一種新型5Cr3MnSiMo1VBN耐沖擊工具鋼的制作方法

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一種新型5Cr3MnSiMo1VBN耐沖擊工具鋼的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種新型5Cr3MnSiMo1VBN耐沖擊工具鋼，所述工具鋼含C、Si、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Al、B、Mg、N和氮化物BN、AlN或/和TiN。按質量份計，其中C：0.40～0.60；Si：0.30～1.20；Mn：0.30～1.20；Cr：2.80～3.80；Mo：1.00～2.00；V：0.10～0.50；Nb：0～0.40；Al：0～1.00；B：0～0.01；Mg：0～0.007；N：0～0.12；氮化物0～0.08和稀土元素0.05以下；余量為Fe及不可避免的雜質。和現有技術比，本發明提供的耐沖擊工具鋼可有效提高鋼的耐磨性和強度，使5Cr3MnSiMo1V的強度等性能提高了，使用范圍更加廣泛，更經濟、環保、節約資源。
【專利說明】—種新型5Cr3MnSiMoIVBN耐沖擊工具鋼
【【技術領域】】
[0001]本發明涉及一種耐沖擊工具鋼，具體講涉及一種加Mg、B、Al、N和氮化物的耐沖擊
工具鋼。
【【背景技術】】
[0002]在碳素工具鋼基礎上加入合金元素形成的合金鋼簡稱合工鋼。與碳素工具鋼相t匕，合金工具鋼淬透性好，熱處理開裂傾向小、耐磨性與耐熱性高，可以適應不同用途需要。廣泛用于碳工鋼性能所不能滿足要求的各種工具。合工鋼按用途及性能不同分為量具、刃具用鋼、耐沖擊工具鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼、無磁模具鋼和塑料模具鋼等。耐沖擊工具鋼對這類鋼的性能要求是:(I)沖擊韌性高。(2)疲勞性能好。(3)耐磨。中國的耐沖擊工具鋼有:4CrW2S1、5CrW2Si和6CrW2Si。廣泛用于高沖擊載荷下操作的工具，用于手動和風動鑿子、空氣錘工具、鉚釘工具、重振動的切割器、冷沖裁和切邊用凹模；也用于熱作工具，如熱沖孔和穿孔工具、熱剪切模、熱鍛模、易熔合金的壓鑄模等。在高溫時有較好的強度和硬度，回火后有較高的韌度，有一定的淬透性和高溫力學強度，熱處理時對脫碳、變形的開裂的敏感性不大，且鎢、鑰、釩為貴重金屬，冶煉過程中消耗能量較多，而加入鎢、鑰、釩使鋼的淬火溫度提高，不適合環保，不是節能性產品，這些金屬又為稀缺性戰略資源。
[0003]本發明人經長期大量研究發現，加入低熔點的Mg、B、Al、N和氮化物(BN、A1N和/或TiN)的耐沖擊工具鋼可有效提高鋼的耐磨性和強度，使傳統5Cr3MnSiMolV的強度等性能提高了，使用范圍更加廣泛，更經濟、環保、節約資源。
【
【發明內容】
】
[0004]本發明的目的是，提供一種在耐沖擊工具鋼5Cr3MnSiMolV中加入低熔點的Mg、B、Al、N和氮化物BN、A1N和/或TiN的5Cr3MnSiMolVBN合金鋼，這種合金鋼大幅度提高耐磨性和強度的合金工具鋼。
[0005]本發明的技術方案中:加入低熔點Mg、B、Al、N和氮化物(BN、AlN或/和TiN)的合金鋼，但不含這些化合物的氧化物雜質，不但SS0.008%和PS0.03%，而且氧化物總量 O ≤0.005% ο
[0006]鎂:在提高鋼的抗氧化性的同時，低熔點金屬Mg使其在退火鍛打加熱過程中，析出的Mg金屬與基體共格的有害低熔點Sn、Pb、As、Sb、Bi等元素形成的二元合金成為較高熔點的金屬間化合物，同時改變低熔點元素的尺寸和形式。本發明Mg適合的含量為O~0.007%。
[0007]鋁:能細化鋼鑄態組織、減少晶臂間距。這樣通過改變碳化物的尺寸和分布能更有效地阻止奧氏體晶粒長大，促進殘余奧氏體向馬氏體轉變、提高回火硬度，降低回火溫度。在對韌性損失小的情況下，卻提高了鋼材的抗彎強度和耐磨性。同時具有良好的抗氧化性能。本發明提供的技術方案中，Al適合的含量為O (~1.00%。
[0008]硼:該組份有利于抑制鋼的r_a相變，顯著抑制珠光體的形成，提高貝氏體的含量，在細化貝氏體的亞結構的同時，提高了強度并保持良好的低溫韌性。鋼中加入適量的硼，可增加鋼在高溫下的持久壽命，及提高鋼的綜合性能和淬透性。本發明的技術方案中B適合的含量為O~0.01%在奧氏體鋼中添加氮化物主要是提高其強度和耐蝕性，而在低合金高強度鋼中，氮也被作為微合金化元素，通過形成微合金化碳，氮化物起到強化作用。
[0009]鋼中的氮化物比碳化物具有更高的穩定性，析出相中彌散的細小M (C.N)型氮化物強化效果明顯提高。回火后形成彌散的碳氮化物析出相促進二次硬化，到一定數量時甚至具有三次硬化的功能。本發明氮化物的總量以N質量百分數計為0.02 ~0.08%。
[0010]氮:以間隙溶質原子的形式存在于基體中，具有細化晶粒、產生固溶強化和縮短二次枝晶臂間距、降低晶內偏析、改善夾雜物分布，提高鋼的機械強度、改善沖擊韌性和耐磨性的功能。固溶態氮，可降低奧氏體中的密排不完全位錯，限制含間隙雜質原子團的位錯運動，強化效應比碳強。固溶氮與碳、鎳的作用相似，能擴大r相互并使奧氏體穩定化。固溶氮可提高材料的淬透性，在同樣的淬火工藝下淬硬層更深，同時使芯部組織得到一定程度的改善。氮原子在殘余奧氏體中存在短程有序，不需要長距離擴散，易于首先析出(FeCr)2N;可降低回火溫度。本發明N適合的含量為O~0.12%。
[0011]C(碳):C與Fe、Cr、Mo、V、Nb等碳化物形成元素結合而形成碳化物。由于淬火時C向基體固溶，與固溶的Cr、Mo、V、Nb等元素結合，作為碳化物析出而賦予二次硬化，所以可以確保回火時的回火硬度。
[0012]經本發明人的大量實驗、觀察、分析、檢測，發現并且確定了本發明的技術方案中的各種成分的含量范圍。
[0013]為了確保淬火、回火后最低限的硬度，C的添加量在0.40%以上。另一方面，C的添加量過量時，淬火殘留的硬質碳化物將增加，會導致作為耐沖擊使用的工具鋼最重要特性之一的沖擊值的降低，基于此，將其上限定為0.60%。這樣，就能確保穩定的硬度和韌性。所以本發明將C含量限定為0.40~0.60%。
`[0014]Si (娃):添加Si主要作為脫氧劑，同時又能固溶于碳化物和基體中，導致硬度的增加。當其添加量在0.30%以上。但為防止因Si的增加引起熱加工性或韌性的降低，所以其上限為1.20%。因此本發明的技術方案中將Si的量限定為0.30~1.20%。
[0015]Cr (鉻):鉻作為碳化物形成元素形成碳化物。另外，碳化物可以分類為以V為主的MC碳化物，以Mo為主的M6C系碳化物、以Cr為主的M23C6系或M7C3系碳化物。
[0016]這里，大幅增加Cr添加量的場合，會導致淬火處理時殘余碳化物的怎家引起的韌性降低。因此，將其上限定為3.80%。另外，Cr系碳化物的量少時，通過900°C至950°C的熱處理，很難確保回火后的硬度。因此，將其下限定為2.8%。更加優先添加3.50%，以更加確保硬度。本發明Cr適合的含量為2.8~3.80%。
[0017]Mo (鑰):Mo主要形成硬質的M6C碳化物。同時在淬火時向基體固溶，在480°C至520°C以上的回火中賦予二次硬化。為充分確保該二次硬化產生的硬度所必須的Mo含量。本發明Mo適合的含量為1.00%~2.00%。
[0018]V (釩):V與C結合，形成硬質的在高溫下也穩定的MC型碳化物。因此，在碳化物量少、大體上不含碳化物的材料中，該元素被用來防止淬火時的晶粒的粗大化。這里通過淬火處理，同樣也可以防止晶粒的粗大化。為了能夠獲得該作用，加入量須至少為0.10%。另外，V添加量過多，由于凝固時形成粗大的MC碳化物而成為斷裂的起點，所以將其上限定為0.50%。本發明的技術方案中，V適合的含量為0.10~0.50%。
[0019]Nb (鈮):Nb比V更加容易形成MC型碳化物。因此，也可以與V同時添加Nb。但是，由于Nb比V容易形成粗大的MC碳化物，所以將其上限定為0.40%。本發明Nb適合的含量為O~0.40%。
[0020]REM (稀土類元素)=REM主要由La、Ce、Pr構成。在凝固初期，由其強力的化合物形成能。因此能減緩由Nb、V、Cr、Mo等形成的碳化物，凝固組織中的MC碳化物微細化，賦予組織的均質化。本發明的技術方案中REM的含量小于0.05%。
[0021]Ti (鈦):Ti與V、Nb同樣是容易形成MC型碳化物的元素。因此，也可以與Nb、V同時添加而使用。本發明Ti適合的含量為≤0.1%。
[0022]5Cr3MnSiMolV耐沖擊工具鋼材存在著合金元素少，耐磨性強度差的缺點，且使用壽命大大低于基體鋼6Cr4W3Mo2VNb (代號65Nb)。對I~3噸中頻冶煉后，經二次冶煉加入低熔點的Mg、B、Al、N和氮化物(BN;AlN;TiN)的合金鋼后，經鍛造、退火、淬火和回火處理，使用壽命比傳統5Cr3MnSiMolV耐沖擊工具鋼提高5倍以上。
[0023]本發明的目的是提供一種改進的5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼，另有說明除外，本申請中所述量為重量份計。
[0024]本發明提供的改進的5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼，既保持了冷作模具鋼的機械性能，又大大降低了淬火溫度，節省了大量能源。
[0025]本發明提供的5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼，所述工具鋼含C:0.40~0.60 ；S1:0.30 ~1.20 ；Mn:0.30 ~1.20 ；Cr:2.80 ~3.80 ；Mo:1.00 ~2.00 ；V:0.10 ~0.50 ；Nb:O ~0.40 ；A1:0 ~1.00 ；B:0 ~0.01 ；Mg:0 ~0.007 ；N:0 ~0.12 ;氮化物 O ~0.08 和稀
土元素0.05以下；余量為Fe及不可避免的雜質。
[0026]本發明提供的優選的5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼中，C:0.50 ；S1:0.60 ；Mn:0.60 ；Cr:3.25 ；Mo:1.60 ；V:0.30 ；Nb:0.10 ；A1:0.50 ；B:0.005 ；Mg:0.003 ；N:0.06 ;氮化物 0.04 ；
[0027]本發明提供的再一優選5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼中，S1:C:0.45~0.55 ;S1:0.30 ~0.70 ；Mn:0.60 ~1.00 ；Cr:3.30 ~3.80 ；Mo:1.60 ~2.00 ；V:0.10 ~0.30 ；Nb:0.10 ~0.30 ；A1:0.30 ~0.80 ；B:0.001 ~0.005 ；Mg:0.001 ~0.005 ；N:0.06 ~0.10 ;氮化物0.04~0.08 ;
[0028]本發明提供的第三優選5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼中，C:0.40~0.50 ；S1:0.60 ~1.00 ；Mn:0.30 ~0.60 ；Cr:2.80 ~3.20 ；Mo:1.20 ~1.60 ；V:0.20 ~0.40 ；A1:0.10 ~0.50 ；Mg:0.001 ~0.006 ；N:0.08 ~0.12 ;氮化物 0.06 ~0.08 ;
[0029]本發明提供的第四優選5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼中，C:0.45~0.55 ；S1:
0.80 ~1.20 ；Mn:0.80 ~1.20 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.00 ~1.40 ；V:0.10 ~0.30 ；Nb:
0.10 ~0.30 ；B:0.001 ~0.005 ；Mg:0.001 ~0.007 ；N:0.03 ~0.06 ;氮化物 0.02 ~0.04 ;
[0030]本發明提供的第五優選5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼中，C:0.45~0.55 ；S1:
0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.20 ~1.60 ；V:0.10 ~0.30 ；A1:
0.60 ~1.00 ；Mg:0.001 ~0.005 ；N:0.03 ~0.06 ;氮化物 0.02 ~0.04 ;
[0031]本發明提供的第六優選5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼中，C:0.45~0.55 ；S1:0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Μο:1.20 ~1.60 ；V:0.20 ~0.50 ；A1:
0.30 ~0.80 ；B:0.005 ~0.01 ；N:0.03 ~0.08 ;氮化物 0.02 ~0.06 ;
[0032]本發明提供的第七優選5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼中，C:0.45~0.55 ；S1:
0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.40 ~1.80 ；V:0.10 ~0.30 ；Nb:
0.20 ~0.40 ；A1:0.60 ~1.00 ；B:0.003 ~0.008 ；Mg:0.001 ~0.005 ；N:0.03 ~0.05 ;氮化物0.02~0.04 ;
[0033]本發明提供的第八優選5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼中，S1:C:0.45~0.60 ;S1:0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.40 ~1.80 ；V:0.30 ~0.50 ;Al:0.60 ~1.00 ；B:0.003 ~0.008 ；Mg:0.001 ~0.006。
[0034]和現有技術比，本發明提供的耐沖擊工具鋼可有效提高鋼的耐磨性和強度，使5Cr3MnSiMolV的強度等性能提高了，使用范圍更加廣泛，更經濟、環保、節約資源。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0035]圖1為熱處理工藝圖。
【【具體實施方式】】
[0036]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0037]實施例1
[0038]本發明提供的5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊`工具鋼，按重量百分比計包括:`[0039]C_0.50，Si_0.60，Μη_0.60，Cr_3.25，Μο_1.60，V_0.30，Nb_0.10，
[0040]A1_0.50,B_0.005,Mg_0.003, N_0.06，氮化物 _0.04，余量為 Fe 以及不可避免的雜質。
[0041]上述新型5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼熱處理工藝的步驟如下:
[0042](I)、預加熱:將全部原料預加熱溫度為560°C~600°C，預加熱時間為60分鐘；
[0043](2)、淬火加熱:淬火加熱溫度為900°C~960°C，采用油冷卻或者空氣冷卻或者鹽浴冷卻，淬火時間為20~30分鐘；
[0044](3)、回火:回火溫度為480°C~500°C，然后空氣冷卻至室溫。
[0045]實施例2
[0046]本發明提供的5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼，按重量百分比計包括:
[0047]C_0.55，Si_0.80，Μη_0.40，Cr_3.50，Μο_1.80，V_0.20，Nb_0.20，
[0048]AlJX 50,B_0.003,Mg_0.002, N_0.08，氮化物 _0.06，余量為 Fe 以及不可避免的雜質。
[0049]上述新型5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼熱處理工藝的步驟如下:
[0050](I)、第一次預加熱:將全部原料預加熱溫度為560°C~600°C，預加熱時間為60分鐘；
[0051](2)、第二次預加熱:第一次預加熱后，進行第二次預加熱，然后進行淬火，第二次預加熱溫度750V~800°C，第二次預加熱時間為40~50分鐘。
[0052](3)、淬火加熱:淬火加熱溫度為900°C~960°C，采用油冷卻或者空氣冷卻或者鹽浴冷卻，淬火時間為20~30分鐘；[0053](4)、第一次回火:回火溫度為480°C~500°C，然后空氣冷卻至室溫。
[0054](5)、第二次回火:第一次回火空氣冷卻后再進行第二次回火，第二次回火溫度480°C~500°C，然后空氣冷卻至室溫。
[0055]實施例3
[0056]本發明提供的5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼，按重量百分比計包括:
[0057]C_0.45，Si_0.40，Μη_0.80，Cr_3.00，Μο_1.40，V_0.30，Α1_0.30，
[0058]Mg_0.005，N_0.10，氮化物_0.08，余量為Fe以及不可避免的雜質。
[0059]上述新型5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼熱處理工藝的步驟如下:
[0060](I)、第一次預加熱:將全部原料預加熱溫度為560°C~600°C，預加熱時間為60分鐘；
[0061](2)、第二次預加熱:第一次預加熱后，進行第二次預加熱，然后進行淬火，第二次預加熱溫度750V~800°C，第二次預加熱時間為40~50分鐘。
[0062](3)、淬火加熱:淬火加熱溫度為900°C~960°C，采用油冷卻或者空氣冷卻或者鹽浴冷卻，淬火時間為20~30分鐘；
[0063](4)、第一次回火:回火溫度為480°C~500°C，然后空氣冷卻至室溫。
[0064](5)、第二次回火:第一次回火空氣冷卻后再進行第二次回火，第二次回火溫度480°C~500°C，然后空氣冷卻至室溫。
[0065](6)第三次回火:在第二次回火空氣冷卻至室溫后，再進行第三次回火，第三次回火溫度480°C~500°C，然后空氣冷卻至室溫。
[0066]實施例4~8熱處理工藝的步驟與實施例3同。
[0067]除本發明的實施例4~85Cr3MnSiMolVBN合金工具鋼中的余量為Fe以及不可避免的雜質外的各成分及性能列于表1。
[0068]表1各成分配比
[0069]
【權利要求】
1.一種新型5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼，所述工具鋼含C、S1、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Al、B、Mg、N和氮化物BN、A1N或/和TiN,其特征在于，按質量份計，C:0.40~0.60 ；S1:0.30~1.20 ；Mn:0.30 ~1.20 ；Cr:2.80 ~3.80 ；Mo:1.00 ~2.00 ；V:0.10 ~0.50 ；Nb:0 ~0.40 ;Al:0 ~1.00 ；B:0 ~0.01 ；Mg:0 ~0.007 ；N:0 ~0.12 ;氮化物 O ~0.08 和稀土元素 0.05以下；余量為Fe及不可避免的雜質。
2.根據權利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼，其特征在于，C:0.50 ；S1:0.60 ；Mn:0.60 ；Cr:3.25 ；Mo:1.60 ；V:0.30 ；Nb:0.10 ；A1:0.50 ；B:0.005 ；Mg:0.003 ；N:0.06 ；氮化物0.04。
3.根據權利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼，其特征在于；S1:C:0.45~0.55 ；S1:0.30 ~0.70 ；Mn:0.60 ~1.00 ；Cr:3.30 ~3.80 ；Mo:1.60 ~2.00 ；V:0.10 ~0.30 ；Nb:0.10 ~0.30 ；A1:0.30 ~0.80 ；B:0.001 ~0.005 ；Mg:0.001 ~0.005 ；N:0.06 ~0.10 ;氮化物 0.04 ~0.08。
4.根據權利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼，其特征在于，
C:0.40 ~0.50 ；S1:0.60 ~1.00 ；Mn:0.30 ~0.60 ；Cr:2.80 ~3.20 ；Mo:1.20 ~1.60 ；V:0.20 ~0.40 ；A1:0.10 ~0.50 ；Mg:0.001 ~0.006 ；N:0.08 ~0.12 ;氮化物0.06 ~0.08。
5.根據權利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼，其特征在于，
C:0.45 ~0.55 ；S1:0.80 ~1.20 ；Mn:0.80 ~1.20 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.00 ~1.40 ；V:0.10 ~0.30 ；Nb:0.10 ~0.30 ；B:0.001 ~0.005 ；Mg:0.001 ~0.007 ；N:0.03 ~0.06 ;氮化物 0.02 ~0.04。
6.根據權利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼，其特征在于，
C:0.45 ~0.55 ；S1:0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.20 ~1.60 ；V:0.10 ~0.30 ；A1:0.60 ~1.00 ；Mg:0.001 ~0.005 ；N:0.03 ~0.06 ;氮化物0.02 ~0.04。
7.根據權利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼，其特征在于，C:0.45~0.55 ;S1:0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.20 ~1.60 ；V:0.20 ~0.50 ;Al:0.30 ~0.80 ；B:0.005 ~0.01 ；N:0.03 ~0.08 ;氮化物 0.02 ~0.06。
8.根據權利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼，其特征在于，
C:0.45 ~0.55 ；S1:0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.40 ~1.80 ；V:0.10 ~0.30 ；Nb:0.20 ~0.40 ；A1:0.60 ~1.00 ；B:0.003 ~0.008 ；Mg:0.001 ~0.005 ；N:0.03 ~0.05 ;氮化物 0.02 ~0.04。
9.根據權利要求1的5Cr3MnSiMolVBN耐沖擊工具鋼，其特征在于；S1: C:0.45~0.60 ；S1:0.40 ~0.80 ；Mn:0.40 ~0.80 ；Cr:3.00 ~3.50 ；Mo:1.40 ~1.80 ；V:0.30 ~0.50 ；A1:0.60 ~1.00 ；B:0.003 ~0.008 ；Mg:0.001 ~0.006。
【文檔編號】C22C38/32GK103834869SQ201210485103
【公開日】2014年6月4日申請日期:2012年11月22日優先權日:2012年11月22日
【發明者】應振強, 潘少君, 周向儒申請人:應振強

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