CN105177258A - 一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法。具体为：采用以下方法对电渣重熔后的钢锭进行第一次均质化：在1260-1300℃下均质5-8h；对初次均质的钢锭的进行三向锻造，且三向锻造的温度在900℃以上，且在第一均质化的温度以下；采用以下方法对三向锻造的钢坯进行第二次均质化：在1260-1300℃下均质10-20h；对二次均质的钢坯进行镦拔终锻；镦拔终锻的始锻温度在1150℃以下，终锻温度在850-950℃；经过晶粒细化、退火，得到产品。本发明通过将两次均质和两次锻造有机结合，创造出有利于碳与合金元素扩散的动力学条件，彻底消除了钢坯中的液析碳化物以及由于枝晶偏析所产生的带状组织。

Description

一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法

技术领域

本发明涉及铸钢领域，具体而言，涉及一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法。

背景技术

目前广泛使用的热作模具钢，韧性与各向同性性无法满足日益变化的技术要求。尤其是在大型压铸、大截面有色金属(铝合金)挤出、以及精密锻造模具方面，随着设备自动化、智能化的发展，模具的工况条件越来越恶化，模具寿命不能满足市场需求。生产出高韧性、高等向性的大截面热作模具钢，以此为原材料制造高质量、长寿命的大型热作模具是现代汽车、电子家电、轨道交通运输业发展的需求。

热作模具钢通常含有Cr、Mo、V等提高钢材红硬性的合金元素，在凝固过程中产生液析碳化物和由于枝晶偏析的带状组织，这种现象在大截面钢锭的中心尤其严重。液析碳化物和枝晶偏析使得钢材的韧性和各向同向性大大降低，研究表明：超过3μm的液析碳化物每平方毫米从1个增加至2个，钢材的延展性就要降低近一倍。可见，采用这种组织的模具材料不能满足压铸、挤出与精密锻造等严酷作业环境的要求，模具寿命很低，甚至发生模具整体开裂现象。

近20年来国外国内先后研发高等向性、高韧性的模具钢采用均质化及强力锻造的方法，典型生产工艺为：电弧炉(中频炉)→钢包精炼→真空除气→铸锭→电渣重熔→均质化→锻造→晶粒细化→完全退火。这种工艺方法对于电渣锭大截面热作模具钢(厚度超过200毫米的截面)而言，均质化处理要在1240～1300℃保温很长时间(20小时)，尽管如此，仍然还能够在钢材组织中心部位发现相当多的液析碳化物以及由于枝晶偏析产生的带状组织。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢及其生产方法，所述的生产方法通过两次均质和两次锻造的交替处理，彻底消除了钢坯中的液析碳化物以及由于枝晶偏析所产生的带状组织，获得了高韧性、高延展性、高等向性的热作模具钢。

本发明的第二目的在于提供一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢，所述的热作模具钢具有韧性高、延展性高、等向性高等优点。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法，包括下列步骤：

步骤A、采用以下方法对电渣重熔后的钢锭进行第一次均质化，得到初次均质的钢锭：在1260-1300℃下均质5-8h；

步骤B、对所述初次均质的钢锭的进行三向锻造，得到三向锻造的钢坯，且所述三向锻造的温度在900℃以上，且在所述第一均质化的温度以下；

步骤C、采用以下方法对所述三向锻造的钢坯进行第二次均质化，得到二次均质的钢坯：在1260-1300℃下均质10-20h；

步骤D、对所述二次均质的钢坯进行镦拔终锻，得到二次锻造的钢坯；所述镦拔终锻的始锻温度在1150℃以下，终锻温度在850-950℃；

步骤E、对所述二次锻造的钢坯进行晶粒细化、退火处理，得到产品。

上述生产方法能够彻底消除钢坯中的液析碳化物以及由于枝晶偏析所产生的带状组织，从而提高钢的韧性、延展性和等向性等热作模具性能。其消除原理是：

先利用碳以及合金元素与四周存在的较大的浓度梯度，在第一次均质化的处理下将大颗粒链状碳化物、粗大枝晶合金元素偏析迅速扩散至较大的区域内，即进行不稳定扩散。根据菲克第二定律，随扩散时间的延长扩散通量迅速降低，此时通过三向锻造将还没有扩散均匀的液析碳化物、选择性结晶的枝晶偏析区域通过固态流变机械性地重新分布，一方面建立新的具有较大梯度的扩散浓度场，一方面扩大扩散面积，缩短碳与合金元素的扩散距离。在新建立的浓度场的驱动下进行第二次均质化，使碳及合金元素在比较短的时间内扩散，实现了完全均质化，彻底消除液析碳化物以及由于枝晶偏析所产生的带状组织。最后再经过镦拔终锻、晶粒细化、退火，得到最终的产品。

以上过程中，每一步工序的温度、时间对是否能够消除液析碳化物以及由于枝晶偏析所产生的带状组织至关重要。例如，在步骤A和C中，若温度低于下限则均质化效果很差，高于上限可能造成晶间熔化；三向锻造的温度过高或过低或者时间不足都无法形成足够大的浓度场；镦拔终锻的温度低于下限有可能造成开裂，高于上限容易产生晶粒粗大。

由此可见，上述生产方法通过两次均质和两次锻造的交替处理，将两者有机结合，创造出有利于碳与合金元素扩散的动力学条件，彻底消除了钢坯中的液析碳化物以及由于枝晶偏析所产生的带状组织，在与现有技术相当的均质化时间内获得了韧性、延展性、等向性更高的热作模具钢。该生产方法可用于制作多种型号的热作模具钢，例如H13(4Cr5MoSiV1)、及新型Diever类(4Cr5Mo2V)等。

优选地，所述三向锻造中，至少有一次倒棱，这样可以改善组织结构，可以选择任意方向进行倒棱。

优选地，所述三向锻造按照以下顺序进行：钢锭镦拔→X方向拔镦→Y方向倒棱拔镦→Z方向拔长。按照此锻造顺序，获得的扩散浓度场梯度更大，扩散面积更大，并且最后是以镦粗状态进行下一步均质，这样可以改善钢铁的边缘组织。

优选地，在三向锻造过程中，尽量减少重新加热的次数，以节约能耗。

优选地，在均质和锻造过程中，加热时尽量保证钢锭或钢坯的中心达到预设温度，以保证各个区域都能充分均质或塑性变形。

优选地，所述晶粒细化的方法为：

沙坑冷却至钢坯表面温度低于500℃后，再加热至奥氏体化温度以上30-70℃，在此温度下保温30分钟，再以30℃/分钟以上的速度冷却至300℃以下。

优选地，在所述步骤B中，每个方向的镦拔变形率在40％以上，优选在50％以上，以使得中心变形量达到要求，使钢坯各部分的锻造结果均匀，更优选50-60％。

优选地，在所述步骤B中，在三向锻造时，除精整道次外，每道次的压下率在15％以上，优选在20％以上。同样，严格要求每道次的压下率也是为了保证中心变形量达到要求，使钢坯各部分的锻造结果均匀，更优选20-30％。

优选地，所述第二次均质化时长至少为所述第二次均质化时长的2倍，优选为3倍，保证有足够的均质化时间，达到完全均质的目的，从而彻底消除碳化物及偏析现象。

优选地，所述晶粒细化的方法进一步为：

沙坑冷却至钢坯表面温度低于500℃后，再加热至奥氏体化温度以上30-50℃，在此温度下保温20-40分钟(优选保温30分钟)，再以30℃/分钟以上的速度冷却至150℃以下，优选冷却至80-150℃。

采用以上晶粒细化方法后，获得的钢坯内等轴晶更均匀、细小。

优选地，所述退火的方法为：球化退火至材料硬度≤185HB以下，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物。

优选地，所述镦拔终锻的终锻温度在900-950℃，以减少出现开裂现象的概率。

一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢，采用上文所述的高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法制得。

与上文所述，该热作模具钢具有韧性高、延展性高、等向性高等优点。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)在电渣重熔之后，通过两次均质和两次锻造的交替处理，将两者有机结合，创造出有利于碳与合金元素扩散的动力学条件，彻底消除了钢坯中的液析碳化物以及由于枝晶偏析所产生的带状组织，在与现有技术相当的均质化时间内获得了韧性、延展性、等向性更高的热作模具钢。

(2)优化了三向锻造的锻造顺序、变形率、每道次的压下率，使制得的热作模具钢边缘组织质量更高，各区域的质量均匀。

(3)优化了两次均质化时长差，以便彻底消除碳化物及偏析现象。

(4)针对本发明的均质锻造方法，优化出与此相适应的晶粒细化和退火条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为实施例1中三向锻造的流程图；

图2为实施例1中终锻的流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法：

第一步：电渣重熔后经退火的钢锭(材类型号为H13(4Cr5MoSiV1))置于加热炉内加热至1260℃，中心达到设定温度后保温5小时，完成第一次均质。

第二步：在始锻温度为1260℃和终锻温度为900℃下开始三方向强力锻造，锻造顺序如图1所示，即钢锭镦拔→X方向拔镦→Y方向倒棱拔镦→Z方向拔长，每个方向的镦拔变形率在40％以上，除精整道次外，每道次的压下率在15％以上。

第三步：经过三方向强力锻造的钢坯继续加热到均质化温度，钢坯中心达到1260℃后，保温10小时，实现完全均质化。

第四步：完全均质化后的钢坯，缓冷至1150℃，开始一次镦拔、锻造，流程如图2所示，终锻温度在850℃，得到客户需要的尺寸。

第五步：经上述均质化锻造工艺过程后获得的钢材，沙坑冷却至钢坯表面温度低于500℃后，置入加热炉内加热至奥氏体化温度以上30℃，心部到达指定温度后保温20分钟，以降温速度＝30℃/分钟强制冷却至心部到达300℃以下。随后立即进行球化退火至材料硬度≤185HB以下。

实施例2

一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法：

第一步：电渣重熔后经退火的钢锭(材类型号为H13(4Cr5MoSiV1))置于加热炉内加热至1300℃，中心达到设定温度后保温8小时，完成第一次均质。

第二步：在始锻温度为1300℃和终锻温度为900℃下开始三方向强力锻造，锻造顺序为：钢锭镦拔→X方向拔镦→Y方向倒棱拔镦→Z方向拔长，每个方向的镦拔变形率在50％以上；除精整道次外，每道次的压下率在20％以上。

第三步：经过三方向强力锻造的钢坯继续加热到均质化温度，钢坯中心达到1300℃后，保温20小时，实现完全均质化。

第四步：完全均质化后的钢坯，缓冷至1150℃，开始一次镦拔、锻造，终锻温度在950℃，得到客户需要的尺寸。

第五步：经上述均质化锻造工艺过程后获得的钢材，沙坑冷却至钢坯表面温度低于500℃后，置入加热炉内加热至奥氏体化温度以上50℃，心部到达指定温度后保温40分钟，以降温速度＝40℃/分钟强制冷却至心部到达300℃以下。随后立即进行球化退火至材料硬度≤185HB以下。

实施例3

一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法：

第一步：电渣重熔后经退火的钢锭(材类型号为H418(4Cr5Mo2V))置于加热炉内加热至1280℃，中心达到设定温度后保温6小时，完成第一次均质。

第二步：在始锻温度为1260℃和终锻温度为900℃下开始三方向强力锻造，锻造顺序为：钢锭镦拔→X方向拔镦→Y方向倒棱拔镦→Z方向拔长，每个方向的镦拔变形率在50％以上；除精整道次外，每道次的压下率在20％以上。

第三步：经过三方向强力锻造的钢坯继续加热到均质化温度，钢坯中心达到1280℃后，保温20小时，实现完全均质化。

第四步：完全均质化后的钢坯，缓冷至1150℃，开始一次镦拔、锻造，终锻温度在850℃，得到客户需要的尺寸。

第五步：经上述均质化锻造工艺过程后获得的钢材，沙坑冷却至钢坯表面温度低于500℃后，置入加热炉内加热至奥氏体化温度以上30℃，心部到达指定温度后保温30分钟，以降温速度＝30℃/分钟强制冷却至心部到达300℃以下。随后立即进行球化退火至材料硬度≤185HB以下。

实施例4

一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法：

第一步：电渣重熔后经退火的钢锭(材类型号为H13(4Cr5MoSiV1))置于加热炉内加热至1260℃，中心达到设定温度后保温5小时，完成第一次均质。

第二步：在始锻温度为1260℃和终锻温度为900℃下开始三方向强力锻造，锻造顺序为：钢锭镦拔→X方向拔镦→Y方向倒棱拔镦→Z方向拔长，每个方向的镦拔变形率在50％以上；除精整道次外，每道次的压下率在20％以上。

第三步：经过三方向强力锻造的钢坯继续加热到均质化温度，钢坯中心达到1260℃后，保温15小时，实现完全均质化。

第四步：完全均质化后的钢坯，缓冷至1150℃，开始一次镦拔、锻造，终锻温度在950℃，得到客户需要的尺寸。

第五步：经上述均质化锻造工艺过程后获得的钢材，沙坑冷却至钢坯表面温度低于500℃后，置入加热炉内加热至奥氏体化温度以上50℃，心部到达指定温度后保温30分钟，以降温速度＝30℃/分钟强制冷却至心部到达300℃以下。随后立即进行球化退火至材料硬度≤185HB以下。

实施例5

一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法：

第一步：电渣重熔后经退火的钢锭(材类型号为H13(4Cr5MoSiV1))置于加热炉内加热至1260℃，中心达到设定温度后保温5小时，完成第一次均质。

第二步：在始锻温度为1260℃和终锻温度为900℃下开始三方向强力锻造，锻造顺序为：钢锭镦拔→X方向拔镦→Y方向倒棱拔镦→Z方向拔长，每个方向的镦拔变形率在50％以上；除精整道次外，每道次的压下率在20％以上。

第三步：经过三方向强力锻造的钢坯继续加热到均质化温度，钢坯中心达到1260℃后，保温15小时，实现完全均质化。

第四步：完全均质化后的钢坯，缓冷至1100℃，开始一次镦拔、锻造，终锻温度在850℃，得到客户需要的尺寸。

第五步：经上述均质化锻造工艺过程后获得的钢材，沙坑冷却至钢坯表面温度低于500℃后，置入加热炉内加热至奥氏体化温度以上30-50℃，心部到达指定温度后保温30分钟，以降温速度＝30℃/分钟强制冷却至心部到达150℃以下。随后立即进行球化退火至材料硬度≤185HB以下。

实施例6

一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法：

第一步：电渣重熔后经退火的钢锭(新型Diever类(4Cr5Mo2V))置于加热炉内加热至1300℃，中心达到设定温度后保温5小时，完成第一次均质。

第二步：在始锻温度为1260℃和终锻温度为900℃下开始三方向强力锻造，锻造顺序为：钢锭镦拔→X方向倒棱拔镦→Y方向拔镦→Z方向拔长，每个方向的镦拔变形率在50％以上；除精整道次外，每道次的压下率在20％以上。

第三步：经过三方向强力锻造的钢坯继续加热到均质化温度，钢坯中心达到1300℃后，保温15小时，实现完全均质化。

第四步：完全均质化后的钢坯，缓冷至1150℃，开始一次镦拔、锻造，终锻温度在850℃，得到客户需要的尺寸。

第五步：经上述均质化锻造工艺过程后获得的钢材，沙坑冷却至钢坯表面温度低于500℃后，置入加热炉内加热至奥氏体化温度以上30℃，心部到达指定温度后保温30分钟，以降温速度＝30℃/分钟强制冷却至心部到达300℃以下。随后立即进行球化退火至材料硬度≤185HB以下。

实施例7

一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法：

第一步：电渣重熔后经退火的钢锭(材类型号为H13(4Cr5MoSiV1))置于加热炉内加热至1300℃，中心达到设定温度后保温5小时，完成第一次均质。

第二步：在始锻温度为1260℃和终锻温度为900℃下开始三方向强力锻造，锻造顺序为：钢锭镦拔→X方向倒棱拔镦→Y方向倒棱拔镦→Z方向拔长，每个方向的镦拔变形率在50％以上；除精整道次外，每道次的压下率在20％以上。

第三步：经过三方向强力锻造的钢坯继续加热到均质化温度，钢坯中心达到1300℃后，保温15小时，实现完全均质化。

第四步：完全均质化后的钢坯，缓冷至1150℃，开始一次镦拔、锻造，终锻温度在850℃，得到客户需要的尺寸。

第五步：经上述均质化锻造工艺过程后获得的钢材，沙坑冷却至钢坯表面温度低于500℃后，置入加热炉内加热至奥氏体化温度以上30℃，心部到达指定温度后保温30分钟，以降温速度＝30℃/分钟强制冷却至心部到达300℃以下。随后立即进行球化退火至材料硬度≤185HB以下。

实验例

测试上文实施例1-7所得到的热作模具钢的性能，并与现有技术的产品作对照，结果如表1所示。

对照品：进口材料，Dievar(瑞典)。

测试方法：延展性测试方法为以无缺口冲击韧性表示(中心，直径或厚度方向)；等向性以无缺口冲击韧性表示，长度方向与其它方向韧性差别的百分数。

表1热作模具钢的性能

	延展性	等向性
			Dievar	～390J	85％
实施例3	～420J	95％

由表1可知，与现有技术的产品相比，本发明得到模具钢在韧性、延展性、等向性上有显著优越性，完全可以满足大型压铸、大截面有色金属(铝合金)挤出以及精密锻造模具等生产工况条件苛刻的领域。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤A、采用以下方法对电渣重熔后的钢锭进行第一次均质化，得到初次均质的钢锭：在1260-1300℃下均质5-8h；

步骤B、对所述初次均质的钢锭的进行三向锻造，得到三向锻造的钢坯，且所述三向锻造的温度在900℃以上，且始锻温度在所述第一均质化的温度以下；

步骤C、采用以下方法对所述三向锻造的钢坯进行第二次均质化，得到二次均质的钢坯：在1260-1300℃下均质10-20h；

步骤D、对所述二次均质的钢坯进行镦拔终锻，得到二次锻造的钢坯；所述镦拔终锻的始锻温度在1150℃以下，终锻温度在850-950℃；

步骤E、对所述二次锻造的钢坯进行晶粒细化、退火处理，得到产品。

2.根据权利要求1所述的高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法，其特征在于，所述三向锻造中，至少有一次倒棱。

3.根据权利要求2所述的高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法，其特征在于，所述三向锻造按照以下顺序进行：钢锭镦拔→X方向拔镦→Y方向倒棱拔镦→Z方向拔长。

4.根据权利要求1所述的高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法，其特征在于，在所述步骤B中，每个方向的镦拔变形率在40％以上，优选在50％以上。

5.根据权利要求1所述的高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法，其特征在于，在所述步骤B中，在三向锻造时，除精整道次外，每道次的压下率在15％以上，优选在20％以上。

6.根据权利要求1所述的高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法，其特征在于，在所述步骤B中，在三向锻造时，除精整道次外，每道次的压下率在20％以上。

7.根据权利要求1所述的高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法，其特征在于，所述第二次均质化时长至少为所述第二次均质化时长的2倍。

8.根据权利要求1所述的高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法，其特征在于，所述晶粒细化的方法为：

沙坑冷却至钢坯表面温度低于500℃后，再加热至奥氏体化温度以上30-70℃，在此温度下保温20-40分钟，再以30℃/分钟以上的速度冷却至300℃以下。

9.根据权利要求8所述的高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法，其特征在于，所述晶粒细化的方法进一步为：

沙坑冷却至钢坯表面温度低于500℃后，再加热至奥氏体化温度以上30-50℃，在此温度下保温20-40分钟，再以30℃/分钟以上的速度冷却至150℃以下，优选冷却至80-150℃。

10.根据权利要求1所述的高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法，其特征在于，所述退火的方法为：球化退火至材料硬度≤185HB以下。