[发明专利]一种Al‑Nb‑V复合合金化高临界点模具钢

说明书

技术领域

本发明属于模具钢技术领域，特别涉及一种Al-Nb-V复合合金化高临界点模具钢；适用于冲裁、冲压、冷镦、拉伸、压印模具用钢，也可应用于具有高温要求的压铸模具用钢以及轧辊用钢等。

背景技术

随着工业技术的迅速发展，为了降低产品生产成本，提高生产效率和产品质量，提高材料利用率，节能降耗，国内外制造工业广泛使用模具加工技术代替传统的切削加工工艺。模具的工作条件苛刻，对模具材料—模具钢的要求很高。按照模具的使用用途分类，模具钢分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。冷作模具钢在工作中承受相当大的压应力和摩擦力，必须具有相当高的硬度和耐磨性，为了避免冲击载荷引起的断裂和崩刃，还应具有适当好的韧性。目前，较为通用的冷作模具钢仍是以D2钢(Cr12Mo1V1)为代表的Cr12系列冷作模具钢。这类钢的硬度和耐磨性较高，然而，由于铸态组织偏析严重，共晶碳化物颗粒尺寸大，因此韧性极差，模具常常因韧性不足而发生早期失效。相比于Cr12系列模具钢，以DC53钢(Cr8Mo2SiV)为代表的Cr8型冷作模具钢具有更高的韧性和强度配合，因此得到广泛应用，然而耐磨性稍低。热作模具钢用于制造将加热到再结晶温度以上的金属或液态金属压制成工件的模具。如锻压模具、热挤压模具、压铸模具等。热作模具钢通常在较高的温度下进行工作，尤其是压铸模具，模具材料必须具备抵抗高温应力的能力。金属压铸是机械化程度和生产效率很高的生产技术，是先进的少无切削工艺。压铸生产是将熔化的金属直接压铸成各种结构复杂、尺寸精确、表面光洁、组织致密以及用其它方法难以加工的零件、如薄壁、小孔、凸缘、花纹、齿轮、螺纹、字体以及镶衬组合等零件。以铜合金压铸模具为例，铜液浇注温度在1100～1350℃范围内，而模具在压射过程中模具最高温度达800～900℃。考虑到一般热作模具钢的临界点A_c1温度在800℃左右，因此材料很容易发生失效。因此，采用合金化思路设计高耐磨性Cr8型冷作模具钢，并利用其高临界点的特性，可能应用于工作温度极高的压铸模具具有重大的经济效益和社会效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种Al-Nb-V复合合金化高临界点模具钢，具有高耐磨性、高临界点、适当韧性的模具钢。

根据上述目的，本发明整体的技术方案是：

本发明在D2钢的基础上重新设计合金元素Cr的含量，降低C含量，提高冲击韧性；增加二次强化元素Mo，与C形成碳化物在高温回火时产生二次硬化，增加二次硬化硬度；并加入W、V、Nb强碳化物形成元素，形成高硬度碳化物强化基体，增加耐磨性并细化晶粒；加入元素Al，与Nb，V共同作用，提高钢的临界点。使该模具钢具有良好的韧性又具有很高的耐磨性，同时，还具有较高的临界点特性，而成为优良的模具用钢，具有良好的使用性和应用前景。

具体为：(1)加入提高临界点元素Al，通过Al-Nb-V复合合金化显著提高临界点，使钢材具有较高的临界点温度；(2)重新设计C及Cr、Mo、V的含量使钢材具有更好的冲击韧性以及在高温回火时产生更高的二次硬化效应，提高其综合性能；(3)加入元素W，Nb，形成高硬度碳化物，分布于基体，产生高耐磨性，并细化晶粒；(3)加入Co元素，促进二次硬化效果，增加硬度和耐磨性。

根据上述目的和整体技术方案，本发明具体的技术方案为：

本发明的具体化学成分(重量％)如下：C：0.80～1.20％，Si：≤0.50～1.60％，S：≤0.030％，P：≤0.030％，Mn：≤0.40％，W：0.80～1.20％，Mo：1.50～2.20％，Cr：7.80～8.20％，V：1.50～3.20％，Nb：0.50～2.00％，Al：1.25～2.50％，Co：0～5.0％，Ti：0～2.0％，其余为Fe及不可避免的不纯物。

上述各元素的作用及配比依据如下：

C：碳是工业用钢的主要元素之一，钢的性能与组织在很大程度上取决于碳在钢中的含量及其分布的形式，在模具钢中碳的影响尤为显著。碳在模具钢中的含量不能很低，一方面碳在钢中是最有效的强化元素，另一方面碳是形成各种碳化物的形成元素，尤其在冷作模具钢中，要保证充足的碳化物含量用以保证耐磨性。但碳含量过高的负面影响是降低钢的冲击韧性，尤其是碳和合金含量同时高到一定程度，将发生共晶反应，形成粗大共晶碳化物，显著降低钢的韧性。所以，从强度、耐磨性与韧性方面来看，碳在模具钢中的作用是互相矛盾的。碳含量过高，会影响韧性。碳含量过低，模具钢的强度和耐磨性不足。本发明根据其它元素含量并综合考虑强度、耐磨性和韧性确定碳含量为0.80～1.20％。