一种冷作模具钢及其制备方法与流程

　　本发明涉及高合金钢制造领域，尤其涉及一种冷作模具钢及其制备方法。

　　背景技术：

　　在自然、生态、节能、安全等大环境下的发展背景下，汽车工业的轻量化以及高强钢的应用成为了车用钢材的重要发展方向。冷作模具在汽车行业使用量更大，并且近几年各种新型车的不断推向市场，随之对冷作模具钢的性能和质量提出了更高的要求。随着钢板强度要求的进一步提高，在模具加工的过程中模具材料受到的冲击、拉伸、压缩、摩擦以及弯曲等外部作用也越来越大，易发生磨损、变形、崩刃、断裂等问题。因此，冷作模具材料对优异的抗咬和、抗变形、抗断裂、耐疲劳等性能的要求也随之提高。

　　传统的常用冷作模具材料主要有中合金cr5系，如cr5mo1v，此类钢种碳化物均匀，淬透性好，韧性较高，但耐磨性相对不足；还有高合金cr12系，如cr12mov、cr12mo1v1，此类钢种是我国大中型冷作模具市场更常用的冷作模具钢，其热处理后变形小、耐磨性很好，但网状共晶碳化物发达，韧性不足，易引起断裂失效。由此可以看出，传统的cr5系和cr12系各有其优点，也有各自不足之处，对于一般中低端冷作模具基本能满足要求，但是对于无法满足高强度钢板的加工工艺要求。

　　为达到高强度厚板冷冲压的加工工艺、尺寸精度高和寿命长的要求，国际上日本、欧洲、瑞典等**已开发出一系列高耐磨性、高韧性的冷作模具钢，大多以cr8型为代表，其主要原理是通过调整c、cr、mo、v等元素含量的配比，或者加入一定量的微合金元素nb、al等，得到比传统的cr5系和cr8系钢更好的碳化物分布和均匀度，在保证模具钢耐磨性的前提下，大大改善了其韧性。如日本大同特殊钢公司研发的DC53，瑞典进口公司的瑞典88，欧洲进口公司的k340、k360等。

　　在我国目前市场上使用量更大的还是中低端高合金cr12系冷作模具钢，虽然其耐磨性好，但是由于存在较多较大的共晶碳化物，且偏析严重，导致韧性较差，长期服役容易出现崩刃、断裂和塌陷等现象，因此为满足国内高端冷冲压模具钢市场的需求，本发明参考cr8系冷作模具钢的合金化原理思路，在cr12mov和cr5mo1v钢成分的基础上适当添加或者减少mo、v、w、ni等元素的含量，从而提高钢的强度、耐磨性、热稳定性和热疲劳性能，同时保持较高的韧性，以保证冷作模具的寿命。再者，钢还加入一定量的s、al、cu等元素，改善钢的韧性，提高钢的抗氧化性能，提高钢的切削加工性能等。

　　技术实现要素：

　　鉴于现有冷作模具钢在耐磨性或者韧性、切削性能等使用性能上的缺点，本发明在现有cr8型冷作模具钢的基础上提供了一种高寿命自润滑冷作模具钢及其制备方法，其特征在于该钢的化学成分采用更优的c、si、w、mo、cr、ni等元素的配比，保证强韧性和耐磨性的同时，加入s、cu、al等元素，使其具备自润滑能力，提高钢的减磨性和切削性能。

　　本发明提供了一种冷作模具钢，所述冷作模具钢所包含组分的质量百分比为：c0.90～1.20％，si0.90～1.20％，mn0.30～0.60％，cr7.00～9.00％，w0.20～0.60％，mo0.60～1.20％，ni0.40～1.20％，s0.05～0.15％，cu0.20～0.60％，al0.20～0.50％，p≤0.02％，余量为fe。

　　优选地，所述冷作模具钢所包含组分的质量百分比为：c0.98％，si1.06％，mn0.42％，cr8.30％，w0.35％，mo0.92％，ni0.43％，s0.092％，cu0.37％，al0.35％，p0.015％，v0.06％，余量为fe。

　　本发明还提供了一种冷作模具钢的制备方法，该方法包括以下步骤：

　　a.冶炼：按冷作模具钢所含组分的质量百分比进行配料、熔炼，其中c0.90～1.20％，si0.90～1.20％，mn0.30～0.60％，cr7.00～9.00％，w0.20～0.60％，mo0.60～1.20％，ni0.40～1.20％，s0.05～0.15％，cu0.20～0.60％，al0.20～0.50％，p≤0.02％，fe余量；

　　b.电渣重熔：重熔前切除钢锭冒口，清除其表面氧化皮，作为自耗电极放于电渣重熔装置中，进行二次精炼；电极合金融化后经渣池下落至结晶器中，再凝固成钢锭，钢锭自下而上逐步结晶，成分均匀、组织致密，完成后将电渣锭进行退火；

　　c.锻造：将上述钢锭再加热到1200-1300℃保温一段时间t1，然后进行锻造，锻造时间为t2，始锻温度为1000-1100℃，终锻温度为850-950℃；

　　d.球化退火：将上述钢锻件毛坯加热到720-860℃保温一段时间t3，以15-30℃/s的冷速炉冷到500-600℃后出炉空冷；

　　e.淬火及回火热处理：淬火温度为1000-1050℃，淬火时间为t4；回火采用低温回火或高温回火，每次回火时间为t5。

　　进一步地，所述t2、t3、t4、t5取决于电渣锭直径、装炉量和装炉方式，且t2≥10h。

　　进一步地，所述步骤e中，采用低温回火时，150℃-250℃二次回火；采用高温回火时，480℃-530℃二次回火。

　　进一步地，所述t3为6h，所述t5为2h。

　　进一步地，所述步骤e中，淬火温度为1030℃；采用低温回火时，200℃二次回火；采用高温回火时，510℃二次回火。

　　与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

　　本发明所述冷作模具钢具有高寿命自润滑的特点，在合金化思路上，基于cr8系冷作模具钢的合金化原理思路，在cr12mov钢成分的基础上适当降低c、cr的含量以改善cr系共晶碳化物偏析，从而提高钢的韧性。在cr5mo1v钢成分的基础上适当增加si的含量，显著增强固溶强化的效果，从而提高钢的强度、热稳定性和热疲劳性能。并且在目前cr8型钢种的基础上保持mo的含量，减小v的含量，从而减少难溶v系碳化物的含量，为保证其耐磨性，同时加入一定量的w，增加固溶强化效果，并且w、mo系碳化物起二次硬化的作用，提高钢的高温强度和耐磨性。再者，钢中加入一定量的ni，可在不降低强度的前提下提高钢在常温状态下的韧性。钢还加入一定量的s、al、cu等元素，改善钢的韧性，提高钢的抗氧化性能，提高钢的切削加工性能。上述添加的合金元素不仅仅单独起作用，多种元素在钢种相互作用，共同发挥作用。

　　应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。所以凡是不脱离本发明所公开的原理下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

　　以下将结合附图对本发明作进一步说明，以充分说明本发明的目的、技术特征和技术效果。

　　附图说明

　　为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

　　图1为实施例1中本发明钢与cr12mov、cr8mo2vsi硬度对比；

　　图2为实施例1中本发明钢与cr12mov、cr8mo2vsi冲击韧性对比；

　　图3为实施例1中本发明钢与cr12mov、cr8mo2vsi抗磨损性能对比；

　　图4为实施例1中本发明钢与cr12mov、cr8mo2vsi热处理变形对比；

　　图5为实施例1中本发明钢与cr12mov、cr8mo2vsi切削性能对比；

　　图6为实施例1中本发明钢与cr12mov、cr8mo2vsi冲压模寿命对比。

　　具体实施方式

　　以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

　　实施例1

　　实施案例中，采用的高强度汽车板冷冲压成形模具用钢的化学成分质量百分比如下：

　　本实施案例中，冷作模具钢的工艺过程和步骤如下所示：

　　a.冶炼：按冷作模具钢所含组分的质量百分比如上表所示，进行配料、熔炼；

　　b.电渣重熔：重熔前切除钢锭冒口，清除其表面氧化皮，作为自耗电极放于电渣重熔装置中，进行二次精炼。电极合金融化后经渣池下落至结晶器中，再凝固成钢锭，钢锭自下而上逐步结晶，成分均匀、组织致密，完成后将电渣锭进行退火。

　　c.锻造：将上述钢锭再加热到1200-1300℃范围保温一定时间之后进行锻造，始锻温度为1000-1100℃，终锻温度为850-950℃，锻造成60mm×60mm的六棱方料；

　　d.退火：将上述钢锻件毛坯加热到720-860℃保温6h后，以30℃/s的冷速炉冷到500-600℃后出炉空冷；

　　e.淬火及回火热处理：淬火温度为1030℃，回火采用低温回火的工艺是：200℃二次回火每次时间2h；可采用高温回火：510℃二次回火，每次时间2h。

　　经过上述制造工艺后，本申请发明人对该冷作模具钢进行了性能测试：

　　(1)淬火硬度：62-64hrc，回火硬度：60-62hrc。

　　(2)冲击韧性试验：

　　按照标准(gb/t229-2007)取冲击试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm无缺口。

　　200℃回火的室温冲击功值：90-120j，510℃回火的室温冲击功值：200-220j。

　　(3)抗磨损性能实验

　　抗磨损性能采用销盘式摩擦磨损试验仪进行评价，试样尺寸为φ20mm×3mm的圆片，对磨材料为sic钢球，直径5mm，60n载荷无润滑磨损时间1h，速度为477r/min。其磨损体积：0.198-0.281mm3。

　　(4)热处理变形实验

　　将尺寸为30mm×60mm×150mm的试样分别进行上述热处理，用游标卡尺测量热处理前后长度方向的尺寸变化。200℃回火热处理变形率为0.015％，500℃回火热处理变形率为0.008％。

　　(5)切削性能实验

　　取退火态的试样，在直径为φ8mm的钴高速钢铣刀的铣床上铣削，切削速度为30m/min，送给速度为0.05m/刀。

　　(6)模具寿命实验

　　将经上述热处理后的模块加工成形状简单的冲孔模具(孔径)，td表面处理，采用厚度为1.6mm的780mpa高强钢板，其表面状态为ra＝0.04μm，采用1000目网格砂纸抛光，无镀锌。行程速度为40spm，冲压力为2.2吨，行程长度为60mm，以模具表面同一部位的出现刮痕为评价寿命模次。

　　本发明所述冷作模具钢在1030℃淬火+200℃低温回火和510℃高温回火状态下与cr12mov和cr8mo2vsi钢在推荐热处理工艺状态下两者的硬度、冲击韧性、抗磨损性能、热处理变形和切削性能比较，发现本发明钢在硬度相近的情况下，韧性比另外两种钢种明显高，特别的是本发明钢在低温回火时有着极高的韧性，韧性与cr8mo2vsi相当，比cr12mov提高近一倍，可有效针对解决冷作模具钢剥落、开裂的问题；同时本发明钢的抗磨损性能抗磨损性能比cr8mo2vsi提高一倍以上，比cr12mov提高30％以上；尤其是对于热处理和表面处理变形问题，本发明钢的尺寸变化极少，热处理和表面处理的尺寸变形量在0.03％以内；再者在切削性和研削性能上，切削性能比cr8mo2vsi提高一倍以上，比cr12mov提高三倍以上，模具寿命整体提高0.5倍-3倍。