钒铌复合合金化冷作模具钢及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种钒铌复合合金化的冷作模具钢，该冷作模具钢按质量百分比计包含：Ｖ：５．０％－１２％，Ｎｂ：０．２％－５．０％，Ｃ：２．２％－２．８％，Ｓｉ：≤１．３％，Ｍｎ：０．２％－０．９％，Ｃｒ：４．０％－５．６％，Ｗ：≤１．００％，Ｍｏ：≤６．００％，余量为铁和杂质。本发明专利技术还提供了制备所述钒铌复合合金化的冷作模具钢的方法。本发明专利技术的钒铌复合合金化冷作模具钢具有高耐磨性和高韧性。该钢在淬回火热处理后硬度可达到５８－６５ＨＲＣ；在本发明专利技术的钢中ＭＣ型碳化物呈弥散分布状态，ＭＣ型碳化物相的体积分数为１３－２０％，平均粒径为１－４μｍ。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种钒铌复合合金化冷作模具钢，尤其是一种高耐磨、 高韧性钒铌复合合金化的冷作模具钢。本专利技术还涉及这种冷作模具钢 的制备方法。
技术介绍
由于利用模具进行加工成型具有高效性和经济性，模具在材料加 工成型行业中的应用非常普遍。在模具服役的过程中，其行为受到各 种因素的影响，如模具的形状设计、模具的加工质量、模具的表面特 殊处理情况、模具的实际工作参数等，其中影响最大的是模具本身所 选用的材料。对于冷作模具材料，耐磨性能、冲击韧性、硬度是最重 要的三个性能参数指标，根据不同的应用场合应选用合适的热处理制 度以得到合适数值，这三者只有相互匹配恰当才能得到满意的综合性 能。在很多情况下，对于同一钢种，其耐磨性能、冲击韧性和硬度难 以同时达到最佳。根据热处理的经验，在硬度达到最佳的热处理制度 下通常得到最差的韧性性能，而耐磨性能同时受到这两个参数的影响， 大部分情况下更多受到硬度的影响，而韧性性能则能保证磨损过程的 稳定性和安全性。所以，人们一直致力于开发新的合金组合物和生产 工艺来同时提高各项性能。在这个发展过程中有两个里程碑式的事件 发生，第一个是粉末冶金工艺的出现，第二个是在粉末冶金工艺的基础上大幅度提高冷作模具材料中V的含量。众所周知，MC型碳化物是冷作模具材料中硬度最高的次生相，它 的存在可使冷作模具材料的耐磨性能得到提高。但是传统铸锻工艺无 法解决MC型碳化物的形成元素V、Nb等在緩慢冷却过程中很容易发生偏析的问题。严重偏析会造成粗大MC相的形成，这将对材料的韧性性 能极为不利。因此传统铸锻法生产的冷作模具钢，其V含量一般不会 超过3%，这种状况导致的后果是抵抗磨损的主要次生相MC型碳化物 含量较少，从而使传统铸锻冷作模具钢的耐磨性能一直处于较低水平。短，传统铸锻工艺钢液的冷却速度为lOl/S-lO'K/S,而粉末冶金工艺 钢液的冷却速度为10t/S-10t/S，在如此快的冷却速度下各种元素来 不及扩散，偏析问题于是迎刃而解。伴随粉末冶金工艺的出现到粉末冶金工艺的成熟，全世界范围内 涌现出了一批性能优异的粉末冶金法高V冷作模具钢。在美国，Crucible公司自上世纪八十年代开始连续推出了 一系列性能优异的 粉末冶金法高钒合金化的冷作模具钢，代表钢种有牌号为CPM3V、 CPM6V、 CPM9V、 CPM10V、 CPM11V、 CPM15V、 CPM18V系列钢种，这些钢 种分别代表其含V量为3%、 6%、 9%、 10%、 11%、 15%、 18%，其合金设 计的主要出发点就是通过调整钢中钒含量来提高耐磨性能。这几个钢 种中像CPM3V、 CPM6V其综合性能与传统高铬合金化的模具钢如D2相 比已经有了很大提高，在对韧性要求不高但对耐磨性能要求极高的场 合CPM15V、 CPM18V则是较好的选择。Crucible/>司开发的这一系列 钢种所表现出的一个共同特点是对钒资源的依赖较大，通过以钒来形 成高耐磨次生相MC型碳化物来提高耐磨性能毕竟有限，耐磨性能表现 较好的同时是以韧性性能损失较多为代价的，所以如CPM15V、 CPM18V 等耐磨性能虽然很好，但是由于其韧性较差因而使其应用范围受到较 大限制。奥地利Bohler钢厂在其专利US6773482B2中7〉开了另一种粉末冶 金法冷作模具钢，其综合性能相比美国Crucible公司的CPM高钒系列 钢种更加优异。这一钢种的突出特点是包含较高的铬含量，典型在6% 以上。研究发现铬可促进碳化物析出，因而是一种有用的强化元素； 但另 一方面铬元素易于促进较软碳化物M7C3的析出，M7C3相的析出会导致耐磨性能的显著降低。另外从国情来讲我国是铬资源短缺国家， 有效利用铬资源，开发少铬型合金符合我国的长远利益。专利钢种，专利号为EP1382704T1，这一钢种与其他高钒合金化系列 钢种相比突出特点是其V含量9%,另外含2°/。的钴。这一钢种的性能特 点为耐磨性能与CPM10V相当，但是冲击韧性提高了 20%左右。然而由 于成分含有2%的钴，该钢种的合金成本显著增加。由于我国钴资源非 常缺乏，因此在我国低钴、甚至无钴型高耐磨冷作模具钢相对更具竟 争力。传统的铸锻冷作模具钢由于工艺的限制难以提高组织中的MC型 碳化物含量，以致其耐磨性能始终停留在一个较低的水平。釆用粉末 冶金工艺的现有技术方法中，大多数方法考虑增加V来促进MC型碳化 物的形成而达到增加耐磨性能的目的。虽然近期研究表明釆用复合合 金化的技术方案有希望进一步提高冷作模具钢的综合性能，然而由于 现有技术的复合合金化冷作模具钢利用了较高含量的钴、铬等高成本 元素，导致所得到的冷作模具钢成本较高。因此，现有技术中仍需要高韧性、高耐磨的粉末冶金法冷作模具 钢，并且所述冷作模具钢具有较少的钴和铬含量，甚至不含钴，以便降低合金成本，从而开发出无钴少铬，符合我国资源国情的经济型优 质冷作模具钢。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供具有更高综合性能同时制造成本廉价的冷作 模具钢。本专利技术的另一目的是提供制造所述冷作模具钢的方法。第一方面，本专利技术提供了一种钒铌复合合金化的冷作模具钢。按 质量百分比，该冷作模具钢包含V:5. 00/广12%,Nb: 0. 2%-5. 0%，C:2. 20/广2. 8%，7Si:<1. 30%，Mn:0. 2%-0. 9%，Cr:4. 0%-5.6%，W:< 1. 00%,Mo:00%，余量为铁和杂质。在本专利技术的冷作模具钢中，Nb可代替V形成MC型碳化物，即Nb 在形成MC型碳化物方面具有与V类似的作用。可通过如下定义V当量， Veq (质量％) =V+0. 65 Nb。在一个优选的实施方案中，本专利技术的冷作模 具钢中的V当量为5%-13%。其中上述杂质包括磷、硫等制备过程中不可避免的元素。在本发 明的冷作模具钢中S < 0. 1%并且P < 0. 03%。另一方面，本专利技术提供了一种采用粉末冶金工艺生产本专利技术的钒 铌复合合金化冷作模具钢的方法，本专利技术的制备方法包括如下顺序步 骤1 )提供具有上述合金元素组成的金属原料。2 )采用中频感应熔炼对所述金属原料进行熔炼，熔炼温度为1600 1C-17001C，熔炼时间15-30分钟，得到均匀的合金熔体。3 )利用气体雾化装置并使用雾化气体对合金熔体进行雾化，雾化浇钢温度为1600t:-1700x:，雾化气体温度为15土5x:，雾化气压>2. 52 x 106 Pa，所得合金粉末平均粒径30-90nm。4) 釆用热等静压工艺对合金粉末进行成型，形成压坯，热等静压 温度为1050X:-1160"C，压力> 100MPa。5) 对压坯进行压力锻造得到锻件，锻造温度为1095X:-1170X:， 停锻温度不低于930"C，锻后入沙坑緩冷，入坑温度〉6oox:，出坑温度"ox:。6) 对锻造后的锻件进行热处理，得到本专利技术的冷作模具钢。在本专利技术方法的雾化步骤中，使用的雾化气体是不与合金熔体反 应的惰性气体，如氮气、氩气或它们的混合物。8在本专利技术方法的雾化步骤中，使用的雾化装置为真空雾化装置或非真空雾化装置，使用真空雾化装置时要求真空度<4. 04xl03 Pa，使用非真空雾化装置时要求使用氮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钒铌复合合金化的冷作模具钢，该冷作模具钢按质量百分比计包含：　Ｖ：５．０％－１２％，　Ｎｂ：０．２％－５．０％，　Ｃ：２．２％－２．８％，　Ｓｉ：≤１．３％，　Ｍｎ：０．２％－０．９％，　Ｃｒ：４．０％－５．６％，　Ｗ：≤１．００％，　Ｍｏ：≤６．００％，　余量为铁和杂质。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李小明，方玉诚，况春江，钟海林，匡星，吴立志，
申请(专利权)人：安泰科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]