[发明专利]喷射成形工具钢

说明书

技术领域

本发明涉及一种工具钢，尤其涉及一种喷射成形工具钢。

背景技术

工具钢应同时具备包括耐磨性能、冲击韧性、抗弯强度以及硬度等四个方面的优异性能。正常使用条件下，耐磨性能决定了使用寿命的长短，工具钢的耐磨性能取决于基体硬度以及钢中存在的硬质第二相的含量、形态以及粒度分布。钢中的硬质第二相包括M₆C、M₂C、M₂₃C₆、M₇C₃以及MC等，MC碳化物的显微硬度高于其它碳化物，作业过程中能够更好地保护基体，从而减少磨损的发生，提高工模具的使用寿命。工具钢的冲击韧性是反映韧性的重要指标，钢中粗大碳化物的存在引起应力集中，使工具钢韧性降低，导致在较低的外力加载下发生断裂，为了提高工具钢韧性，减少碳化物含量或细化碳化物粒度是重要的手段。工具钢使用过程中为了避免塑性变形的发生，工具钢通常要求硬度达到HRC60以上。

目前工具钢主要采用传统的铸锻工艺制备，采用铸锻工艺制备工具钢受到工艺过程钢液缓慢冷却凝固特点的限制，合金成分在凝固过程中容易发生偏析，形成粗大的碳化物组织，即使经过后续锻轧处理，这种不良组织仍然会对合金性能带来不良影响，导致铸锻工具钢性能上包括强度、韧性、耐磨性能、可磨削性能等处于偏低水平，难以满足高端加工制造对材料使用性能及寿命稳定性的要求。采用粉末冶金工艺制备工具钢解决了合金元素偏析的问题，制备得到合金组织细小均匀，相比铸锻合金性能有大幅度提升，但是存在的问题是粉末冶金工艺复杂、流程长，带来成本的提高，限制了粉末冶金工具钢的广泛使用。在此种背景下，近年来采用喷射成形工艺制备工具钢得到发展，喷射成形的工艺原理是在惰性气体如氮气、氩气等保护气氛下，采用高压气体将熔融金属破碎成细小的金属熔滴，雾化熔滴在飞行过程中冷却到半凝固状态，随后撞击沉积接收器表面，发生沉积，逐步长大成大块金属沉积坯，后续可对沉积坯进行锻轧加工获得所需形状材料。采用喷射成形工艺制备工具钢已有报道，但由于其原料成分的配比不够合理，生成的工具钢其碳化物组织不够理想，其性能不够优异。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种具有优异性能的喷射成形工具钢。

为实现上述目的，本发明的喷射成形工具钢其化学组分按质量百分比计包括：C：1.5%-2.5%，W：0.1%-0.5%，Mo：≤3.0%，Cr：4.2%-5.9%，V：5.0%-10.2%，Nb：1.25%-2.1%，Co：0.05%-0.5%，Si：≤1.0%，Mn：0.2%-1.0%，N：0.05%-0.3%，余量为铁和杂质；所述喷射成形工具钢的碳化物为MC碳化物，MC碳化物的类型为（V、Nb）（C、N）。

本发明通过合金成分的设计，促进工具钢中MC碳化物在喷射成形工艺下的形核与细化，从而提高工具钢的耐磨性能和韧性。

C元素部分固溶于基体，提高基体强度，同时，C元素是碳化物的组成元素之一，C的含量不能小于1.5%，以保证合金元素能够充分参与碳化物析出，C的最大含量不超过2.5%，避免过多的C固溶于基体导致韧性下降。在C含量为1.5%-2.5%范围内，能够获得最大耐磨性能以及强韧性的配合。

W 、Mo固溶于基体，提高基体淬透性，本发明W含量范围是0.1%-0.5%，Mo的含量范围是Mo≤3.0%。

Cr的作用一方面固溶于基体，提高淬透性，另一方面Cr促进其它碳化物的析出，本发明Cr含量为4.2%-5.9%。

V主要用于形成MC型碳化物，提高工具钢的耐磨性能，V含量控制范围为5.0%-10.2%。

Nb的作用与V类似，参与形成MC碳化物，本发明中Nb固溶于MC碳化物，提高MC碳化物析出时的形核数量，促进MC碳化物析出和细化，提高耐磨性能；添加含量上限在于避免富Nb的MC碳化物析出；因此限定Nb的含量范围为1.25%-2.1%。

Co主要固溶于基体，促进热处理过程碳化物析出，细化碳化物颗粒度，本发明Co含量的范围为0.05%-0.5%。

Si不参与碳化物形成，作为一种脱氧剂和基体强化元素来使用，Si过多会使基体的韧性下降，因此本发明Si含量范围限定为Si≤1.0%。

Mn作为脱氧剂加入，可以固硫减少热脆性，另外锰增加淬透性，本发明Mn含量范围为0.2%-1.0%。