[发明专利]钒铌复合合金化冷作模具钢及其制备方法

说明书

技术领域

本发明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。本发明还涉及这种冷作模具钢的制备方法。

背景技术

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等在缓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。粉末冶金工艺的出现使材料组织偏析的问题得到了彻底的解决。粉末冶金工艺与传统铸锻工艺相比钢体从液态到固态的冷却时间大为缩短，传统铸锻工艺钢液的冷却速度为10¹K/S-10²K/S，而粉末冶金工艺钢液的冷却速度为10⁴K/S-10⁶K/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公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中公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。

奥地利Bohler钢厂的K390microclean是其2003年在欧洲申请的专利钢种，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竞等力。