噴射成形冷作工具鋼的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種冷作工具鋼，尤其涉及一種噴射成形冷作工具鋼。
【背景技術(shù)】
[0002] 冷作工具鋼應(yīng)同時具備包括耐磨性能、沖擊韌性、抗彎強度以及硬度等四個方面 的優(yōu)異性能。正常使用條件下，耐磨性能決定了使用壽命的長短，工具鋼的耐磨性能取決于 基體硬度以及鋼中存在的硬質(zhì)第二相的含量、形態(tài)以及粒度分布。鋼中的硬質(zhì)第二相包括 皿 6(：為(^23(：6為(：3以及此等肩(：碳化物的顯微硬度高于其它碳化物，作業(yè)過程中能夠更好 地保護基體，從而減少磨損的發(fā)生，提高工模具的使用壽命。工具鋼的沖擊韌性是反映韌性 的重要指標(biāo)，鋼中粗大碳化物的存在引起應(yīng)力集中，使工具鋼韌性降低，導(dǎo)致在較低的外力 加載下發(fā)生斷裂，為了提高工具鋼韌性，減少碳化物含量或細(xì)化碳化物粒度是重要的手段。 工具鋼使用過程中為了避免塑性變形的發(fā)生，工具鋼通常要求硬度達到HRC60以上。
[0003] 目前工具鋼主要采用傳統(tǒng)的鑄鍛工藝制備，采用鑄鍛工藝制備工具鋼受到工藝過 程鋼液緩慢冷卻凝固特點的限制，合金成分在凝固過程中容易發(fā)生偏析，形成粗大的碳化 物組織，即使經(jīng)過后續(xù)鍛軋?zhí)幚?，這種不良組織仍然會對合金性能帶來不良影響，導(dǎo)致鑄鍛 工具鋼性能上包括強度、韌性、耐磨性能、可磨削性能等處于偏低水平，難以滿足高端加工 制造對材料使用性能及壽命穩(wěn)定性的要求。采用粉末冶金工藝制備工具鋼解決了合金元素 偏析的問題，制備得到合金組織細(xì)小均勻，相比鑄鍛合金性能有大幅度提升，但是存在的問 題是粉末冶金工藝復(fù)雜、流程長，帶來成本的提高，限制了粉末冶金工具鋼的廣泛使用。在 此種背景下，近年來采用噴射成形工藝制備工具鋼得到發(fā)展，噴射成形的工藝原理是在惰 性氣體如氮氣、氬氣等保護氣氛下，采用高壓氣體將熔融金屬破碎成細(xì)小的金屬熔滴，霧化 熔滴在飛行過程中冷卻到半凝固狀態(tài)，這些半凝固狀態(tài)熔滴飛行撞擊沉積接收器表面，發(fā) 生沉積，逐步長大成大塊金屬沉積坯，后續(xù)可對沉積坯進行鍛軋加工獲得所需形狀材料。采 用噴射成形工藝制備工具鋼已有報道，但由于其原料成分的配比不夠合理，生成的工具鋼 其碳化物組織不夠理想，其性能不夠優(yōu)異。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種具有優(yōu)異性能的噴射成形冷作 工具鋼。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的噴射成形冷作工具鋼其化學(xué)組分按質(zhì)量百分比計 包括：C :1. 0%-1· 5%，W :0· 1%-0· 5%，Mo : ^ 2. 0%, Cr ：11. 1%-15. 2%, V ：0. 6%-l. 5%, Nb ： 0· 2%-1· 0%，Co :0· 05%-0· 5%，Si :彡 0· 5%，Mn :0· 2%-0· 6%，N :0· 1%-0· 8%，余量為鐵和雜質(zhì)； 所述噴射成形冷作工具鋼的碳化物組成為MC碳化物和M7C3碳化物，其中MC碳化物的類型 為（V、Nb) (C、N)。
[0006] 本發(fā)明通過合金成分的設(shè)計，促進工具鋼在噴射成形工藝下碳化物的形核與細(xì) 化，從而提高工具鋼的耐磨性能和韌性。
[0007] C元素部分固溶于基體，提高基體強度，同時，C元素是碳化物的組成元素之一，含 量不能小于1. 〇%，以保證合金元素能夠充分參與碳化物析出，C的最大含量不超過1. 5%，避 免過多的C固溶于基體導(dǎo)致韌性下降，在C含量I. 0%-1. 5%范圍內(nèi)，能夠獲得最大耐磨性能 以及強韌性的配合。
[0008] W、Mo固溶于基體，提高基體淬透性，本發(fā)明W含量范圍是0. 1%-0. 5%，Mo的含量 范圍是Mo < 2. 0%。
[0009] Cr的作用一方面固溶于基體，提高淬透性，另一方面參與富Cr碳化物的析出，如 M7C3碳化物、M23C6碳化物等，本發(fā)明的Cr含量為11. 1%-15· 2%。
[0010] V元素的使用對于提高耐磨性能非常重要，V是形成MC型碳化物的主要元素，考慮 到工具鋼對耐磨性能及韌性的雙重需求，V含量控制在0. 6%-1. 5%。
[0011] Nb的作用與V類似，參與形成MC碳化物，本發(fā)明Nb固溶于MC碳化物，提高MC碳 化物析出時的形核數(shù)量，促進MC碳化物析出和細(xì)化，提高耐磨性能，本發(fā)明控制Nb的含量 范圍為 0· 2%-1· 0%。
[0012] Co主要固溶于基體，促進碳化物析出，細(xì)化碳化物顆粒度，本發(fā)明Co含量的范圍 為 0· 05%-0· 5%。
[0013] Si不參與碳化物形成，作為一種脫氧劑和基體強化元素來使用，Si過多會使基體 的韌性下降，因此Si含量范圍限定為Si < 0. 5%。
[0014] Mn作為脫氧劑加入，可以固硫減少熱脆性，另外錳增加淬透性，本發(fā)明Mn含量范 圍為 0· 2%-0· 6%。
[0015] N參與形成MC碳化物，快速冷卻條件下，N促進MC碳化物形核析出，同時不會導(dǎo)致 MC碳化物過分長大，有利于提高耐磨性能，限定N含量范圍為0. 1%-0. 8%。
[0016] Nb、N合金元素促進了高硬度MC碳化物的析出，有利于耐磨性能提高，MC碳化物類 型為（V、Nb) (C、N)，碳化物粒度細(xì)小，分布均勻，使本發(fā)明的噴射成形冷作工具鋼具備優(yōu)異 的韌性。
[0017] 作為對上述方式的限定，所述雜質(zhì)包括0, 0 < 0. 01%。
[0018] 0過高導(dǎo)致工具鋼韌性下降，本發(fā)明控制0含量< 0. 01%，以確保鋼的優(yōu)良性能。
[0019] 作為對上述方式的限定，其化學(xué)組分按質(zhì)量百分比計包括：C :1. 0%-1. 4%，W : 0· 1%-0· 3%，Mo :彡 L 5%，Cr :11· 5%-14· 0%，V :0· 7%-1· 5%，Nb :0· 4%-1· 0%，Co :0· 05%-0· 3%， Si :彡 0· 4%，Mn :0· 2%-0· 5%，N :0· 1%-0· 6%，0 彡 0· 008%，余量為鐵和雜質(zhì)。
[0020] 為了達到更好的綜合性能，本發(fā)明噴射成形冷作工具鋼中的各化學(xué)組分應(yīng)控制在 要求范圍之內(nèi)。
[0021] 作為對上述方式的限定，所述雜質(zhì)包括S，S < 0. 1%。
[0022] 作為對上述方式的限定，所述雜質(zhì)包括P，P < 0. 03%。
[0023] 作為對上述方式的限定，所述MC碳化物的體積分?jǐn)?shù)為1%-2. 5%。
[0024] 作為對上述方式的限定，所述MC碳化物至少80V〇1% MC碳化物尺寸< 2 μ m，最大 MC碳化物尺寸不超過3 μ m。
[0025] 作為對上述方式的限定，所述M7C3碳化物為富Cr碳化物。
[0026] 作為對上述方式的限定，所述M7C3碳化物的體積分?jǐn)?shù)為12%_16%。
[0027] 作為對上述方式的限定，所述M7C3碳化物至少80V〇1% M7C3碳化物尺寸為3-12 μ m， 最大M7C3碳化物尺寸不超過22 μ m。
[0028] 本發(fā)明的噴射成形冷作工具鋼，可以采用如下方法制備，包括以下步驟： a、 按上述化學(xué)組成要求制備工具鋼鋼液并轉(zhuǎn)移至鋼包； b、 通電加熱鋼包內(nèi)鋼液上表面覆蓋的保護渣，維持鋼液的過熱度；在鋼包底部通入惰 性氣體對鋼液進行攪拌； c、 將鋼液通過鋼包底部的導(dǎo)流管以穩(wěn)定流量流入預(yù)加熱的中間包，待鋼液進入中間包 埋沒導(dǎo)流管下端面時對鋼液上表面施加保護渣； d、 對中間包進行持續(xù)補償加熱，維持鋼液的過熱度； e、 鋼液從中間包進入噴射沉積室后采用惰性氣體進行霧化沉積，在穩(wěn)定出口壓力下完 成噴射沉積得到噴射沉積錠；噴射沉積過程維持鋼液溫度穩(wěn)定、鋼液流量穩(wěn)定，噴射沉積接 收盤緩慢下降同時水平旋轉(zhuǎn)，噴射沉積接收盤下降速度與噴射沉積錠生長速度保持一致使 噴射沉積錠上端面高度恒定；控制氣體進氣、出氣流量，保持噴射沉積室的惰性氣體保護性 氛圍； f、 將噴射沉積錠轉(zhuǎn)移至保護性氣氛爐進行退火或直接轉(zhuǎn)移至熱鍛開坯工藝環(huán)節(jié)。
[0029] 在噴射成形工藝過程采用全流程保護，以控制氧含量及碳化物形態(tài)，優(yōu)化工具鋼 性能。鋼包的保護渣具備隔絕空氣以及導(dǎo)電加熱功能；鋼包底部通過透氣孔通入惰性氣體， 使鋼包內(nèi)不同位置鋼液溫度均衡，同時加速有害夾雜的上浮去除；鋼包底部的導(dǎo)流管一方 面對鋼液起導(dǎo)流作用，減少鋼液流轉(zhuǎn)過程紊流產(chǎn)生，避免卷渣或減少夾雜進入到下一環(huán)節(jié)， 另一方面避免鋼液直接與空氣的接觸，防止鋼液氧含量上升；中間包的保護渣防止流經(jīng)中 間包的鋼液直接與空氣接觸，減少鋼液氧含量的升高；鋼水進入中間包前對中間包預(yù)加熱， 防止鋼液進入中間包時局部凝結(jié)或?qū)е碌诙嗵崆拔龀觯粐娚涑练e過程中控制氣體進氣及 出氣流量，保持噴射沉積室惰性氣體的保護氣氛，對噴射沉積錠起到保護作用。
[0030] 綜上所述，采用本發(fā)明的技術(shù)方案，獲得冷