專利名稱：高合金冷作模具鋼的生產工藝的制作方法
技術領域：
本發明專利涉及一種高合金冷作模具鋼的生產工藝。
背景技術：
高合金冷作模具鋼由于碳和合金含量均較高，采用常規冶鑄工藝生產，很難避免成分偏析、碳化物聚集以及出現不利于后續加工的萊氏體組織。
Cr12MoV(或美國牌號D2鋼)是應用較廣的典型冷作模具鋼，這類鋼的碳和鉻含量均較高，采用常規工藝生產，無法避免成分偏析及嚴重的共晶碳化物的形成，因此，通常對所得坯料須要進行變向反復鍛造，才能降低或改善上述缺陷。Cr12MoV鋼的淬透性和熱處理變形性在眾多的冷作模具鋼中是較好的，但其韌性較差，致使所加工的模具在使用中常發生脆斷失效現象。為此，人們在致力于提高Cr12MoV鋼的強韌化方面做了不少工作，其中較多的研究是放在改進和完善熱處理工藝上，并且確實取得了一定的效果。
盡管如此，但大量的實際需求促使人們去考慮能夠生產強韌配合更佳的具有優良綜合性能的冷作模具鋼。為此，國內外做了大量的研究工作，開發出不少新的鋼種，如美國的Vasco DIE、日本的TCD、AUF11、DC53以及我國研制的LD、GM、ER5鋼等。這些鋼的化學成分有如下特點，適當降低碳和鉻含量以改善碳化物偏析，增加鎢、鉬和釩的含量以增加二次硬化的能力和提高耐磨性，因此這些鋼大都采用較高的淬火溫度和多次回火。
雍歧龍等人的專利(中國專利號94113823.2)介紹，采用適當的微合金化，使合金冷作模具鋼經熱處理后既保持原有的高硬度，又具有高韌性，且制作的冷作模具在使用過程中不易發生脆性斷裂。戚正風等人的專利(中國專利號96107821.9)提供了一種新型無萊氏體高合金冷作模具鋼，這種鋼的鉻含量低于Cr12MoV，鉬含量與Cr12MoV相當，釩含量則高于Cr12MoV，碳含量遠低于Cr12MoV，由于碳含量低，故在鑄錠冷凝時不形成共晶萊氏體，因而不存在碳化物偏析及粗大碳化物。其不足是由于碳含量有較大幅度的降低，使得這種新型的冷作模具鋼的強度和耐磨性受到一定的影響。
上海材料研究所的科研人員針對Cr12MoV鋼存在的不足，成功開發了中鉻型鉻鉬釩LD冷作模具鋼，在成分設計上作了合理的調整，適當調低碳和鉻含量，在保證淬火后有較多馬氏體和適量的碳化物以達到高強度、高耐磨性的同時，過剩碳化物含量則大為降低，韌性由此得到改善和提高，并能保證足夠的淬透性。與Cr12MoV鋼相比，LD鋼中鉬和釩含量有所提高，并添加了適量的Si元素。因為1％的鉬可代2％的鎢，以鉬代鎢不僅成本下降，而且還可降低合金總量，并使碳化物不均勻性減少；鉬與碳生成鉬碳化物，淬火時大部分溶解，回火時以碳化物形式析出，是強烈的二次硬化元素，并使鋼有較好的回火穩定性。釩也能起到二次硬化、耐磨和提高韌性和回火穩定性的作用。Si能強化基體，同時提高鋼的抗回火穩定性。LD鋼由于在成分上作了合理調整，使得其綜合性能明顯優于Cr12MoV鋼。盡管這樣，但用其制作的模具使用在某些要求強度和耐磨性更高的場合，仍然顯得不足而難以滿足需求。
華中理工大學與大冶特鋼合作，研制了GM鋼以取代Cr12MoV鋼，并將它用于制作高速冷沖模和高強度螺栓滾絲輪等。該鋼的成分特點是，降低形成大塊碳化物和碳化物偏析的鉻的含量，增加Mo和V的含量以提高鋼的二次硬化效果，同時加入一定量的鎢元素，以提高鋼的回火穩定性。Mo和W不僅具有固溶強化作用，而且還有利于提高鋼的晶界強度和改善回火脆性。對于Cr12MoV鋼的使用范圍，GM鋼大體都能適用，但在一些要求強韌性以及耐磨性更高的場合，GM鋼更具優勢。但是，GM鋼的磨削性能稍差些，切削時對刀具的磨損是Cr12MoV鋼的1.5倍，另外，在某些強度要求更高的工況下，顯得有點不足。
用模具生產零部件具有材料利用率高，制品尺寸精度高等優點，并且能極大地提高生產率，近年國內外發展了各種先進的少無切削工藝和高效率的成形設備，因此對模具材料的性能提出越來越高的要求，特別是耐磨性和韌性的要求，更為苛刻。在相應提高碳和合金含量的情況下，再采用常規的冶金鑄造工藝生產這類冷作模具鋼，會帶來很多難以避免的問題，從而影響鋼的實際使用性能。因此，生產高合金冷作模具鋼，既要保證耐磨性又要不失優良的韌性，目前可供選擇的且較為有效的只能是粉末冶金工藝。
瑞典Uddeholm公司采用粉末冶金工藝生產的Vanadis4鋼，具有相當優良的綜合性能，其成分特點是，鉻含量比Cr12MoV鋼有一定幅度的減少，而釩含量增加較多，Mo含量有所提高，同時添加1％的Si元素。基于這一合理的成分設計，并采用粉末冶金工藝，使獲得的Vanadis4鋼具有遠比Cr12MoV鋼更優的綜合性能，特別是耐磨性和韌性顯得更為突出，這對延長模具壽命是極為有利的。美中不足的是，利用粉末冶金工藝生產Vanadis4鋼，工序較復雜，成本、能耗以及生產周期與常規工藝相比明顯增加。Uddeholm公司生產的Vanadis系列的粉末冷作模具鋼，盡管都有相當好的綜合性能，但是，由于受到上述問題的約束，勢必造成不可能大規模的生產及其推廣應用。美國Crucible公司(坩堝公司)在生產高合金工模具鋼方面也是非常出名的，采用粉末冶金工藝生產的CPM系列鋼種，具有優良的綜合性能，并能滿足不同層面的需求，但是，同樣存在由于粉末冶金工藝本身的特點所決定而不可避免地遭遇如前所說的通病。
基于上述情況，本發明旨在提供一種能夠生產具有高強韌高耐磨優良組合的高合金冷作模具鋼工藝，與粉末冶金工藝相比，具有生產工序簡化、制造成本和能耗明顯降低等優點，并且便于規模生產和實際推廣應用。
發明內容
鑒于目前高合金冷作模具鋼生產中因采用粉末冶金工藝而存在的工序復雜、成本高、能耗大等問題，本發明的目的在于提供一種高合金冷作模具鋼的生產工藝，將噴射成形技術，一道次大變形量熱軋以及等溫球化熱處理有機結合的生產工藝，可生產具有無偏析的優良球化組織的高合金冷作模具鋼。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案是，一種高合金冷作模具鋼的生產工藝，(1)其合金成分重量百分比為C 1.45～1.55、Cr 7.8～8.2、V 3.9～4.1、Mo 1.4～1.6、Si 0.9～1.1、Mn 0.3～0.5、余Fe；
(2)噴射成形工藝制取坯件將(1)中給出合金成分的真空澆鑄母合金作為原料，采用噴射成形工藝制取可供熱軋用坯件；將母合金原料放入感應爐內加熱熔化，在高于熔點150～250℃溫度下保持一段時間，使熔液的溫度和成分達到均勻。用高壓氮氣向由導液管流出的熔體進行噴射，使之霧化成為細小液滴，飛行并沉積在收集基板上，完成凝固并形成塊體材料。這種塊體的高合金冷作模具鋼由于具有優良的等軸細晶原始組織而使其具有優異的高溫變形能力，因此可對其施行大變形量的熱加工；(3)對噴射成形坯件進行熱軋坯件預熱溫度600～700℃，保溫時間5～10分鐘；熱軋溫度950～1150℃，保溫時間10～20分鐘；熱軋壓下量50％～70％；(4)熱軋砂冷后板料進行等溫球化退火熱處理將熱軋砂冷后板料放入加熱爐內隨爐升溫，達設定的溫度范圍800～900℃后進行1.5～2.5小時保溫，之后按30～70℃/0.5小時的冷卻速率冷至730～780℃，再次保溫2.5～3.5小時，然后以≤30℃/小時的冷卻速率爐冷至480～520℃，取出空冷。
進一步，所述的熱軋為單道次軋制以實現預定的50～70％大壓下量。
其中，等溫球化熱處理中熱軋砂冷板料加熱后進行1.5～2.5小時保溫。
等溫球化熱處理中熱軋砂冷板料加熱后進行保溫之后按30～70℃/0.5小時的冷卻速率冷至730～780℃。
本發明提供了一種行之有效的高合金冷作模具鋼(如著名的Vanadis4冷作模具鋼)的生產工藝，其優點主要體現在生產成本和能耗的降低以及生產周期明顯縮短等方面，與粉末冶金工藝相比優勢十分突出。這是因為像Vanadis4這種高合金冷作模具鋼，采用常規的冶鑄工藝生產將會帶來眾多如成分偏析等難以避免的缺陷，因而目前只能采用粉末冶金工藝生產。粉末冶金工藝雖然能解決上述高合金冷作模具鋼易產生成分偏析、組織不均勻的問題，但是，卻不能解決在粉末加工成塊體材料的生產過程中易出現氧化的問題，且生產工序復雜、生產成本和能耗明顯增加等缺陷無法避免，因而不便于大力推廣。
本發明的一個重要特點是采用噴射成形這一半固態、近終形新技術，可以快速、便捷地獲得具有細小等軸晶均勻組織的高合金冷作模具鋼坯料，這為后續的熱塑性變形加工和熱處理創造了條件，恰恰在這方面，粉末冶金工藝卻需要花費眾多步驟，從而造成生產成本和能耗的大幅上升。另外，正是因為噴射成形技術獲得的高合金冷作模具鋼具有優良的無偏析的細小組織，且具有良好的高溫塑性加工能力，這就為下一步順利地實施大變形量熱軋奠定了基礎。再則，選擇合適的等溫球化退火工藝，即成為最終能夠獲得優良球化組織的關鍵步驟。本發明的生產工藝，是由三個步驟或環節構成的有機整體，缺一不可。
本發明的生產工藝由噴射成形技術、軋制以及熱處理三部分組成，噴射成形作為半固態、近終形技術，在制備材料方面具有獨特的優勢，它不僅可以對傳統材料進行改進，而且更為重要的是能夠制備新型材料，特別是那些難加工變形材料，如高合金冷作模具鋼、無偏析高速鋼以及難變形高溫合金等，并且該技術能夠明顯簡化生產工序，從而使生產成本和能耗隨之降低。在這個意義上說，采用噴射成形技術生產具有高附加值的高合金冷作模具鋼，在生產成本上并不比粉末冶金工藝高。
本發明與粉末冶金工藝相比，不僅工序得到簡化，而且獲得的高合金冷作模具鋼，同樣能夠有效地克服合金成分偏析及碳化物偏聚的問題，從而成功地避免了共晶萊氏體的出現，與進口的采用粉末冶金工藝得到的著名的vanadis4鋼相比，具有相似的適合于后續淬回火處理的優良球化組織，以及相近的硬度值，但本工藝獲得的球化組織中的碳化物顆粒尺寸卻更為細小。
本發明的有益效果本發明選用合適的高合金冷作模具鋼的合金成分，采用具有快速凝固特點的噴射成形工藝制取坯件，然后將所得坯件進行一道次大變形量熱軋和等溫球化退火相結合的加工處理，由此組合生產工藝獲得的無偏析高合金冷作模具鋼，因為擁有優良的均勻球化組織和合適的硬度值而可以直接進入后續淬回火處理。
本發明獲得的高合金冷作模具鋼，成分類似于Vanadis4鋼，與進口的采用粉末冶金工藝得到的價格昂貴的(目前市場進口價約55萬/噸)著名Vanadis4鋼相比，不僅具有相似的適合于后續淬回火處理的優良球化組織，以及相近的硬度值，而且其均勻球化組織中的碳化物顆粒尺寸卻更為細小。
圖1顯示噴射成形高合金冷作模具鋼噴射態坯件顯微組織具有等軸細晶的均勻組織，未見萊氏體偏析組織。
圖2-4所示噴射成形坯件經過一道次大變形量熱軋和等溫球化退火相結合生產工藝處理后的組織晶粒比較細小，近似于球形的碳化物均勻地分布于基體上，這是典型的球化退火組織。
圖5為進口的采用粉末冶金工藝生產的Vanadis4冷作模具鋼供貨態組織具有典型的球化退火組織。
具體實施例方式
實施例1(1)合金成分(化學分析結果，重量百分比)1.52C，8.0Cr，4.0V，1.48Mo，1.0Si，0.35Mn，余Fe。
(2)采用噴射成形制取坯件將母合金原料放入感應爐內加熱熔化，在高于熔點150～250℃溫度下保持5分鐘時間，使熔液的溫度和成分達到均勻；用高壓氮氣向由導液管流出的熔體進行噴射，使之霧化成為細小液滴，飛行并沉積在收集基板上，完成凝固并形成重約2Kg的圓形坯件。
(3)噴射成形坯件熱軋從噴射成形坯件上切取厚16mm的條形坯料，坯料一端加工成楔形狀，便于熱軋時咬入。坯料放入已達300℃的加熱爐內隨爐升溫至600℃保溫5分鐘進行預熱，然后再升溫至950℃進行15分鐘的保溫后，取出立即送入最大軋制力為3000KN的熱軋機上進行軋制，單道次將坯料軋制至6.4mm厚，壓下量為50％，軋制后板料立即砂冷，未發現開裂現象。
(4)軋制砂冷后板料等溫球化熱處理軋制后板料砂冷后放入加熱爐內隨爐升溫，達設定的溫度900℃后進行2小時保溫，之后按50℃/0.5小時的冷卻速率冷至750℃，再次保溫3小時，然后以≤30℃/小時的冷卻速率爐冷至500℃，取出空冷。
實施例2(1)合金成分(化學分析結果，重量百分比)1.51C，8.01Cr，3.9V，1.47Mo，1.0Si，0.4Mn，余Fe。
(2)采用噴射成形制取坯件同實施例1。
(3)噴射成形坯件熱軋從噴射成形坯件上切取厚16mm的條形坯料，坯料一端加工成楔形狀，便于熱軋時咬入。坯料放入已達300℃的加熱爐內隨爐升溫至700℃保溫5分鐘進行預熱，然后再升溫至1050℃進行20分鐘的保溫后，取出立即送入最大軋制力為3000KN的熱軋機上進行軋制，單道次將坯料軋制至6.4mm厚，壓下量為60％，軋制后板料立即砂冷，未發現開裂現象。
(4)軋制砂冷后板料等溫球化熱處理軋制后板料砂冷后放入加熱爐內隨爐升溫，達設定的溫度800℃后進行2小時保溫，之后按50℃/0.5小時的冷卻速率冷至730℃，再次保溫2.5小時，然后以≤30℃/小時的冷卻速率爐冷至480℃，取出空冷。
實施例3(1)合金成分(化學分析結果，重量百分比)1.53C，8.1Cr，4.0V，1.47Mo，1.1Si，0.37Mn，余Fe。
(2)采用噴射成形制取坯件同實施例1。
(3)噴射成形坯件熱軋從噴射成形坯件上切取厚16mm的條形坯料，坯料一端加工成楔形狀，便于熱軋時咬入。坯料放入已達300℃的加熱爐內隨爐升溫至700℃保溫5分鐘進行預熱，然后再升溫至1150℃進行10分鐘的保溫后，取出立即送入最大軋制力為3000KN的熱軋機上進行軋制，單道次將坯料軋制至6.4mm厚，壓下量為70％，軋制后板料立即砂冷，未發現開裂現象。
(4)軋制砂冷后板料等溫球化熱處理軋制后板料砂冷后放入加熱爐內隨爐升溫，達設定的溫度850℃后進行2小時保溫，之后按50℃/0.5小時的冷卻速率冷至780℃，再次保溫3.5小時，然后以≤30℃/小時的冷卻速率爐冷至520℃，取出空冷。
上述實施例高合金冷作模具鋼球化退火后的硬度與相比較的進口V4鋼的硬度值見表1所示。
由表1看到，采用本發明組合工藝獲得的高合金冷作模具鋼，與進口的采用粉末冶金工藝得到的著名的vanadis4鋼相比，具有相近的等溫球化退火硬度值，這為隨后的淬回火處理創造了有利而必要的條件。
表1本發明實施例高合金冷作模具鋼與進口V4鋼的硬度數據
權利要求
1.一種高合金冷作模具鋼的生產工藝，包括如下步驟，1)所選的高合金冷作模具鋼的合金成分重量百分比為C 1.45～1.55％Cr7.8～8.2％V 3.9～4.1％Mo1.4～1.6％Si0.9～1.1％Mn0.3～0.5％余Fe；2)采用噴射成形工藝制取高合金冷作模具鋼坯件；將1)中給出合金成分的母合金作為原料，采用噴射成形工藝制取坯件將母合金原料放入感應爐內加熱熔化，在高于熔點150～250℃溫度下保持一段時間，使熔液的溫度和成分達到均勻；用高壓氮氣向由導液管流出的熔體進行噴射，使之霧化成為細小液滴，飛行并沉積在收集基板上，完成凝固并形成坯件；3)對噴射成形坯件進行大形變量熱軋，坯件預熱溫度600～700℃，保溫時間5～10分鐘；熱軋溫度950～1150℃，保溫時間10～20分鐘；熱軋壓下量，50％～70％；4)對熱軋砂冷后板料進行等溫球化熱處理，將熱軋砂冷后板料放入加熱爐內隨爐升溫，達設定的溫度范圍800～900℃后進行保溫，之后冷卻，冷至730～780℃再次保溫2.5～3.5小時，然后以≤30℃/小時的冷卻速率爐冷至480～520℃，取出空冷。
2.如權利要求1所述的高合金冷作模具鋼的生產工藝，其特征在于，所述的熱軋為單道次軋制以實現預定的50～70％大壓下量。
3.如權利要求1所述的高合金冷作模具鋼的生產工藝，其特征在于，其等溫球化熱處理中熱軋砂冷板料加熱后進行1.5～2.5小時保溫。
4.如權利要求1所述的高合金冷作模具鋼的生產工藝，其特征在于，其等溫球化熱處理中熱軋砂冷板料加熱后進行保溫之后按30～70℃/0.5小時的冷卻速率冷至730～780℃。
全文摘要
一種高合金冷作模具鋼的生產工藝，包括以下步驟，1)模具鋼成分重量百分比為C 1.45～1.55，Cr 7.8～8.2，V 3.9～4.1，Mo 1.4～1.6，Si 0.9～1.1％，Mn 0.3～0.5，余Fe；2)采用噴射成形工藝制取高合金冷作模具鋼坯件，3)然后對坯件進行單道次的大變形量熱軋，軋后板料采用砂冷，4)再對其進行等溫球化退火處理，由此獲得高合金冷作模具鋼，其球化組織中的碳化物顆粒尺寸更為細小，有效地解決合金成分偏析及碳化物偏聚的問題，從而成功地避免了共晶萊氏體的出現，而且在工藝上卻得到明顯簡化，成本和能耗也隨之降低。
文檔編號B21B37/00GK1854324SQ20051002560
公開日2006年11月1日 申請日期2005年4月29日 優先權日2005年4月29日
發明者史海生, 樊俊飛, 樂海榮, 金冰忠, 彭勇, 顏飛, 徐洲 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司