專利名稱：：一種沖壓模用鋼及其制造方法
技術領域：
：本發明涉及到一種沖壓模具鋼及其冶金制造方法，尤其是涉及一種機械行業制造冷沖壓成形模具用的沖壓模用鋼及其冶金制造方法。
背景技術：
：模具鋼一般可以分為熱作模具鋼、冷作模具鋼和塑料模具鋼三類，機械行業使用的制造冷成形沖壓模具用的沖壓模用鋼屬于冷作模具鋼類中較為常用的一種，廣泛使用于制造沖壓成形模具；熱作模具鋼主要用于熱成形模具的制造用鋼，一般是用于高溫狀態下鋁合金壓鑄模具的制造；塑料模具鋼主要是用于塑料成形模具的制造。我國目前使用的沖壓模用鋼是采用國家標準GB/T1299-2000合金工具鋼中的材料序號為T20201，鋼號為Crl2MoV，這種沖壓模用鋼的化學成分采用C1,45-1.70wt%、Cr11.00-12.50wt%、Mo0.40-0.60wt%、V0.15-0.30wt%、Si《0.40wt%、Mn《0.40wt%、P《0.030wt%、S《0.030wt%，這種鋼的性能指標為屈服強度1200MPa、塑性延伸率8%、截面收縮率35%、沖擊韌性值190J/cm2，碳化物不均勻度4級、這些性能指標是沖壓模用鋼的關鍵技術指標，是衡量沖壓模用鋼質量好壞的主要技術參數指標。由于這種沖壓模用鋼是高碳高鉻的萊氏體型鋼，其顯微組織存在碳化物不均勻、粗大而導致鋼的性能指標低的問題，多年來，廣大科研人員在冶金領域里一直在尋找一種高性能的沖壓模用鋼來替代目前的Crl2MoV沖壓模用鋼。通過對中外專利進行檢索發現，涉及到和本專利相關聯的沖壓模及其冶金制造技術的專利為l)專利號CN200610049260.3，其化學成份為碳C0.81.05%，鉻Cr7.38.5%，鉬Mo1.22.0%，釩VO.30.9%，鎳NiO.30.9%，鉤W1.22.0%，硅SiO.11.0%，錳MnO.10.4%，硫S《0.015%，磷P《0.02%，其余量為鐵Fe。2)專利號CN1033846，其成份為C0.58-0.68%，W7.5-9%，Cr4.2-4.8%,V0.8-1.2%，Ti0.05-0.35%。專利CN200610049260.3及CN1033846是高碳高鉻和高碳高鎢的強化機理，采用的是高絡碳化物強化和采用高鎢碳化物強化，專利CN200610049260中加入了鎳元素，專利號CN1033846加入了鈦元素作為合金元素作用。上述現有的沖壓模用鋼的制造工藝是采用電弧爐冶煉，澆注成小鋼錠鍛造開坯和軋鋼機軋制成材的工藝，具體步驟依次為煉鋼、鍛造開坯、軋制成材、熱處理，最后形成產品，其中，電弧爐冶煉完成之后澆注成600Kg—1300Kg小鋼錠；鍛造開坯過程要進行5個火次(加熱—鍛造—回爐，循環一次稱為一個火次)，目前，這種制造工藝主要存在如下問題1)澆注錠型較小，降低了產品的成材率；2)采用鍛造開坯工藝，導致生產成本較高；3)鍛造開坯需要5火次進行，增加了開坯所需的能耗和產品制造成本；4)屈服強度、塑性延伸率、截面收縮率、碳化物不均勻度等主要性能指標較低。
發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種沖壓模用鋼及其制造方法，從而在提高沖壓模用鋼的性能指標的同時，降低其冶金制造成本。本發明解決上述問題的技術方案為一種沖壓模用鋼，其化學成分的重量百分配比為C0.35-0.40wt%、Mn0.30-0.60wt%、Cr4.70-5.50wt%、Si0.30-0.50wt%、Mo3.00-4.00wt%、V0.40-0.70wt%、Cu《0.30wt%、Ni《0.30wt%、P《0.020wt%、S《0.015wt%，其余為Fe和不可避免雜質。C0.35-0.40wt%:碳元素是冷成形沖壓模的主要化學元素，是形成各種碳化物的基本元素，也是影響鋼的成分偏析和鋼的碳化物分布和碳化物性質的重要元素，本發明碳含量相對原有的材料Crl2MoV有較大幅度的降低，其目的是改善鋼的顯微組織中的碳化物的分布和性質，較低的碳元素含量可以防止鋼在凝固的過程中產生萊氏體組織從而造成嚴重的碳化物不均勻性使得鋼的沖擊韌性下降。因此，碳含量如果高于此成分設計上限，將導致大量的共晶碳化物形成的萊氏體組織的生成，而萊氏體組織隨著碳含量的增加而不斷向粗大發展，影響鋼的性能指標，特別是造成鋼的屈服強度和沖擊韌性降低；但是如果碳元素低于此成分的設計范圍也將要造成碳元素和其他合金元素結合形成碳化物的當量發生偏差，不能有效地形成穩定的細小的碳化物，從而影響鋼的強度和鋼的淬硬性。MnO.30-0.60wt%:錳元素不是碳化物形成元素，一定量的錳元素可以增加鋼的基體強化作用并能推遲貝氏體的轉變，但是，由于錳元素可以造成鋼中的殘余奧氏體的含量增加的趨勢，錳元素太高會造成鋼的沖擊韌性的下降，因此錳含量的設計要較原來Crl2MoV鋼的錳含量下降了很多，這更有利于提高鋼的性能指標。Cr4.70-5.50wt%:鉻元素在本發明中起著重要的作用，鉻元素是萊氏體組織形成的關鍵元素，也是碳化物形成元素和提高淬透性的合金元素，但是，在原有的材料T20201中存在大量的鉻元素含量，使得鋼在凝固的過程中形成大量的萊氏體組織，這種共晶萊氏體組織不但增加了碳化物的級別，而且降低了鋼的塑性延伸率和沖擊韌性值指標。本發明中的鉻含量較原有的Crl2MoV鋼的鉻元素含量下降了百分之六十左右，其目的是防止大塊狀共晶萊氏體組織在鋼液凝固過程中的形成，降低鋼的偏析造成鋼的韌性的下降，鉻元素控制在本發明的范圍內其目的是在鋼種形成穩定的多種碳化物類型，主要是Cr7C3和Cr23C6類型碳化物起到強化基體的作用，一定量的鉻元素可以提高鋼的淬透性，熱處理過程中使得珠光體的轉變臨界值向右移動，并且這種鉻元素的控制使得鋼在回火的過程中析出穩定的彌散相，這種彌散相M7C3不但能夠提高鋼的抗回火性能，而且能夠使得鋼產生一定的紅硬性，提高鋼的屈服強度，減少了鉻元素的含量也起到了降低碳化物級別的作用。Si0.30-0.50wt%:硅元素不是碳化物形成元素，加入少量的硅元素主要是可以使得鋼在回火的過程中馬氏體的分解減緩，硅元素可以在奧氏體到馬氏體的轉變之后的回火過程中有效阻礙馬氏體的分解，這主要是通過擬制e碳化物質點的長大和擴大e碳化物穩定區，延遲了e碳化物向Fe3C的轉變。Mo3.00-4.00wt%:鉬元素也是本發明中的重要化學元素之一，在本發明中的鉬元素的加入量比原來的Crl2MoV多加將近3.5倍，鉬元素的加入提高了鋼奧氏體的穩定性以及鋼的淬透性，并且在鋼的回火過程中和碳元素結合形成數量較多的穩定的M3C合金碳化物的析出，這種析出過程是一種彌散的質點強化相析出，析出碳化物較為均勻的分布在鋼的基體中，產生重要的基體強化作用。鉬的加入量控制在此范圍使得鋼在回火的過程中受到兩次較大的強化作用，從而提高了鋼的韌性和屈服強度，同時提高了鋼的截面收縮率。V0.40-0.70wt%:釩元素是強碳化物形成元素，其在鋼中的強化作用和鉬元素相似，釩元素在鋼中形成的是M2C和MC類型的碳化物，產生彌散強化相，提高鋼的強度性能。提高一些釩元素在鋼中的含量也起到了進一步細化鋼的晶粒的作用，而且效果較好。Cu《0.30wt%:本發明中的銅元素的含量是作為一種殘余元素加以控制的，對銅元素的控制可以降低鋼在熱加工時的脆裂傾向，防止開坯熱加工時的銅脆發生，提高鋼的冶金質量和成材率。Ni《0.30wt%:本發明中將鎳元素控制在少量的范圍，鎳元素本身不是碳化物形成元素，在鋼的基體中不會起到強化的作用，但是過多的鎳元素會造成金屬間化合物的結合作用，從而降低鋼的性能，所以控制鎳元素在鋼中的含量對防止鋼的性能的下降起到一定的作用。P《0.020wt%:磷是鋼中的有害元素，它會增加鋼的脆性，降低鋼的沖擊韌性，因此磷元素控制較現有技術T20201鋼低一些，對性能指標值的提高有一定的作用。S《0.015wt%:硫元素在一定的程度上容易造成鋼的加工性能的惡化，容易使得鋼在熱加工的過程中產生過熱和過燒現象。因此控制硫含量較原有技術T20201鋼低一些可以提高鋼的加工性能和機械性能，特別能夠對軋制開坯過程中的過熱開裂傾向起到積極的預防作用。所述一種沖壓模用鋼的制造方法，包含如下步驟(1)采用電爐和爐外精煉冶煉之后澆注成鋼錠；(2)鋼錠的置入爐溫在70(TC—90(rC的初軋加熱爐內，鋼錠在初軋加熱爐內以80°C/h—150°C/h的升溫速度加熱至121(TC—125(TC后保溫3—5小時；由于這種大鋼錠熱應力敏感性較高，容易在加熱的過程中產生應力裂紋，鋼錠的入爐溫度控制在700。C一90(TC，升溫速度控制在80°C/h_150°C/h可以防止鋼錠在加熱的過程中產生熱應力裂紋，在加熱至121CTC—125(TC后保溫3—5小時可以改善鋼錠的顯微組織指標，提高鋼的內在質量。(3)初軋機初軋開坯開軋溫度為1120'C—1170°C，112CTC—117(TC溫度范圍是此種鋼的奧氏體單相組織區域，所以有著最佳的高溫熱塑性，有利于高溫變形加工處理，不容易產生高溫熱加工開裂；終軋溫度為1020°C—1070°C，鋼錠終軋溫度對鋼錠軋制質量有著重要的影響，如果終軋溫度低于所規定的控制范圍，非常容易引起鋼錠在軋制過程中產生開裂，如果終軋溫度高于控制范圍則容易引起鋼在軋制之后產生粗晶現象。(4)軋制或鍛制成材。優選地，所述步驟(l)中，鋼錠重量為2000Kg—3000Kg;2000Kg—3000Kg重量的鋼錠較為適合初軋機軋制開坯，成材率比小鋼錠高，并能夠獲得較大的軋制壓縮比，從而能改善化學成分的偏析有利于鋼材的內部成分的均勻性。優選地，所述步驟(2)中，在3—5小時的保溫過程中，在保溫開始1.5_2.0小時后進行一次翻鋼處理；這種翻鋼處理是為了使鋼錠獲得更加均勻的溫度，防止鋼錠產生陰陽面溫差，有利于鋼錠在初軋機開坯軋制的過程中不發生開裂現象。本發明與現有的技術相比，具有如下的優點1.化學成分配比更加合理(1)降低了碳元素和鉻元素的含量，減少了鋼的碳偏析趨勢而造成性能的下降，防止了鋼液在凝固時共晶萊氏體組織的產生，從而使得沖壓模用鋼的屈服強度、塑性延伸率、截面收縮率、碳化物不均勻度等性能指標提咼；(2)增加了鉬和釩元素成分含量可以使得鋼中獲得彌散的MC、M2C、M3C碳化物，從而強化鋼的顯微組織，提高鋼的淬透性和屈服強度，并可細化晶粒提高韌性；(3)控制銅元素和鎳元素的含量在一定的低值可以防止脆性的產生和金屬間化合物的產生，提高鋼的性能；(4)降低磷和硫的含量可以使得鋼液更加純凈，減少鋼的非金屬夾雜物形成趨勢，降低鋼調質回火脆性。2.澆注大鋼錠可以提高鋼的初軋機軋制開坯成材率，初軋機開坯是一火次軋制完成的，這種軋制開坯與現有的5火次鍛造開坯方式相比，降低了開坯成本，節約了能耗，降低的噸鋼的制造成本達到1500元，提高了產品的經濟效益。3.生產出的沖壓模用鋼的性能指標明顯提升，屈服強度從1200MPa增加至1350MPa、塑性延伸率從8%增加至15%、截面收縮率從35%增加至45%、沖擊韌性值從190J/cn/增加至280J/cm2，碳化物不均勻度從4級下降至2級。圖1是實施例1中對鋼錠進行初軋開坯的鋼錠加熱處理的工藝曲線圖。圖2是實施例1中的金相顯微組織照片。圖3是實施例1的共晶碳化物金相照片。具體實施例方式實施例11.鋼的化學成分重量百分比為:C0.38wt%、Mn0.45wt°/。、Cr5.20wt%、Si0.48wt%、Mo3.71wt%、V0.60wt%、Cu0.21wt%、Ni0.18wt%、P0.011wt%、S0.008wt%，其余為Fe和不可避免的雜質；2.將上述化學成分配比的鋼按如下步驟加工.-(1)電爐和爐外精煉之后澆注成2350Kg的鋼錠；(2)鋼錠在初軋機加熱爐中進行加熱處理，鋼錠的入爐溫度780。C，鋼錠在初軋加熱爐內以lOOIVh的升溫速度加熱至123(TC后保溫4.5小時，在4.5小時的保溫過程中，在保溫開始后1.9小時進行一次翻鋼處理，加熱工藝曲線見圖l所示；(3)鋼錠經過初軋機初軋開坯，開軋溫度為114(TC，終軋溫度為1030°C;(4)初軋坯料鍛制成成品材后，金相顯微組織照片見圖2、碳化物不均勻度照片見圖3。采用本實施例生產的沖壓模用鋼的主要性能指標明顯提高，屈服強度達到1380MPa、塑性延伸率達到16%、截面收縮率達到47%、沖擊韌性值達到290J/cm2，碳化物不均勻度達到1.5級。實施例21.鋼的化學成分重量百分比為C0.35wt0/0、Mn0.44wt°/。、Cr4.70wt%、Si0.50wt%、Mo3.00wt%、V0.55wt0/0、Cu0.22wt%、Ni0.30wt%、P0.009wt%、S0.007wt%，其余為Fe和不可避免的雜質；2.將上述化學成分配比的鋼按如下步驟加工(1)電爐和爐外精煉之后澆注成2350Kg的鋼錠；(2)鋼錠在初軋機加熱爐中進行加熱處理，鋼錠的入爐溫度70(TC，鋼錠在初軋加熱爐內以100°C/h的升溫速度加熱至1250。C后保溫3小時，在3小時的保溫過程中，在保溫開始后1.7小時進行一次翻鋼處理(3)鋼錠經過初軋機初軋開坯，開軋溫度為115(TC，終軋溫度為1020。C;(4)初軋坯料鍛制成成品材后。采用本實施例生產的沖壓模用鋼的主要性能指標明顯提高，屈服強度達到1350MPa、塑性延伸率達到16%、截面收縮率達到46%、沖擊韌性值達到295J/cm2，碳化物不均勻度達到1.5級。實施例31.鋼的化學成分重量百分比為C0.40wt%、Mn0.60wt%、Cr5.23wt%、Si0.30wt%、Mo4.00wt%、V0.40wt%、Cu0.30wt%、Ni0.21wt%、P0.011wt%、SO.015wt%，其余為Fe和不可避免的雜質；2.將上述化學成分配比的鋼按如下步驟加工(1)電爐和爐外精煉之后澆注成2350Kg的鋼錠；(2)鋼錠在初軋機加熱爐中進行加熱處理，鋼錠的入爐溫度80(TC，鋼錠在初軋加熱爐內以80°C/h的升溫速度加熱至121(TC后保溫5小時，在5小時的保溫過程中，在保溫開始后1.5小時進行一次翻鋼處理(3)鋼錠經過初軋機初軋開坯，開軋溫度為112(TC，終軋溫度為1070°C;(4)初軋坯料鍛制成成品材后。采用本實施例生產的沖壓模用鋼的主要性能指標明顯提高，屈服強度達到1360MPa、塑性延伸率達到15%、截面收縮率達到48%、沖擊韌性值達到300J/cm2，碳化物不均勻度達到1級。實施例41.鋼的化學成分重量百分比為C0.36wt%、Mn0.30wt%、Cr5.50wt%、Si0.37wt%、Mo3.36wt%、V0.70wt%、Cu0.19wt%、M0.16wt。/。、P0.020wt%、SO.010wt%，其余為Fe和不可避免的雜質；2.將上述化學成分配比的鋼按如下步驟加工(1)電爐和爐外精煉之后澆注成2350Kg的鋼錠；(2)鋼錠在初軋機加熱爐中進行加熱處理，鋼錠的入爐溫度90(TC，鋼錠在初軋加熱爐內以150°C/h的升溫速度加熱至123(TC后保溫4小時，在4小時的保溫過程中，在保溫開始后2小時進行一次翻鋼處理(3)鋼錠經過初軋機初軋開坯，開軋溫度為117(TC，終軋溫度為1060°C;(4)初軋坯料鍛制成成品材后。采用本實施例生產的沖壓模用鋼的主要性能指標明顯提高，屈服強度達到1390MPa、塑性延伸率達到17%、截面收縮率達到49%、沖擊韌性值達到292J/cm2，碳化物不均勻度達到2級。實施例l一4的具體化學成分(重量百分比Wt%)見表1所示，工藝參數控制見表2所示，性能指標見表3所示。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>權利要求1.一種沖壓模用鋼，其特征在于化學成分的重量百分配比為C0.35-0.40wt%、Mn0.30-0.60wt%、Cr4.70-5.50wt%、Si0.30-0.50wt%、Mo3.00-4.00wt%、V0.40-0.70wt%、Cu《0.30wt%、Ni《0.30wt%、P《0.020wt%、S《0.015wt%，其余為Fe和不可避免雜質。2.如權利要求1所述的一種沖壓模用鋼的制造方法，其特征在于包含如下步驟(1)采用電爐和爐外精煉冶煉之后澆注成鋼錠；(2)鋼錠的置入爐溫在70(TC—90(rC的初軋加熱爐內，鋼錠在初軋加熱爐內以8(TC/h—15(TC/h的升溫速度加熱至1210°C—1250。C后保溫3—5小時;(3)初軋機初軋開坯開軋溫度為1120。C一117(TC、終軋溫度為1020°C—1070°C;(4)軋制或鍛制成材。3.如權利要求2所述的一種沖壓模用鋼的制造方法，其特征在于所述步驟(1)中，鋼錠重量為2000Kg—3000Kg。4.如權利要求2所述的一種沖壓模用鋼的制造方法，其特征在于所述步驟(2)中，在3—5小時的保溫過程中，在保溫開始1.5—2.0小時后進行一次翻鋼處理。全文摘要本發明公開了一種沖壓模用鋼及其制造方法，其化學成分重量百分配比為C0.35-0.40wt％、Mn0.30-0.60wt％、Cr4.70-5.50wt％、Si0.30-0.50wt％、Mo3.00-4.00wt％、V0.40-0.70wt％、Cu≤0.30wt％、Ni≤0.30wt％、P≤0.020wt％、S≤0.015wt％，其余為Fe和不可避免雜質。其制造方法主要包含如下步驟1)澆注鋼錠；2)鋼錠在初軋加熱爐內加熱后保溫3～5小時；3)軋制或鍛制成材。本發明生產出的沖壓模用鋼的性能指標明顯提升，并且降低了生產成本，提高了產品的經濟效益。文檔編號C22C33/00GK101311289SQ200710041180公開日2008年11月26日申請日期2007年5月24日優先權日2007年5月24日發明者吳振毅,維續申請人:寶山鋼鐵股份有限公司