粉末冶金高耐磨高韧性冷作模具钢及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高钒含铌冷作模具钢，特别涉及一种采用粉末冶金工艺制备的高耐磨高韧性的冷作模具钢及其制备方法。该冷作模具钢是采用雾化制粉-热等静压-锻造退火步骤制备，其化学成分按质量百分比包括：V：12%-20%，Nb：0.5%-4.5%，C：2.5%-4.8%，Si≤2.0%，Mn：0.2%-1.5%，Cr：4.0%-5.6%，Mo:≤3.0%，余量为铁和杂质；该冷作模具钢中V、Nb及C形成富钒含铌的MC型碳化物相，该MC型碳化物相在所述冷作模具钢中的体积分数是18-35％。本发明专利技术的冷作模具钢中MC碳化物分布状态更为细小均匀，具有更优的冲击韧性、抗弯强度；其制备方法使制得的冷作模具钢具有高的MC碳化物含量，同时避免异常粗大MC碳化物的形成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高钒含铌冷作模具钢，特别涉及一种采用粉末冶金工艺制备的高耐磨高韧性的冷作模具钢及其制备方法。
技术介绍
为了使冷作模具具有较长的使用寿命，冷作模具钢必须具备高的综合力学性能，这些力学性能包括耐磨性能、冲击韧性、抗弯强度以及硬度等。冷作模具钢耐磨性能取决于基体硬度以及钢中存在的硬质第二相，即硬质第二相起主要作用。硬质第二相的种类包括仏(:、M2C, M23C6, M7C3以及MC等，在这些碳化物中，MC碳化物具有最高的显微硬度(其室温显微硬度达到HV2200-HV2400)，由于MC碳化物硬度较高，故能够更好的保护基体，从而减少磨损发生，提高模具使用寿命。随着加工制造业的发展，对模具的使用寿命要求逐步提高，冷作模具钢中MC碳化物含量也逐步提高，特别是粉末冶金工艺的发展，促使开发了粉末冶金高钒冷作模具钢。美国专利US4249945公开了一种Al I钢，该Al I钢热处理后MC碳化物体积分数达到10%-20%，All钢相比传统铸锻冷作模具钢其耐磨性能有了很大提高，然而在一些应用环境下，All钢的耐磨性能仍然不够，MC碳化物含量需要进一步提高。然而较高的MC碳化物含量容易带来以下问题 ，首先碳化物含量的提高通常使冷作模具钢的韧性受到一定损害，过低的韧性使冷作模具使用时发生断裂的风险增加，另外较高的MC碳化物意味着需要更多的V、C元素参与反应，异常粗大MC碳化物形成的概率增加，较高的MC碳化物含量需要较高的熔炼温度，使耐火材料的烧损加快，导致外来非金属夹杂增加，为了解决这些问题，需要从合金设计和制备工艺方面进行综合考虑。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种采用粉末冶金工艺制备的具有高耐磨、高韧性性能的冷作模具钢，该冷作模具钢具有高的MC碳化物含量，其组织均匀、碳化物细小。本专利技术的另一目的是提供制备所述冷作模具钢的方法。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案:一种粉末冶金高耐磨高韧性冷作模具钢，是采用雾化制粉-热等静压-锻造退火步骤制备，其中:该冷作模具钢的化学成分按质量百分比包括:V: 12%_20%，Nb:0.5%_4.5%，C:2.5%-4.8%, S1:彡 2.0%, Mn:0.2%-1.5%, Cr:4.0%-5.6%, Mo:彡 3.0%，余量为铁和杂质；所述冷作模具钢中V、Nb及C形成富钒含铌的MC型碳化物相，该MC型碳化物相在所述冷作模具钢中的体积分数是18 — 35%。所述冷作模具钢中的化学成分按质量百分比包括:V:15.0%-18.0%，Nb:0.8%-4.0%, C:2.7%-4.5%, S1:彡 1.3%, Mn:0.2%-1.5%, Cr:4.8%-5.4%, Mo:彡 2.0%。所述冷作模具钢中的V当量Veq定义为Veq (质量％) = V+0.65Nb，其中，Veq为13%-20%。所述冷作模具钢中V、Nb及C形成富钒含铌的MC型碳化物相，其最大尺寸^ 6.0 μ m,碳化物粒度 D50 ^ 3.0 μ m0所述MC碳化物最大尺寸彡3.5μπι,碳化物粒度D50彡L 5 μ m。所述杂质包括S和P，其中S彡0.1%且P彡0.03%。制备所述冷作模具钢的方法，是采用雾化制粉-热等静压-锻造退火步骤制备，具体步骤如下:I)按所述合金元素规定的配比准备的相应的金属原料；2)用中频感应熔炼炉I对所述金属原料熔炼，熔炼温度为1650°C _1720°C，熔炼时间15-40分钟，金属原料分两次加入，含Nb铁合金在浇钢前10-15分钟加入，然后提高熔钢温度20°C _50°C，得到均匀的钢液；3)钢液从中频感应熔炼炉I流出经由雾化中间包2流入喷嘴5最后进入雾化塔4，形成的合金粉末进入收粉罐6 ;其中，雾化浇钢温度为1650°C _1720°C，雾化气体为高纯氮气，雾化气压彡2.52 X IO6Pa ；4)用热等静压工艺对形成的合金粉末进行成型，形成压坯，热等静压温度为IlOO0C -1160O，压力彡 IlOMpa ；5)对压坯进行压力锻造得到锻件，锻造温度为1095°C -1170°C，停锻温度不低于930°C，锻后入沙坑缓冷；6)对锻造后的锻件进行热处理，得到所述冷作模具钢。在步骤3)中，对雾化中间包2采取加热保温措施，保温温度为800°C -1300°C。所述热处理包括退火、淬火和回火。所述退火是将锻件加热到870°C _890°C，保温时间2小时，随后以彡15°C /小时的冷速冷至500-53(TC，然后炉冷或静止空气空冷至50°C以下。所述淬火处理是将退火后的锻件在盐浴815°C _845°C预热，温度均匀后放入盐浴IOOO0C- 1200°C的温度下保温30 — 45分钟，随后淬入530°C _550°C盐浴，并空冷至50°C以下。所述回火是将淬火后的锻件盐浴加热到540 - 6700C的温度并保温1.5-2小时，随后空冷至50°C以下，如此重复2到3次。本专利技术有益效果在于:由于采用改进的合金化方案，MC碳化物分布状态更为细小均匀，所以该冷作模具钢具有更优的冲击韧性、抗弯强度；其制备方法使制得的冷作模具钢具有高的MC碳化物含量，同时避免异常粗大MC碳化物的形成。附图说明图1为本专利技术的雾化制粉装置示意图；图2为常规的雾化过程中不采用中间包加热措施的粉末微观组织图；图3为本专利技术的雾化过程中采用中间包加热措施的粉末微观组织图。主要组件符号说明I中频感应熔炼炉2雾化中间包3高压气体4雾化塔5喷嘴6收粉罐具体实施例方式下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式做进一步说明。本专利技术并不局限于以下实施例。在本说明书中，钢中的合金化元素的含量除另外说明外均以质量百分比表示。本专利技术的粉末冶金高耐磨高韧性冷作模具钢，在添加一定量元素V的同时，添加一定量的元素Nb，Nb的作用在于降低MC碳化物的形核势垒，促进更加细小MC碳化物的形成，从而提高本专利技术钢的韧性。为了达到满意的综合性能，本专利技术钢中的各合金成分如下，以下均为质量百分比:C:C元素含量至少大于2.5%、小于4.8%，并优选为2.7%_4.5%。C含量的优选范围依据为足够的C与V及Nb等元素反应生成MC碳化物，同时避免过多的C固溶于基体使残余奥氏体的量增加；V:V是用于形成MC型碳化物的主要元素，V含量控制在12.0%-20.0%，且优选15.0%-18.0%，同时匹配相应的碳含量来形成MC型碳化物；Nb =Nb的作用在于固溶于MC碳化物中，形成富V含Nb的MC碳化物，相比不含Nb的MC碳化物，前者形核势垒更低，形核率更高，促使形成更为细小碳化物；Nb的含量大于0.5%，使MC碳化物中能够固溶足够量的铌，对MC碳化物起到细化作用；综合考虑碳的含量，Nb的含量小于4.5%，Nb含量上限的设定主要在于避免NbC在钢液中形成；Nb含量的优选范围为:0.8%-4.0% ；Cr =Cr的作用在于固溶于MC碳化物，提高MC碳化物的稳定性，促使更多MC碳化物析出，本专利技术中Cr含量为4.0%-5.6%，优选范围为4.8%_5.4% ；Mo:本专利技术钢中Mo的作用类似Cr，其作用在于促使更多MC碳化物析出，本专利技术中Mo含量范围是Mo ( 3.0%，且优选范围为Mo ≤ 2.0% ；Si =Si在冷作模具钢中不参与碳化物的形成，它主要是作为一种脱氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种粉末冶金高耐磨高韧性冷作模具钢，是采用雾化制粉?热等静压?锻造退火步骤制备，其特征在于：该冷作模具钢的化学成分按质量百分比包括：V：12%?20%，Nb：0.5%?4.5%，C：2.5%?4.8%，Si：≤2.0%，Mn：0.2%?1.5%，Cr：4.0%?5.6%，Mo：≤3.0%，余量为铁和杂质；所述冷作模具钢中V、Nb及C形成富钒含铌的MC型碳化物相，该MC型碳化物相在所述冷作模具钢中的体积分数是18－35％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李小明，钟海林，霍光，王学兵，卢广峰，匡星，况春江，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：