CN102703826A - Ti－B－RE复合微合金化高强韧折弯模具钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种Ti－B－RE复合微合金化高强韧折弯模具钢及其制备方法，属于钢铁冶金及材料制备技术领域。该模具钢的成分及其质量百分比为：C：0.38~0.45，Si：0.17~0.37，Mn：0.50~0.80，Al：0.015~0.030，Cr：0.90~1.20，Mo：0.12~0.18，Ti：0.03~0.09，B：0.002~0.004，RE：0.02~0.05，P：≤0.02，S：≤0.01，余量为Fe。该模具钢的制备方法是：将废钢除锈处理后和铁合金在中频感应炉中进行熔炼，造渣还原造白渣，向钢水中加入铝粒、钛铁以及混合稀土包芯线后分别搅拌2分钟进行合金化处理后的将钢水浇注成方锭，得到Ti－B－RE微合金化高强韧折弯模具钢。本发明模具钢的强度和冲击韧性较42CrMo分别提高15%和70%以上，使用寿命大幅提高。

Description

Ti-B-RE复合微合金化高强韧折弯模具钢及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金及材料制备技术领域，具体涉及一种Ti－B－RE复合微合金化高强韧折弯模具钢及其制备方法。

背景技术

42CrMo钢具有较高的强度和韧性，无明显的回火脆性。因此，其不但是一些重要轴和连接件的使用用钢，而且还广泛用于大、中型塑料模具和折弯模具的制造。折弯模具不但要求材料具有高强度、硬度，而且要求材料具有良好的韧性以提高模具的抗冲击能力和使用寿命。在合金钢中加入微量的B可以提高材料的淬透性并改善材料的力学性能。当淬、回火处理后，钢中的硼在晶界替代P、S的析出，可以减轻P、S的有害影响，有利于改善冲击性能。近年来，对低碳钢进行Nb、V和Ti的微合金化技术得到迅速发展和广泛应用。这些微合金元素与碳、氮、硫等交互作用能产生细晶强化、析出物弥散强化以及夹杂物改性等，从而改善钢的强韧性。目前铌铁、钒铁的市场价格比Ti铁贵10倍以上。我国钛资源非常丰富，采用Ti微合金化具有低的生产成本。然而，Ti微合金化中碳以及中碳合金钢的研究很少见于报道。对于中碳以及中碳合金钢，钛的碳化、氮化或碳氮化物对热处理加热时的奥氏体长大，冷却及回火过程中的析出强化都有重要作用。在中碳合金钢中加入适量的Ti还可以起到降低其他如Mo、V、Ni、Co等贵重金属的用量，从而降低钢材的使用成本。

本发明利用钢铁生产企业的生产废钢，首先采用Ti、B微合金42CrMo钢用以制造折弯模具。较42CrMo钢，Ti、B微合金折弯模具钢的强硬度得到较大提高，塑韧性有所改善。为了进一步提高模具使用寿命，韧性有待进一步提高。由于在微合金钢中降低了贵重合金Mo的含量，该模具钢还具有十分突出的性价比，这为进一步合金化提供了有利条件。

稀土主要通过以下几个方面的作用来改善钢的性能：(1) 稀土对钢中夹杂物的变质作用，使钢中长条状硫化物和不规则状氧化物夹杂转变为细小的圆形或椭圆形稀土硫化物和稀土硫氧化物；(2) 稀土改善凝固组织，扩大等轴晶区并细化晶粒；(3) 稀土减小一些溶质元素的枝晶偏析；(4) 稀土富集在晶界有助于净化晶界、减少杂质元素的偏聚；稀土还可以改善B在晶界的非平衡偏聚，突出合金B和稀土在晶界平衡偏聚的综合作用。我国是稀土生产和应用大国，采用稀土微合金化可以改善钢的性能并开发具有自主知识产权的新钢种。

为了进一步提高Ti、B微合金42CrMo折弯模具钢的冲击韧性和使用寿命，本发明提供了一种Ti－B－RE（混合稀土）微合金化高强韧折弯模具钢及其生产方法。本发明采用钢厂废钢作为炼钢原料，其含有的杂质元素S、P含量低；通过感应炉直接熔炼代替一般稀土钢的真空熔炼或粗炼加精炼的工艺。因此，该方法具有工艺简单、易操作、生产成本低的特点。开发的Ti－B－RE复合微合金化折弯模具钢的强度和冲击韧性较42CrMo分别提高15%和70%以上，使用寿命大幅提高。该方法特别适合有一定生产废钢量的企业生产高性能42CrMo钢。由于42CrMo钢的应用范围十分广阔，因此，该钢种具有良好的应用前景。

发明内容

针对现有42CrMo折弯模具钢和生产技术问题，本发明提供一种Ti－B－RE（混合稀土）微合金化高强韧折弯模具钢及其制备方法。

本发明所提供的一种Ti－B－RE微合金化高强韧折弯模具钢的成分及其质量百分比如下：

C：0.38~0.45，Si：0.17~0.37，Mn：0.50~0.80，Al：0.015~0.030，Cr：0.90~1.20，Mo：0.12~0.18，Ti：0.03~0.09，B：0.002~0.004，RE：0.02~0.05，P：≤0.02，S：≤0.01，余量为Fe。

本发明所提供的一种Ti－B－RE微合金化高强韧折弯模具钢的制备方法具体步骤如下： 

(1) 采用钢铁企业的废钢为原料，将废钢原料进行除锈处理后，根据废钢的成分选取一定量的废钢和铁合金在中频感应炉中进行熔炼，送电熔化制成钢水后取样，造渣还原造白渣，白渣保持时间大于20分钟；

(2)先向步骤（1）制成的钢水中加入铝粒后搅拌2分钟进行脱氧，其次加入钛铁后搅拌2分钟进行合金化和固氮，然后加入硼铁后搅拌2分钟，最后加入混合稀土包芯线后搅拌2分钟，所述混合稀土包芯线中的混合稀土为富铈混合稀土，其中混合稀土RE在混合稀土包芯线中的质量含量≥98%，铈Ce在混合稀土包芯线中的质量含量≥45%，将合金化处理后的钢水浇注成方锭，得到Ti－B－RE微合金化高强韧折弯模具钢。

本发明的有益效果是：

1、该钢种的生产原料为冶金等企业的生产废钢，为企业的废钢高附加值利用提供了合理的出路；

2、通过微量低成本的Ti、B添加降低了贵重金属Mo的添加，采用中频感应炉熔炼Ti－B－RE复合微合金钢，该方法生产设备投资少，合金钢的生产工艺简单、易操作，成本低；

3、通过Ti－B－RE复合微合金化，改善了合金钢夹杂物形貌并降低了夹杂物的含量，细化了奥氏体晶粒。微合金化的折弯模具钢的强度和韧性较42CrMo分别提高15%和70%以上，使用寿命大幅提高。

附图说明

图1 模具钢中RE含量对本发明模具钢力学性能的影响示意图。

图2 为42CrMo钢奥氏体晶粒形貌图。

图3 为含0.032 wt.%RE的Ti－B－RE微合金化42CrMo钢奥氏体晶粒形貌图。

图4 为含0.048 wt.% RE的Ti－B－RE微合金化42CrMo钢奥氏体晶粒形貌图。

具体实施方式

实施例1：在150 Kg中频感应炉中对除锈废钢送电溶化，化清取样，造渣还原造白渣，白渣保持时间大于20分钟，然后合金化；合金化过程中先加入铝粒后搅拌2分钟进行脱氧，其次加入钛铁后搅拌2分钟进行合金化和固氮，然后加入硼铁后搅拌2分钟，最后加入混合稀土包芯线（混合稀土中RE≥98%，Ce≥45%）后搅拌2分钟，其中混合稀土包芯线的加入量为0.10~0.15 wt.%，合金化后浇注成方锭；锭坯经过锻造、粗加工、热处理和精磨后进行理化和力学性能检测。其锻造工艺为加热温度1150 oC，始锻温度为1130 oC，终锻温度大于850 oC。热处理工艺为：860 °C加热60分钟后油冷淬火，油冷后立即于280 °C下3小时回火。化学检测显示钢中成分（质量百分比）为：0.45的C，0.28的Si，0.59的Mn，0.99的Cr，0.16的Mo，0.019的Als，0.042的Ti，0.004的B，0.032的Re，0.018的P， 0.007的S，余量为Fe。其奥氏体晶粒度为8.5级（图3为含0.032 wt.% RE的Ti－B－RE微合金化42CrMo钢奥氏体晶粒形貌图）较42CrMo钢的（6.5级）明显细化（图2为42CrMo钢奥氏体晶粒形貌图）。通过RE对钢中夹杂物的变质作用，钢中稀土硫氧化物为椭圆形。由于其夹杂物形貌的改善和奥氏体晶粒显著细化，其强韧性改善明显，其屈服强度（Re）和抗拉强度（Rm）分别为1725和1900 MPa，较42CrMo钢的分别提高20.6和18%；特别是塑韧性，其中断后伸长率（A）和夏比冲击韧性（Akv）较42CrMo钢的分别提高112.5%和80.8%（图1为模具钢中RE含量对本发明模具钢力学性能的影响示意图）。

实施例2：采用与实施例1相同的工艺方法，其中混合稀土包芯线的加入量为0.15~0.20 wt.%。化学检测显示钢中成分（质量百分比）为：0.42的C，0.30的Si，0.66的Mn，0.027的Als，1.08的Cr，0.16的Mo，0.037的Ti，0.0036的B，0.048的Re，0.017的P， 0.004的S，余量为Fe。其奥氏体晶粒度较实施例1有粗化趋势为7.5级（图4为含0.048 wt.% RE的Ti－B－RE微合金化42CrMo钢奥氏体晶粒形貌图），但仍细于42CrMo钢。其Rm和Akv分别为1890 MPa和22.5 J/cm²（图1为模具钢中RE含量对本发明模具钢力学性能的影响示意图），较42CrMo钢的分别提高17.4%和73.1%。

Claims (2)

1.一种Ti－B－RE微合金化高强韧折弯模具钢，其特征在于该模具钢的成分及其质量百分比如下：

C：0.38~0.45，Si：0.17~0.37，Mn：0.50~0.80，Al：0.015~0.030，Cr：0.90~1.20，Mo：0.12~0.18，Ti：0.03~0.09，B：0.002~0.004，RE：0.02~0.05，P：≤0.02，S：≤0.01，余量为Fe。

2.权利要求1所述模具钢的制备方法，其特征在于该制备方法的具体步骤如下： 

(1) 采用钢铁企业的废钢为原料，将废钢原料进行除锈处理后，根据废钢的成分选取一定量的废钢和铁合金在中频感应炉中进行熔炼，送电熔化制成钢水后取样，造渣还原造白渣，白渣保持时间大于20分钟；

(2)先向步骤（1）制成的钢水中加入铝粒后搅拌2分钟进行脱氧，其次加入钛铁后搅拌2分钟进行合金化和固氮，然后加入硼铁后搅拌2分钟，最后加入混合稀土包芯线后搅拌2分钟，所述混合稀土包芯线中的混合稀土为富铈混合稀土，其中混合稀土RE在混合稀土包芯线中的质量含量≥98%，铈Ce在混合稀土包芯线中的质量含量≥45%，将合金化处理后的钢水浇注成方锭，得到Ti－B－RE微合金化高强韧折弯模具钢。

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