一种造币用高强韧高纯净冷作模具钢的制作方法

本发明涉及金属合金材料的，具体涉及一种造币用高强韧高纯净冷作模具钢，尤其是涉及一种抗拉强度高、硬度高、冲击韧性良好的冷作模具钢材料。

背景技术：

1、根据用途及其工作条件的不同，将模具钢分为冷作模具钢、热作模具钢及塑料模具钢三大类。冷作模具钢主要用于制造冷挤压、冷镦、冲压等模具，一般在室温下工作。冷作模具钢种类较多，根据合金元素含量的不同，可将其分为以下三类：低合金冷作模具钢、中合金冷作模具钢、高碳高铬冷作模具钢。一般要求冷作模具钢具有高的硬度、强度和耐磨性，一定的韧性和热硬性。

2、我国常用的冷作模具钢仍是以d2为代表的cr12系列冷作模具钢，这类冷作模具钢由于含有较高的c和其他合金元素，从而强度、硬度较高，耐磨性较好。但由于凝固过程中容易产生较多共晶莱氏体，在后续的锻造或轧制过程中仍难破碎，从而模具钢的韧性较低。而用于制作造币用冷冲模具的冷作模具钢，要求其具有较高的强度和硬度的同时，还要具有较高的冲击韧性。

3、专利文献cn109468537a公开了一种模具钢hs8，基本化学成份为：c?0.51-0.55％；si0.10-0.30％；mn?0.40-0.60％；cr?5.00-5.30％；mo2.30-2.50％；v?0.50-0.70％；其余为fe和不可避免的杂质及残余微量元素。杂质元素为p≤0.012％、s≤0.002％；有害气体元素n≤100ppm、h≤2.0ppm、o≤15ppm；残余元素为：ni≤0.25％；cu≤0.25％；sn≤0.03％；pb≤0.002％；as≤0.040％；ti≤0.010％。但是该文献中还有较多的杂质元素ni、cu、sn、pb和as等，会导致冷作模具钢的颜色、光泽度和抗冲击韧性下降。

4、专利文献cn103834869a公开了一种新型5cr3mnsimo1vbn耐冲击工具钢，按质量份％计，其中c：0.40～0.60；si：0.30～1.20；mn：0.30～1.20；cr：2.80～3.80；mo：1.00～2.00；v：0.10～0.50；nb：0～0.40；al：0～1.00；b：0～0.01；mg：0～0.007；n：0～0.12；氮化物0～0.08和稀土元素0.05以下；余量为fe及不可避免的杂质。但是该文献中含有al、b、mg以及氮化物bn、aln或/和tin，这些元素及氮化物会降低钢材的纯净度，对产品的韧性提升形成干扰。

5、国内不少研究者通过调整热处理工艺来达到提高韧性的目的，但这样增加了加工成本且收效并不明显。本发明通过合理调整合金元素的搭配，改变碳化物的大小及分布状态，并制定合理的加工及热处理工艺，在保证足够硬度的同时，可以大幅度提高钢的韧性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种造币用高强韧高纯净冷作模具钢及其制造方法，可满足市场对冲击韧性要求高的冷冲压、冷挤压、冷镦模具的需求。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、本发明的一种造币用高强韧高纯净冷作模具钢，其特征在于，由以下质量分数的化学成分构成：c：0.60％～0.90％，si：0.05％～0.30％，mn：0.45％～0.80％，cr：3.50％～5.80％，ti：0.01％～0.03％，mo：1.50％～2.20％，v：0.20％～0.45％，p≤0.01％，s≤0.003％，o≤8ppm，h≤5ppm，n≤30ppm，其余量为fe。

4、优选地，本发明的一种造币用新型高强韧高纯净冷作模具钢，由以下质量分数的化学成分构成：c：0.65％～0.80％，si：0.1％～0.30％，mn：0.50％～0.75％，cr：3.50％～5.10％，ti：0.01％～0.02％，mo：1.50％～2.10％，v：0.30％～0.40％，p≤0.008％，s≤0.002％，o≤6ppm，h≤2ppm，n≤20ppm，其余量为fe。

5、冷作模具钢一般都含有较高含量的碳元素，碳在冷作模具钢中一部分固溶于基体中，增加钢的强度；而mo、cr、v等元素可以与c结合形成不同类型的碳化物，增强冷作模具钢的耐磨性能。c元素含量一般需要通过形成碳化物的元素mo、cr、v的含量进行确定，具体来说应符合数学关系式：其中0.063[mo]+0.06[cr]+0.2[v]是回火过程中二次硬化的碳饱和度，回火过程中析出弥散碳化物会使材料出现二次硬化现象，为了最大限度发挥合金元素的硬化作用，以及保证材料的韧性；优选的数学关系式为c元素过少难以保证获得足够硬度的马氏体，影响钢的强度和淬硬性；c元素过多则容易引起碳化物分布不均匀从而增加钢的脆性，导致过多的碳化物的形成和组织偏析的产生，进而降低钢的冲击韧性。

6、铬在冷作模具钢主要形成m7c3和m23c6型碳化物，其中m23c6熔点较低，一般在900℃左右固溶便可将其溶解，增加钢的淬透性；而较难溶解的m7c3对晶粒的长大有很大的阻碍作用。然而m7c3型碳化物尺寸通常很大，且容易形成不均匀分布的碳化物网络，严重降低钢的冲击韧性，所以铬元素含量不能多。但本技术通过增加适量的ti元素来改善凝固组织，将原方向性枝晶转变为等轴晶，减少共晶量，且ti和c可以直接在液相中反应形成tic，并可作为渗碳体的结晶核心，使一次渗碳体和共晶渗碳体发生?；拖富?，从而避免cr元素连续网状碳化物的形成，可将cr元素的含量提高到5.80％，优选最多5.10％。为保证材料的硬度和淬透性，cr含量也不可过低，下限设计为3.50％。

7、mo是提高淬透性的高效元素，与c原子的亲和力强，可以形成碳化物，包括mo2c、mc、mo3fe3c和fe2moc；由于mo与碳原子的亲和力强，在回火过程中降低了马氏体的分解速度，提高钢的稳定性，并且在回火过程中沉淀碳化物从而产生二次硬化；mo降低了冷作模具钢的凝固温度，使δ相细化，从而使晶界上的共晶碳化物较细??；mo在回火时能有效的阻碍碳化物沿晶界的析出。但是较多的mo元素会导致生成过量的碳化物，从而导致冲击韧性下降，且mo会导致钢在加热时发生脱碳现象，因此mo元素的含量不能超过2.20％，优选范围为1.50％～2.10％。

8、v与c可以形成高稳定的碳化物，对钢的晶粒细化和沉淀强化均有贡献；v可以提高淬透性，在回火过程中产生二次硬化，且v比mo的二次硬化作用更显著。适当添加v元素可以提高钢的淬透性，但过多的v将消耗基体中的c，使马氏体中的c含量降低，从而降低材料的强度，所以其范围应控制在0.20％～0.45％，优选为0.30％～0.40％。

9、本发明所述的一种造币用新型高强韧高纯净冷作模具钢中，不应含有ni、cu、sn、pb、as和其它杂质元素。

10、本发明所述的一种造币用新型高强韧高纯净冷作模具钢的制造方法，其特征在于，采用真空感应炉进行熔炼，将钢水浇铸成电极棒，再将电极棒放入真空自耗炉中进行精炼；再高温扩散；然后进行热轧至成材；轧制完成后进缓冷箱缓冷至室温，在七天内进行球化退火，随炉冷却至室温，得到高强韧高纯净冷作模具钢钢材；

11、所述高温扩散的加热过程为：第一阶段为以≤100℃/h的升温速度升温至750～850℃保温1～2h，第二阶段为以≤100℃/h的升温速度升温至1000～1050℃后保温1～2h，第三阶段为以≤100℃/h的升温速度升温至1140～1160℃后保温10～14h；分段加热的目的是使得钢锭的整个表面至心部的温度都可以保持均匀，减小钢在轧制过程中的开裂倾向；

12、所述热轧的工艺为：初轧开坯的开轧温度为1000～1050℃，终轧温度为800～900℃；轧制中间坯的加热工艺为在1100～1140℃保温3～5h，开轧温度为1000～1050℃，终轧温度为800～900℃；

13、所述球化退火的工艺为：在820～870℃下保温2.5～5h，然后降温至650～720℃保温5～8h。

14、本发明所述的一种造币用新型高强韧高纯净冷作模具钢的制造方法，还包括：将所述冷作模具钢钢材进行矫直、车光并加工成冷作模具型材，再进行淬火和回火热处理：采用960～1040℃淬火，500～550℃两次回火，每次回火2h，即可得到冷作模具。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、本发明经过大量实验研究，(1)优选了最优化的化学成分配方，使钢锭凝固时不产生莱氏体，在提高韧性的同时保证足够的强度和硬度，改善了钢在铸态下的碳化物形态、尺寸和分布，从而提高了冷作模具钢的冲击韧性。(2)采用真空感应熔炼和真空自耗重熔的冶炼方法，降低p、s、o、h、n等有害元素的含量，减少非金属夹杂物形成，提高基体纯净度，提高了材料的强度和韧性。(3)加热到960～1040℃淬火，奥氏体化后合金元素大量溶入基体，增强固溶强化效果；在进行二次回火过程中，弥散析出细小均匀的第二相粒子通过沉淀强化，进一步提高材料的强度和冲击韧性。本发明的冷作模具钢的硬度和强度达到甚至超过cr12系冷作模具钢的水平，冲击韧性最高可达cr12系冷作模具钢的7～8倍。