CN104004955B - 高性能喷射钢的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高性能喷射钢的制造方法，针对喷射钢中内部空隙含有氮气的缺陷问题，采用均质化处理方法解决。该方法对喷射钢的后续处理工艺包括等温退火，均质化处理，强力锻造，晶粒细化和完全退火的工艺流程。使用本发明不仅消除了喷射钢锭中含有的氮气空隙缺陷，还能够分解喷射钢水凝固过程中生成的大颗粒碳化物，使合金元素在微观上均匀化，生产出高延展性，高韧性，各项性能均匀的模具钢。使用本发明工艺生产出的高等级模具钢，成本低，市场前景极其广大。
Description
技术领域
本发明涉及一种对喷射成型的喷射钢进行处理的方法，尤其涉及一种高性能喷射钢的制造方法。
背景技术
目前广泛使用的工模具钢，其制造工艺主要为三种，其一是绝大多数采用电炉、钢包精炼、电渣重熔、锻造、完全退火的传统工艺；二是少数高合金高速钢，高性能冷作模具钢以及塑料模具钢采用粉末冶金工艺制成；三是还处于初始开发阶段的喷射成型冶炼工模具钢。
对于以上制备工艺，为了提高工模具钢的性能，通常对制备的工模具钢进行后续处理，如采用均质化处理工艺，其在高性能热作模具钢的冶炼中可以分解大颗粒碳化物，消除基体中化学成分不均匀、枝晶偏析及区域偏析等问题。例如论文《H13钢均质化和球化退火工艺的研究》（内蒙古科技大学学报2011年第30卷第4期公开）中的报道，采用均质化处理工艺可以解决热作模具钢H13钢存在的带状偏析和液析碳化物的问题。
然而喷射成型技术是一种快速凝固技术，雾化钢水液滴在飞行过程中与氮气进行大比表面积的热交换，钢液滴温度急剧下降，到达沉积表面时已有60%（体积分数）以上转变成为固相，冷却速度可高达103-104
K/s，钢水在这样高的冷却速度下，碳化物来不及析出，成为较大尺寸的碳化物的可能性很小，金属材料成分均匀，且钢材内部组织宏观上均匀一致，含氧量低。与传统的铸锻工艺和粉末冶金工艺相比较，它流程短、工序简化、沉积效率高，不仅是一种先进的制取坯料技术，还正在发展成为直接制造金属零件的制程，已成为世界新材料开发与应用的一个热点。为了获取更优的性能，现有的喷射钢后续处理步骤，多采用顺序设置的等温退火、强力锻造、以及完全退火等工艺步骤。但是由于喷射成型过程结晶速度过快，难免产生含有氮气的空隙，严重地影响模具钢的质量，使得钢材的延展性、抗崩角和抗开裂性能降低。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种能够消除喷射钢内部空隙中的氮气以提高喷射钢性能的高性能喷射钢的制造方法。
为实现上述目的，本发明所述的高性能喷射刚的制造方法，是在喷射成型的喷射钢的后续处理步骤中，设有消除喷射钢内部空隙中的氮气的均质化处理步骤。
通过在喷射钢的后续处理步骤中增设均质化处理步骤，使喷射钢中的空隙所含的氮气，与钢基体中的Al、Ti等金属元素结合形成氮化物，被钢基体吸收，在消除氮气的同时，使形成的氮化物与钢基体融合，提高了喷射钢的整体性能。
作为对上述方式的限定，所述的后续处理步骤包括顺次设置的对喷射钢进行处理的等温退火步骤、强力锻造步骤和完全退火步骤，所述的均质化处理步骤位于强力锻造步骤之前。
将均质化处理与现有的后续处理步骤进行结合，即将均质化处理设置在等温退火步骤与强力锻造步骤之间，使均质化处理后的喷射钢，在随之进行的强力锻造处理的强压力作用下，氮气被吸收后留下的空隙、钢体中的疏松和裂纹均可以得到有效的焊合，从而生产出组织均匀的高质量钢材，更进一步提高了喷射钢的性能。
作为对上述方式的限定，所述的均质化处理包括以下步骤：
步骤a，冷锭预热得到热锭；
步骤b，将步骤a得到的热锭加热至均质化处理温度；
步骤c，于均质化处理温度下保温；
步骤d，炉内缓冷，使喷射钢的温度降至强力锻造温度。
作为对上述方式的限定，所述均质化处理步骤a中的预热温度为650℃~850℃，预热速度小于70℃/小时。
作为对上述方式的限定，本发明所述均质化处理步骤b中的加热速度小于120℃/小时。
过快的加热速度会造成钢锭内部的裂纹，为防止裂纹的产生或恶化在均质化处理过程中限定加热速度。
作为对上述方式的限定，本发明所述均质化处理温度为1220℃~1350℃，步骤c中的保温时间为8~30小时。
作为对本发明的改进，本发明还包括对均质化处理后的喷射钢进行晶粒细化的处理步骤。
晶粒细化工艺是均质化处理工艺后的辅助工艺，有效解决钢基体在长时间高温处理后出现的晶粒粗大问题，使得钢基体合金元素在微观上实现均匀，生产出高端市场需求的高延展性，高韧性，各项性能均匀的工模具钢。
作为对上述方式的限定，所述的晶粒细化处理步骤中的晶粒细化处理温度大于所述的喷射钢的奥氏体化温度25℃~40℃。
综上所述，采用本发明的技术方案，能够去除喷射钢空隙内的氮气，提高了喷射钢的整体性能。此外，对于喷射钢中存在的低熔点碳化物问题，元素偏析问题，采用本发明的技术方案均能够一并解决，使得钢材的各项同性显著提高，冲击韧性明显改善，保证生产的模具钢具有优良的韧性和耐磨性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本实施例中均质化处理工艺曲线；
图2为本实施例中晶粒细化工艺曲线；
图3为本实施例中完全退火工艺曲线。
具体实施方式
本发明涉及的高性能喷射钢的制造方法，其设计思想是在喷射钢的后续处理步骤中，设有消除喷射钢内部空隙中的氮气的均质化处理步骤。而在本实施例中，对喷射钢进行后续处理的步骤包括等温退火步骤、强力锻造步骤和完全退火步骤，而均质化步骤设置在等温退火步骤和强力锻造步骤之间。此外，本实施例中，为进一步提高喷射钢的性能，解决由长时间高温出现的晶粒粗大问题，在强力锻造步骤和完全退火步骤之间还设置晶粒细化步骤。
基于如上叙述，本实施例的高性能喷射钢制造方法，其整体工艺流程主要包括如下步骤：
步骤一，获取喷射钢；
步骤二，等温退火；
步骤三，均质化处理；
步骤四，强力锻造；
步骤五，晶粒细化工艺；
步骤六，完全退火。
下面，本实施例通过具体的描述，对如上步骤进行详细说明。
步骤一，获取喷射钢。该步骤可以采用常规的喷射钢生产工艺，如将废钢在电弧炉或中频炉内冶炼，然后进行钢包精炼（ESH），喷射成型，得到喷射钢。其中钢包精炼（ESH）过程包括扒渣、造新渣、脱氧、取样、控制上下限内的微量调整合金含量、调整温度六个步骤。喷射成型的目标钢锭重量为3.5吨，直径为550毫米，气孔率小于2%；在喷射温度为过热温度50℃~200℃，喷射速度为50~200kg/分钟条件下完成喷射。
步骤二，等温退火。喷射完成后，将喷射钢锭置于沙坑上空冷。钢锭等温退火入炉时，表面温度不得低于400℃，但也不要超过500℃，以防止表面裂纹的产生或者恶化。当表面温度低于100℃，该铸锭需报废。等温退火的温度为750℃，均温后保温8小时以上，出炉埋沙缓冷。
步骤三，均质化处理。经等温退火的喷射钢锭，装入加热炉内进行均质化处理。如图1所示，均质化处理过程主要包括四个步骤：步骤a，冷锭预热得到热锭；步骤b，将步骤a得到的热锭加热至均质化处理温度；步骤c，于均质化处理温度下保温；步骤d，炉内缓冷，使喷射钢的温度降至强力锻造温度。具体来讲，步骤a中，喷射钢冷锭的升温速度小于70℃/小时，冷锭预热至温度Ty（Ty在650℃~800℃之间）；步骤b为升温阶段，其升温速度小于120℃/小时，将预热后的钢锭加热至均质化温度Tk（Tk在1220℃~1350℃之间）；步骤c为恒温阶段，于均质化处理温度Tk下保温8~30小时，有效保温30mm/小时；步骤d为降温阶段，在炉内缓慢降温至锻造温度Td。
步骤四，强力锻造。经均质化处理的喷射钢锭，需缓冷至始锻温度，始锻温度根据工模具钢种确定，一般为1100℃~1240℃，开始锻造。锻造包括两次以上墩粗和两次以上拔长，或者三个方向的锻造。重复加热温度，比前次加热温度低30℃，最后火次最小锻造比>2.5（截面收缩20%）。单面压缩法，砧宽比>0.5；道次压下率控制在20-25%，锻造侧面双面呈鼓。
步骤五，晶粒细化工艺。如图2所示，分段加热至温度T1（奥氏体化温度+30℃），心部到温后保温一定时间，保温时间要使得锻件的表面和中心均转变成为奥氏体。淬冷速度的上限是在保证锻件不开裂的情况下尽可能的越快越好，冷却速度的下限以心部钢件至少含有40%（体积分数）的马氏体。
步骤六，完全退火工艺。如图3所示，晶粒细化处理后的喷射钢锭，入炉进行完全退火处理。入炉温度为150℃~250℃，入炉后快速升温，加热速度大于100℃/小时，达到指定温度T2（T2高于对应钢种温度50℃~100℃）后保温一段时间（炉温到达指定温度后按25-30mm有效厚度/1小时），然后开始降温，降温分成三个阶段，第一阶段冷却速度为20℃/小时，温度降至T3（T3高于对应钢种温度40℃~50℃），第二阶段冷却速度为10℃/小时，温度降至T4（T4低于对应钢种温度50℃~80℃），第三阶段炉内缓冷至温度550℃（500℃~600℃之间），出炉沙坑空冷。
Claims (7)
1.一种高性能喷射钢的制造方法，其特征在于：该方法在喷射成型的喷射钢的后续处理步骤中，设有消除喷射钢内部空隙中的氮气的均质化处理步骤；所述的后续处理步骤包括顺次设置的对喷射钢进行处理的等温退火步骤、强力锻造步骤和完全退火步骤，所述的均质化处理步骤位于等温退火步骤之后，强力锻造步骤之前。
2.根据权利要求1 所述的高性能喷射钢的制造方法，其特征在于：所述的均质化处理包括以下步骤：
步骤a，冷锭预热得到热锭；
步骤b，将步骤a 得到的热锭加热至均质化处理温度；
步骤c，于均质化处理温度下保温；
步骤d，炉内缓冷，使喷射钢的温度降至强力锻造温度。
3.根据权利要求2 所述的高性能喷射钢的制造方法，其特征在于：所述步骤a 中的预热温度为650℃ ~850℃，预热速度小于70℃ / 小时。
4.根据权利要求2 所述的高性能喷射钢的制造方法，其特征在于：所述步骤b 中的加热速度小于120℃ / 小时。
5.根据权利要求2 所述的高性能喷射钢的制造方法，其特征在于：所述的均质化处理温度为1220℃ ~1350℃，步骤c 中的保温时间为8~30 小时。
6.根据权利要求1 所述的高性能喷射钢的制造方法，其特征在于：该方法还包括对均质化处理后的喷射钢进行晶粒细化的处理步骤。
7.根据权利要求6 所述的高性能喷射钢的制造方法，其特征在于：所述的晶粒细化处理步骤中的晶粒细化处理温度大于所述的喷射钢的奥氏体化温度25℃ ~40℃。
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