末冶金工艺要低，有利于降低合金整体成本。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作更进一步详细说明：

图1为本发明喷射成形冷作工具钢的组织图。

具体实施方式

实施例一

本实施例涉及一组喷射成形冷作工具钢，其化学组分如表1.1所示：

表1.1实施例一喷射成形冷作工具钢的化学组分表

采用如下制备步骤：

a、将本发明工具钢钢液装入喷射成形熔炼钢包中，钢液装载重量为3.5吨；

b、采用石墨电极对钢包内钢液上表面覆盖的保护渣通电加热，钢包底部透气孔通入氩气搅拌钢包中钢液，钢液过热度达到100℃-150℃时打开钢液导流管；

c、将钢液通过钢包底部的导流管流入预加热至800℃的中间包，控制导流管入口大小，使钢液流量为100 kg/min -200 kg/min，钢水进入中间包后埋没钢液导流管下端面时施加保护渣；

d、喷射沉积过程对中间包持续补偿加热，使钢液过热度维持在100℃-150℃；

e、钢液通过中间包底部开口漏眼进入喷射沉积室，开启气体喷射阀门，采用氮气作为气体介质进行雾化沉积，氮气纯度≥99.999%，氧含量≤2ppm，气体喷嘴出口压力为1.0MPa-1.5MPa；钢液在惰性气体喷射作用下被破碎成半凝固熔滴，随之与气体混合形成雾化锥，熔滴飞行至喷射沉积接收盘被捕获沉积形成沉积锭；喷射沉积过程维持钢液温度稳定、钢液流量稳定，喷射沉积接收盘缓慢下降同时水平旋转，喷射沉积接收盘下降速度与喷射沉积锭生长速度保持一致使喷射沉积锭上端面高度恒定；喷射沉积开始前后，喷射沉积室内部保持保护性氮气气氛，沉积过程控制气体进气及出气流量，保持喷射沉积室惰性气体保护气氛；

f、喷射沉积完成后得到单根＞3吨，尺寸为Φ550mm锭材，将喷射沉积锭转移至氮气气氛保护退火炉退火后随炉冷却。

将获得的实施例1.1~1.4的喷射成形冷作工具钢再制成Φ50mm的棒材。

实施例二

本实施例涉及实施例一的喷射成形冷作工具钢的碳化物含量及粒度、热处理硬度、冲击韧性、耐磨性能的验证，其中碳化物含量及粒度基于扫描电镜获取组织图像进行分析，热处理硬度、冲击韧性、耐磨性能分别参考GB/T 230.1、GB/T 229、GB/T 12444-2006进行测试。

将实施例1.1、1.2的喷射成形冷作工具钢与购买的铸锻冷作工具钢（合金A）和粉末冶金冷作工具钢（合金B）进行对比分析，其结果如下：

表2.1实施例1.1、1.2与合金A、B的成分组成对比

上表中N.A表示未分析。

对本发明工具钢的碳化物进行分析，碳化物组成为MC碳化物及M₇C₃碳化物，其中MC碳化物类型为（V、Nb）（C、N），主要成分组成为V、Nb、C、N以及少量Fe、Cr等合金元素，M₇C₃碳化物为富Cr型碳化物。如图1的本发明喷射成形冷作工具钢的组织图所示，碳化物主要为富Cr的M₇C₃碳化物，另外有MC碳化物的析出。

表2.2实施例1.1、1.2与合金A、B的碳化物含量及粒度对比

上表中碳化物粒度为至少80Vol%碳化物的尺寸。

由表2.2可看出，本发明喷射成形冷作工具钢MC碳化物至少80Vol%尺寸≤2μm，最大MC碳化物尺寸不超过3μm，析出的MC碳化物粒度接近粉末冶金工艺制备的合金B的水平；M₇C₃碳化物至少80Vol%尺寸为3-12μm，最大M₇C₃碳化物尺寸不超过22μm；碳化物粒度分布整体细小于合金A，有利于获得较高的韧性。

表2.3实施例1.1、1.2与合金A、B的热处理硬度、冲击韧性对比

由表2.3可以看出，本发明喷射成形冷作工具钢的碳化物含量与对比合金A相近，由于碳化物粒度的细化，本发明喷射成形冷作工具钢表现出更高的冲击韧性，有利于在具有冲击载荷加载情况下使用寿命的提高。由于总体碳化物含量较高，本发明喷射成形冷作工具钢冲击韧性稍低于粉末冶金工艺制备合金B。

表2.4实施例1.1、1.2与合金A、B的耐磨性能对比

由表2.4可以看出，本发明喷射成形冷作工具钢的耐磨性能高于普通铸锻工艺制备的合金A，接近粉末冶金工艺制备的合金B。

综上所述，本发明的喷射成形冷作工具钢具备优异的耐磨性能和韧性，原因在于一方面由于合金成分的设计，促进了具有高硬度MC碳化物的析出，提高耐磨性能；另外由于采用喷射成形工艺进行制备，形成的碳化物粒度细小，分布均匀，使韧性表现优异；热处理后本发明的喷射成形冷作工具钢能够获得HRC60以上硬度，能够满足不同类型的应用需求，用途广泛，如可应用于冲裁模、滚丝模、压印模具、修剪冲模、精冲工具等冲压裁剪模具，冷轧辊，工业剪切刀片，输送耐磨介质泵体零部件、废钢切碎机、轮胎破碎机等耐磨零部件，注塑机螺杆、螺杆套、螺杆头等塑料机械零部件等等。由于合金制备成本相比粉末冶金工艺要低，有利于降低合金的整体成本。