冷作模具钢及其制备方法.pdf

本发明涉及一种冷作模具钢，由以下组分制得：C2.0~2.25%，Cr11.5~12.5%，V4~4.5%，Si0.25~0.5%，Mn0.2~0.5%，Mo0.7~1.5%，Al0.1~0.15%，Re0.15~0.2%，S≤0.01%，P≤0.025%，N≤0.015%，余量为Fe和不可避免的杂质。该冷作模具钢具有高硬度、强度、耐磨性、韧性及高淬透性、淬硬性等优异性能。其制备方法包括：在中性坩埚内熔料，经LF炉外精炼，VD真空除气后，加入Re对钢水进行变质处理，将钢水浇注为电极棒，再经电渣重熔冶炼为钢锭，最后加热开坯锻造生产棒材。该生产工艺流程简单，成本低，具有很好的市场价值。

权利要求书
1.  一种冷作模具钢，其特征在于，其由以下质量百分比的组分制得：C2.0~2.25%，Cr11.5~12.5%，V4~4.5%，Si0.25~0.5%，Mn0.2~0.5%，Mo0.7~1.5%，Al0.1~0.15%，Re0.15~0.2%，S≤0.01%，P≤0.025%，N≤0.015%，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.  根据权利要求1所述的冷作模具钢，其特征在于，其由以下质量百分比的组分制得：C2.15%，Cr12%，V4%，Si0.4%，Mn0.45%，Mo1%，Al0.12%，Re0.2%，S0.007%，P0.015%，0.015%N，余量为Fe和不可避免的杂质。

3.  一种冷作模具钢的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a、采用中性坩埚将合金及高速钢返回料熔化倒入钢包，经LF炉外精炼，VD真空除气，保证N≤0.015%；
b、在VD破真空即将浇注时向钢水加入Re进行变质处理；
c、将步骤b经变质处理的钢水浇注为电极棒，再经电渣重熔冶炼为钢锭，钢锭再加热开坯锻造生产棒材。

4.  根据权利要求3所述的冷作模具钢的制备方法，其特征在于：所述步骤c中加热开坯温度为1180℃~1195℃。

说明书冷作模具钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种模具钢，尤其涉及一种冷作模具钢，同时，本发明还涉及该冷作模具钢的制备方法。
背景技术
近年在塑料加工、海洋开发、石油化工等领域，由于加工制造或零件使用环境通常具有腐蚀、磨损、高强度应力加载的复杂工况特点，对具有优异力学强度、耐蚀性能、耐磨性能的工具钢有大量需求。为适应市场对耐磨性、耐蚀性的要求，厂家多采用提高冷作模具钢材料中V含量增加材料中硬度最高的次生相MC的措施，来提高耐磨性；控制基体Cr含量大于11%来提高耐蚀性。
随着V含量提高，当质量分数＞3%时合金偏析急剧增强，传统铸锻工艺难以生产。目前针对V含金量＞3%的钢种，一般采用粉末冶金热等静压的方式生产，但其工艺成本较高，流程复杂。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种更优化的冷作模具钢。
为实现上述目的，本发明的冷作模具钢由以下质量百分比的组分制得：C2.0~2.25%，Cr11.5~12.5%，V4~4.5%，Si0.25~0.5%，Mn0.2~0.5%，Mo0.7~1.5%，Al0.1~0.15%，Re0.15~0.2%，S≤0.01%，P≤0.025%，N≤0.015%，余量为Fe和不可避免的杂质。
采用2.0~2.25%的C，使冷作模具钢具有较好的淬透性和耐磨性。采用11.5~12.5%的Cr，能显著提高强度、硬度，提高钢的耐氧化性及耐磨性。11.5~12.5%的Cr与2.0~2..25%的C配合，既保证在基体中Cr含量大于11%，又通过控制总的Cr含量，减少大颗粒M23C6碳化物的数量，进而增强了钢的热加工性。
采用4-4.5%的V，增加钢种MC碳化物数量，提高钢的耐磨性。同时采用≤0.015%N与4-4.5%V的配合，防止钢水在浇注过程中以VN形核形成一次碳化物MC，控制MC碳化物的形状及颗粒尺寸，利于传统工艺的后续锻造。
Al用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，改善钢在低温时的韧性，降低钢的脆性转变温度，扩大钢的热加工温度范围。Re稀土细化钢种晶粒，减少晶界上的共晶碳化物，使共晶碳化物网格变小，厚度变薄，使共晶碳化物弥散分布，减少了合金元素的偏析。采用0.1-0.15%的Al和0.15%的Re共同作用，使钢种晶粒细化，抑制钢的MC碳化物偏析。
采用0.25-0.5%的Si强化铁素体，增强钢热处理的二次硬化能力，降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。采用0.7-1.5%的Mo，钼对铁素体有固溶强化的作用，提高钢的红硬性。采用0.28-0.5%Mn，使得切削容易碎断，有利于提高加工表面的质量。
S是非金属夹杂物形成元素，为改善消除S与Fe等其它元素形成低熔点非金属夹杂的危害，控制适量Mn与S形成MnS，但MnS在压延方向延伸分布，使压延方向的韧性降低，希望S含量越低越好，本发明要求S≤0.010%。
P是晶界偏聚元素，对钢的冲击韧性影响很大，P含量越低，对钢的韧性越有利，特别是0.015%以下钢的冲击值纵横异性显著减小，但由于高合金钢冶炼时对P去除很难，主要通过控制原料P含量及通过电渣重熔工艺达到要求结合经济性成本考虑，本发明控制P≤0.025%。
通过上述组分及其含量的配合限定，能够以传统工艺冶炼铸锻出具有高硬度、强度、耐磨性、韧性及高淬透性、淬硬性的冷作模具钢，适用于塑料加工、海洋开发、石油化工等领域冷作模具钢的需要。
作为对上述方式的限定，所述冷作模具钢由以下质量百分比的组分制得：C2.15%，Cr12%，V4%，Si0.4%，Mn0.45%，Mo1%，Al0.12%，Re0.2%，S0.007%，P0.015%，0.015%N，余量为Fe和不可避免的杂质。
同时，本发明提供了这种冷作模具钢的制备方法，该方法包括以下步骤：
a、采用中性坩埚将合金及高速钢返回料熔化倒入钢包，经LF炉外精炼，VD真空除气，保证N≤0.015%；
b、在VD破真空即将浇注时向钢水加入Re进行变质处理；
c、将步骤b经变质处理的钢水浇注为电极棒，再经电渣重熔冶炼为钢锭，钢锭再加热开坯锻造生产棒材。
采用传统工艺进行冷作模具钢的冶炼铸锻，需要在VD真空除气工序保证N≤0.015%，防止钢水在浇注过程中以VN形核形成一次碳化物MC，控制MC碳化物的形状及颗粒尺寸；还需要对钢水通过加入Re稀土进行变质处理，利用Al和Re的共同作用，使钢种晶粒细化，抑制钢的MC碳化物偏析；最后通过电渣重熔减少MC碳化物的偏析，得到符合要求的冷作模具钢。
作为对上述方式的限定，所述步骤c中加热开坯温度为1180℃~1195℃
综上所述，采用本发明的技术方案，能够以传统工艺冶炼铸锻具有高硬度、强度、耐磨性、韧性及高淬透性、淬硬性等优异性能的冷作模具钢，符合冷作模具钢产品标准要求，相较于采用粉末冶金热等静压等方式生产的冷作模具钢，成本低，工艺简单，具有很好的市场价值。
具体实施方式
实施例一
本实施例涉及一种冷作模具钢，包括以下质量百分比的组分：
2.15%C，12%Cr，4%V，0.4%Si，0.45%Mn，1%Mo，0.12%Al，0.2%Re，0.007%S，0.015%P，0.015%N，余量为Fe和不可避免的杂质。
其制备方法包括以下步骤：
a、根据C、Cr、Mo、V目标质量百分比配料，采用中频感应炉冶炼钢水，钢水倒入钢包中经LF炉外精炼，VD真空除气，保证N≤0.015%；
b、在VD破真空即将浇注时将质量为钢液0.20%的Re稀土放入钢包进行变质处理；
c、将步骤b经变质处理的钢水经下注法浇注为电极棒，再经电渣重熔冶炼为钢锭，钢锭1180℃加热开坯锻造生产棒材。
棒材产品取力学试样经1050-1150℃淬火，500-550℃回火。按国标GB/T230、B/T229对产品进行性能检验，结果如下表：
                                                 
上述产品性能检测结果符合GB/T1299-2000《合金工具钢》、ASTM A681-2008《合金工具钢》相关标准要求。
实施例二
本实施例涉及一种冷作模具钢，包括以下质量百分比组分：
2.2%C，11.5%Cr，4.5%V，0.5%Si，0.5%Mn，1.5%Mo，0.15%Al，0.15%Re，0.01%S，0.02%P，0.015%N，余量为Fe和不可避免的杂质。
其制备方法包括以下步骤：
a、根据C、Cr、Mo、V目标质量百分比配料，采用中频感应炉冶炼钢水，钢水倒入钢包中经LF炉外精炼，VD真空除气，保证N≤0.015%；
b、在VD破真空即将浇注时将质量为钢液0.15%的Re稀土放入钢包进行变质处理；
c、将步骤b经变质处理的钢水经下注法浇注为电极棒，再经电渣重熔冶炼为钢锭，钢锭1185℃加热开坯锻造生产棒材。
棒材产品取力学试样经1050-1150℃淬火，500-550℃回火。按国标GB/T230、B/T229对产品进行性能检验，结果如下表：

上述产品性能检测结果符合GB/T1299-2000《合金工具钢》、ASTM A681-2008《合金工具钢》相关标准要求。
实施例三
本实施例涉及一种冷作模具钢，包括以下质量百分比组分：
2.1%C，12.5%Cr，4.4%V，0.3%Si，0.3%Mn，1.2%Mo，0.13%Al，0.17%Re，0.009%S，0.018%P，0.015%N，余量为Fe和不可避免的杂质。
其制备方法包括以下步骤：
    a、根据C、Cr、Mo、V目标质量百分比配料，采用中频感应炉冶炼钢水，钢水倒入钢包中经LF炉外精炼，VD真空除气，保证N≤0.015%；
    b、在VD破真空即将浇注时将质量为钢液0.17%的Re稀土放入钢包进行变质处理；
    c、将步骤b经变质处理的钢水经下注法浇注为电极棒，再经电渣重熔冶炼为钢锭，钢锭1190℃加热开坯锻造生产棒材。
棒材产品取力学试样经1050-1150℃淬火，500-550℃回火。按国标GB/T230、B/T229对产品进行性能检验，结果如下表：

上述产品性能检测结果符合GB/T1299-2000《合金工具钢》、ASTM A681-2008《合金工具钢》相关标准要求。
实施例四
本实施例涉及一种冷作模具钢，包括以下质量百分比组分：
2.05%C，12%Cr，4.3%V，0.45%Si，0.4%Mn，0.8%Mo，0.1%Al，0.18%Re，0.008%S，0.021%P，0.015%N，余量为Fe和不可避免的杂质。
其制备方法包括以下步骤：
    a、根据C、Cr、Mo、V目标质量百分比配料，采用中频感应炉冶炼钢水，钢水倒入钢包中经LF炉外精炼，VD真空除气，保证N≤0.015%；
    b、在VD破真空即将浇注时将质量为钢液0.18%的Re稀土放入钢包进行变质处理；
    c、将步骤b经变质处理的钢水经下注法浇注为电极棒，再经电渣重熔冶炼为钢锭，钢锭1195℃加热开坯锻造生产棒材。
棒材产品取力学试样经1050-1150℃淬火，500-550℃回火。按国标GB/T230、B/T229对产品进行性能检验，结果如下表：

上述产品性能检测结果符合GB/T1299-2000《合金工具钢》、ASTM A681-2008《合金工具钢》相关标准要求。
实施例五
本实施例涉及一种冷作模具钢，包括以下质量百分比组分：
2.25%C，12.3%Cr，4.1%V，0.25%Si，0.35%Mn，0.9%Mo，0.11%Al，0.19%Re，0.01%S，0.02%P，0.015%N，余量为Fe和不可避免的杂质。
其制备方法包括以下步骤：
    a、根据C、Cr、Mo、V目标质量百分比配料，采用中频感应炉冶炼钢水，钢水倒入钢包中经LF炉外精炼，VD真空除气，保证N≤0.015%；
    b、在VD破真空即将浇注时将质量为钢液0.19%的Re稀土放入钢包进行变质处理；
    c、将步骤b经变质处理的钢水经下注法浇注为电极棒，再经电渣重熔冶炼为钢锭，钢锭1182℃加热开坯锻造生产棒材。
棒材产品取力学试样经1050-1150℃淬火，500-550℃回火。按国标GB/T230、B/T229对产品进行性能检验，结果如下表：

上述产品性能检测结果符合GB/T1299-2000《合金工具钢》、ASTM A681-2008《合金工具钢》相关标准要求。