微合金化工模具钢及其热处理方法.pdf

本发明公开了一种微合金化工具钢及其热处理方法，所述工模具钢的化学成分及含量是：C 0.7～0.9％；V或Nb 0.15～0.25％；Cr、Mn、Si、Mo的总量1.0～2.0％；O、N、S、P的总量≥50ppm为普通钢；总量＜50ppm的为洁净钢。所述钢种的热处理工艺为：热轧后加热到1050～1150℃进行固溶处理快冷到600℃转入400～700℃炉中使之等温转变，机加工后加热到900～950℃油淬，最后在150～200℃回火。本发明公开的是一种合金元素含量少的优质工模具钢，具有节约资源和减少碳排放的优点，在模具及轴承行业中有广泛的应用前景。

1.  一种微合金化工模具钢，其化学成分是：C 0.7-0.9％；V或Nb 0.15-0.25；Cr、Mn、Si和Mo的总量1.0-2.0％；O、N、S、P总量≥50ppm为普通钢；其含量小于50ppm的为洁净钢。

2.  如权利要求1所述的微合金化工模具钢的热处理方法，其特征在于：该工模具钢的热处理工艺为：热轧后加热到1050-1150℃进行固溶处理，快冷到600℃转入400-700℃炉中使之等温转变，机加工后加热到900-950℃油淬，最后在150-200℃回火。

微合金化工模具钢及其热处理方法
技术领域
本发明涉及一种新型工模具钢及其热处理方法。
背景技术
模具在制造业中所占的地位越来越重要，用模具进行生产不仅可以大幅度提高生产效率，而且可以保证产品质量的一致性。目前模具制造业的产值已经超过机床制造业，由此可见模具在制造业中的重要地位。
绝大多数模具都是用钢制作的，因此要提高模具的质量，首先要提高模具钢的质量，而且要在节约资源和减少碳排放的前提下提高模具钢的质量。目前我国已是模具钢生产世界第一大国，但还不是模具钢生产强国。每年都要高价从国外大量进口优质模具钢。其价格是国产同样钢号的模具钢价格的三倍以上。按照不同的分类方法，模具钢可分为冷作模具钢、热作模具钢及塑料模具钢，其中以冷作模具钢最为重要。冷作模具钢又可分为低合金冷作模具钢、中合金冷作模具钢及高合金冷作模具钢。合金元素含量越高，价格越昂贵。为了节约资源，需要发展合金元素含量少的优质模具钢，为了减少碳排放，需要简化模具钢的生产工艺。
由于低合金冷作模具钢与低合金工具钢以及轴承钢的工作条件基本相同，这三类钢可以相互通用，故可统称为工模具钢。下面是列入我国常用的这三类钢的化学成分及热处理后的性能。
                 化学成分％                淬、回火温度   淬硬性  淬透性  弯曲强度  冲击韧度
钢号    C      Si      Mn      Cr      W/V       ℃       HRC     mm      MPa       J/CM²
9SiCr   0.90   1.40    0.45    1.08              840x200  62      26      2250
CrWMn   0.98   0.40    0.95    1.05    1.40/     815x200  62
9CrWMn  0.90   0.40    1.05    0.65    0.65/     815x200  62
CrMn    1.40   0.40    0.56    1.45              815x200  61              1950
MnSi    1.00   0.80    0.75                      810x200  61      17
8MnSi   0.80   0.45    0.95                      810x200  60
9Mn2    0.90   0.40    1.85                      770x200  62
CrW5    1.40   0.40    0.40    0.55    5.00/     810x200  65
Cr2     1.02   0.40    0.40    1.50              845x200  62      30
9Cr2    0.87   0.40    0.40    1.50              835x200  62
V         1.00    0.40    0.40            /0.30        800x200    62
W         1.15    0.40    0.40    0.20    1.00/        815x200    62
GCr15     1.00    0.25    0.30    1.50                 840x160    63/64    20             20
GCr15SiMn 1.00    0.53    1.05    1.50                 840x160    63/64    40
9Mn2V     0.90    0.40    1.85            /0.18        795x200    62       36     1700    55
MnCrWV    1.00    0.40    1.15    0.55    0.55/0.23    810x200    62
注：淬透性指的是油淬时中心硬度能达到60HRC的园棒直径(mm)
由上列资料可见，这三类钢的含碳量都在1.0％左右，最低的为0.89％如9Cr2，个别最高的为1.40％如CrW5，均为过共析钢。合金元素含量除个别外均在2％以上，最高达到5％；热轧后都需要经过正火及球化退火以改善碳化物的分布及形态，最终热处理均采用不完全淬火及低温回火。淬火温度为Ac1+30-50℃，回火温度在150-200℃之间，组织为回火马氏体及少量未溶碳化物；淬回火后的硬度在61HRC左右，少数可以达到64HRC。由于淬火温度不高，故淬透性低，以GCr15为例，油淬时淬透直径仅20mm，增加Si、Mn后也仅40mm。淬、回火状态的弯曲强度在2000MPa左右，冲击韧性在20J/CM²左右。
综上所述，可以看出，这三类钢的共同特点是最终热处理均采用不完全淬火。原因是为了在淬火加热时能保留一部分碳化物，以阻止奥氏体晶粒长大，从而可以保证淬、回火后的强韧性。为使未溶碳化物均匀分布，且圆而细小，在热轧后、淬火加热前需要进行正火及球化退火，这类钢均为碳含量在1.0％左右的过共析钢。为能进行油淬，还需要加入2％左右的合金元素。因为淬火加热温度不高，尽管加入了2％左右的合金元素，但淬透性仍有限，油淬淬透直径仅30mm左右。在最后二个钢种中即9Mn2V及MnCrWV虽加入了阻止奥氏体晶粒长大的微量V，但是由于仍然采用不完全淬火，所以没有充分发挥V的作用。
发明内容
本发明的目的在于，设计了一种微合金化工模具钢及其热处理方法。
本发明的技术解决方案是这样实现的：
一种微合金化工模具钢，其化学成分是：C 0.7-0.9％；V或Nb 0.15-0.25％；Cr、Mn、Si和Mo的总量1.0-2.0％；O、N、S、P总量≥50ppm为普通钢；其含量小于50ppm的为洁净钢。
如权利要求1所述的微合金化工模具钢的热处理方法，其特征在于：该工模具钢的热处理工艺为：热轧后加热到1050-1150℃进行固溶处理快冷到600℃转入400-700℃炉中使之等温转变，机加工后加热到900-950℃油淬，最后在150-200℃回火。
与现有技术相比较本发明的优点主要表现在：
1、热轧与1050-1150℃固溶处理可以同时进行，即热轧后只需将钢材温度恢复到1050-1150℃即可喷水快冷至600℃，然后进行等温处理。等温处理后无需正火及球化退火即可进行机加工，简化了热处理工艺，减少了碳排放；
2.、固溶及等温处理后得到的是弥散分布的碳化钒或碳化铌以及均匀分布的细小碳化物，弥散分布的碳化钒或碳化铌可以在淬火加热时阻止奥氏体晶粒长大，均匀分布的细小的碳化物在淬火加热时易于溶入奥氏体，提高奥氏体中C与Cr的含量；
3、阻止奥氏体晶粒长大的任务已由弥散分布的难以溶解的碳化钒或碳化铌承担，故可以将不完全淬火改变为900-950℃的完全淬火，由于淬火温度的提高，碳化物的充分溶入，虽然钢的碳及合金元素含量下降了，但淬透性可提高一倍以上；
4、由于淬火加热时除微细的碳化钒及碳化铌未溶解外，其他碳化物已经充分溶解，150-200℃低温回火时析出的是弥散分布的纳米级碳化物，故强韧性好，弯曲强度在2500MPa以上，冲击韧度在30J/CM²以上，淬、回火硬度在61HRC以上。
附图说明
本发明有附图3幅，其中：
图1是GCr15钢的热处理工艺曲线示意图；
图2是CrMnMoV钢的热处理工艺曲线示意图；
图3是GCr15及CrMnMoV的端淬曲线示意图。
具体实施方式
如图1～图3所示。一种微合金化工模具钢及其热处理方法。这类钢的化学成分特点是：加入0.2％的V或Nb进行微合金化；碳含量从过共析降低到共析成分，即降低到0.7-0.9％；合金元素含量降低到1.5％左右，O、N、S、P等有害元素含量可分为二类，一类为普通钢，含量与现标准同，另一类为洁净钢，O、N、S、P等的总含量应在50ppm以下。这类钢的特定的热处理工艺如下：热轧后加热到碳化钒及碳化铌能充分溶入奥氏体的温度1050-1150℃进行固溶处理使碳与所有的合金元素全部溶入奥氏体中，快冷至600℃，转入400-700℃的炉中使之等温转变为细珠光体或贝氏体，根据机加工对硬度的要求调整等温温度或在等温处理后进行一次回火以调整硬度，机加工后加热到900-950℃油淬，最后在150-200℃进行低温回火。下面以轴承钢GCr15及微合金化超细冷作模具钢CrMnMoV为例进行对比。
这二种钢的化学成分(wt％)如下：
钢号     C            Si           Mn         S         P         Cr        Mo         V
GCr15    0.95-1.05    0.15-0.35    0.2-0.4    ≤0.02    ≤0.03    1.30-1.65
CrMnMoV  0.65-0.75    0.15-0.35    0.5-0.8    ≤0.04    ≤0.04    0.90-1.20 0.3-0.4    0.15-0.35
GCr15的热处理工艺为：热轧→正火→球化退火→840℃油淬→150℃回火见附图1；CrMnMoV的热处理工艺为：热轧态钢棒经1050℃固溶处理→快冷至600℃→300℃等温处理→900℃油淬→200℃回火见附图2。
为了说明CrMnMoV淬、回火后硬度及淬透性，用端淬代替油淬，端淬前的等温处理温度为300℃，所得端淬曲线见附图3，与之相比较的GCr15的端淬曲线取自“热处理手册第3版4分册图11-319”。由附图3可见，虽然CrMnMoV的C含量及Cr含量均低于GCr15，只是增加了少量Mo与V，但其淬硬性与GCr15不相上下，淬透性则远远高于GCr15。GCr15油淬时淬透直径最高仅25mm，而CrMnMoV油淬的淬透直径高达100mm，远远高于GCr15。金相观察表明，虽然CrMnMoV淬火温度提高到了900℃，但是由于碳化钒粒子能够阻止奥氏体晶粒长大，故奥氏体晶粒未见长大，仍为细晶粒组织。