CN107904510A - 一种综合高性能的热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本技术提出了一种所述高性能热作模具钢及其制备方法，成分为：C：0.25~0.35%；Si：0.6~0.8%；Mn：0.8~1.0%；Cr：3.75~4.5%，Mo：1.0~1.65%，Y：0.01~0.03%，Ir：0.02~0.05%，Sr：0.01~0.03%，V：0.2~0.6%，P£0.03%，S£0.03%，余量为Fe，以重量百分比计。制备过程如下：(1)熔炼；(2)精炼；(3)VD真空脱气；(4)浇铸；(5)电渣重熔；(6)锻造；(7)退火；(8)双细化，最终制得热作模具钢。该模具钢具有较好的热稳定性，可以在700℃条件下，保持较高硬度，硬度在HRC45以上；本发明的热作模具钢具有高的高温强度，本发明制得的热作模具钢具有较高的硬度，冲击韧性、抗回火（热疲劳）性能优良；具有配比优化、钢质纯净、组织均匀、高强度、强韧性、抗回火性能好等优点，因而提高热作模具钢的使用寿命。

Description

一种综合高性能的热作模具钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢铁熔炼领域，属于冶金技术。是开发一种新型的热作模具钢。
背景技术
热作模具钢主要用来制作热锻模、热挤压模、热冲裁模等，主要在高温高载荷条件下工作，工作条件极其复杂，为了满足热作模具的使用要求，热作模具钢应具有较高的高温强度和韧性，较好的耐磨性能，较高的热稳定性，优良的耐热疲劳性，导热性等。由于钢的力学性能主要取决于成分及工艺，传统的热作模具钢有H13、H11等的Cr-Mo-V系或3Cr2W8V等的Cr-W-V系。这类模具钢具有良好的综合力学性能，得到了广泛的应用。但是这类热作模具钢不适用于较为复杂或条件苛刻的工况，如更高的服役温度(650℃以上)、高温下长时间服役或要求高生产效率和高寿命的服役场合。这些工况要求模具材料具有更高的抗回火软化能力、良好的热稳定性、高热导率和良好的热疲劳性能。所以需要开发新的合金钢来满足热作模具钢的使用要求。
与国外相比，我国是热作模具钢的生产大国，而不是生产强国，我国模具钢的纯净度不高、红硬性较低等，所以亟待开发新的生产工艺，以提高我国热作模具钢的质量。
根据当前现状，本专利提出了新的热作模具钢的合金成分配比及熔炼方法，得到纯净度较高的模具钢，从而保证其具有较高的强度韧性等综合性能。
发明内容
本发明针对当前热作模具钢的高温强度不足、热导率较低等问题，提供一种新型高强热作模具钢及其制备方法。具体技术方案如下：
一种高性能热作模具钢，通过对H13模具钢进行改进，其特征在于，基体由如下组分组成：C：0.25～0.35％；Si：0.6～0.8％；Mn：0.8～1.0％；Cr：3.75～4.5％，Mo：1.0～1.65％，Y：0.01～0.03％，Ir：0.02～0.05％，Sr：0.01～0.03％，V：0.2～0.6％，P≤0.03％，S≤0.03％，余量为Fe，以重量百分比计。
表1不同成分的配比
炉号 C Mn P S Si Cr Mo V Y Ir Sr Fe
#1 0.35 0.83 0.03 0.02 0.80 4.11 1.23 0.32 0.01 0.02 0.03 余量
#2 0.35 0.85 0.02 0.03 0.8 3.91 1.30 0.34 0.01 0.05 0.01 余量
#3 0.34 0.86 0.03 0.02 0.78 4.05 1.27 0.35 0.01 0.03 0.02 余量
#4 0.25 0.8 0.03 0.02 0.75 4.3 1.5 0.3 0.02 0.04 0.01 余量
#5 0.26 0.9 0.03 0.02 0.7 4.0 1.2 0.4 0.02 0.02 0.03 余量
#6 0.3 0.95 0.03 0.02 0.7 3.8 1.4 0.5 0.02 0.05 0.02 余量
#7 0.32 1.0 0.03 0.02 0.6 3.9 1.5 0.25 0.03 0.02 0.02 余量
#8 0.28 0.9 0.03 0.02 0.65 4.2 1.6 0.5 0.03 0.01 0.02 余量
#9 0.31 1.0 0.03 0.02 0.75 4.5 1.2 0.4 0.03 0.01 0.01 余量
#10 0.33 0.9 0.03 0.02 0.6 3.75 1.65 0.3 0.03 0.01 0.03 余量
按照表1的成分设计，熔炼10炉不同成分的模具钢，按如下方法制备：
1)电弧炉熔炼：采用电弧炉熔化金属料及废钢并粗调成分。加入2～3％左右的CaO和和1％左右的FeO进行造渣，控制碱度在5～7之间，进行脱磷，控制出炉钢P≤30ppm；在出钢过程中加入中间合金添加剂，出钢温度1650～1700℃，出钢时C≤0.35％，留钢无渣出钢；
2)LF炉精炼：通过LF精炼炉调整合金成分并脱氧(真空碳脱氧，如果用Al进行脱氧，容易造成氧化铝夹杂)、脱硫，控制S≤30ppm；wp<0.003％，wH<2×10-6，wO<30×10-6的钢液，钢包吹氩压力控制在0.3～0.5MPa，过程w(C)控制在0.25％～0.35％；总渣量控制在吨钢20～25kg；渣系控制：二元碱度2～2.5及合适的Al2O3含量，确保精炼渣有适宜的碱度与流动性；精炼采用CaO-Al2O3渣系，精炼渣化学成分为：w(CaO)/％含量50％；w(SiO2)/％含量15％；w(MgO)/％含量10％；w(Al2O3)/％含量20％；w(CaF2)/％含量5％。
3)VD真空脱气：VD要求真空度≤0.1KPa，目标值为0.06KPa，深真空时间不小于15min，吹氩流量200L/min,破空后搅拌15min，用VD装置处理钢水后，喂入硅钙包芯丝，喂Al进行深度脱氧。
4)浇铸：控制拉坯速度恒定，拉坯速度为1.1～1.3m/min，拉速波动小于±0.1m/min，二冷段采用弱冷，保证铸坯，减小结晶器内液面的波动，在氩气保护下进行浇铸，电搅参数：频率3.0～5.0Hz、电流120～150A。
5)电渣重熔：采用的渣系主要成分的重量配比为：50％CaF2，10％-CaO，20％Al2O3，8％MgO，8％SiO2，4％FeO六元渣系，在氩气保护气氛下电渣重熔,烘烤温度820℃保温时间12h，保护罩内氧含量80ppm熔速为420kg/h。电渣重熔过程分阶段控制冶炼电流和电压，控制范围：电压60～80V、电流7000～10000A，结晶器冷却水出水温度：40～50℃。
6)锻造：采用三镦三拔变形工艺，拔长比/镦粗比≤2，避免单方向锻比太大，加重带状偏析。镦粗坯及过程坯按3～6h回烧，最后一次锻比≥1.5。开锻温度≥1050℃，终锻温度≥900℃；初始锻造压下量要求控制在30～40mm，待塑性增加后控制200～250mm/次的大压下量；锻造结束后，钢件空冷至600～650℃后及时如保温坑缓冷，缓冷时间在不少于50h，出坑温度≤120℃。
7)退火：工艺要点：860～890℃加热，保温时间3～4h。700～720℃等温4～6h，炉冷至500℃出炉空冷，再次入炉升温加热至680～700℃进行去氢退火，保温24h。
8)双细化：固溶双细化处理工艺：1120℃真空加热淬火+600℃回火+950℃真空加热淬火到1000℃真空加热淬火+200℃回火。淬火加热在真空热处理炉中进行。
进一步，上述步骤2)中的渣系的组成(重量百分比)为：w(CaO)/％含量50％；w(SiO2)/％含量15％；w(MgO)/％含量10％；w(Al2O3)/％含量20％；w(CaF2)/％含量5％。
进一步，上述步骤5)中电渣渣系主要成分的重量配比为：50％CaF2，10％-CaO，20％Al2O3，8％MgO，8％SiO2，4％FeO六元渣系。
进一步，上述步骤6)中采用三镦三拔变形工艺，拔长比/镦粗比≤2。
进一步，上述步骤7):860～890℃加热，保温时间3～4h。700～720℃等温4～6h，炉冷至500℃出炉空冷，再次入炉升温加热至680～700℃进行去氢退火，保温24h。
进一步，上述步骤8)中:1120℃真空加热淬火+600℃回火+950℃真空加热淬火到1000℃真空加热淬火+200℃回火。淬火加热在真空热处理炉中进行。
本发明具有如下有益效果：
该模具钢的最大优点是：热稳定性好，可以在700℃条件下，保持较高硬度，硬度在HRC45以上；本发明的热作模具钢具有高的高温强度，该钢的机械性能可以达到：抗拉强度Rm≥1850Mpa，Aku≥70J，断裂韧性KIC≥45MN·m-3/2。
本发明制得的热作模具钢具有较高的红硬性，冲击韧性、抗回火(热疲劳)性能优良；具有钢质纯净、组织均匀、高强度、强韧性、抗回火性能好等优点，因而提高热作模具钢的使用寿命。
附图说明
图1：为本发明模具钢热稳定性测试结果图。
图2：为本发明模具钢热导率测试结果图。
图3：为本发明模具钢热疲劳性测试结果图。
具体实施方式
以每100吨钢为例，冶炼工艺如下：
1)电弧炉熔炼
采用电弧炉熔化金属料及废钢并粗调成分。加入2～3％左右的CaO和和1％左右的FeO进行造渣，控制碱度在5～7之间，进行脱磷，控制出炉钢P≤30ppm；在出钢过程中加入中间合金添加剂(铁硅合金，锰铁合金，Fe-Cr合金，Fe-Mo合金，Fe-V合金等)，出钢温度1650～1700℃，出钢时C≤0.35％，随钢液加入铝(每吨钢液加入1Kg)、预熔渣200～300kg，留钢无渣出钢；
2)LF炉精炼：通过LF精炼炉调整合金成分并脱氧(真空碳脱氧，如果用Al进行脱氧，容易造成氧化铝夹杂)、脱硫，控制S≤30ppm；wp<0.003％，wH<2×10-6，wO<30×10-6的钢液，有效地去除硫、磷、氢、氧等有害元素。采用无铝渣系，在精炼过程造白渣，(LF快速而稳定的造出流动性好并有一定乳化性的还原性白渣，是LF脱硫、吸附夹杂及保证钢水质量所必需的)。降低炉渣氧化性，进行(加入石灰和萤石进行深脱硫)脱硫和脱氧。整个过程在氩气保护下进行，并进行温度和成分调整。炉料配比：将Cr-Fe、Mn-Fe、Si-Fe、Mo-Fe、Al-Fe等中间合金粉碎后，以包芯线的形式用喂线机加入钢包中，加入中间合金添加剂(Cr-Fe、Mo-Fe等)进行微调，加入增碳剂，LF精炼结束进行终脱氧，采用Fe-Al与稀土硅联合脱氧，Fe-Al与稀土硅用量分别为钢液总重量的0.1％和0.15％。调整合金成分并脱硫，控制硫含量≤0.003wt％。各种化学成分按内控中限目标值控制。LF精炼要点：
(1)精炼过程，钢包吹氩压力控制在0.3～0.5MPa，过程w(C)控制在0.25％～0.35％；
(2)精炼时，总渣量控制在吨钢20～25kg；渣系控制：二元碱度2～3及合适的Al2O3含量，确保精炼渣有适宜的碱度与流动性；
(3)精炼采用CaO-Al2O3渣系，精炼渣化学成分为：w(CaO)/％含量50％；w(SiO2)/％含量15％；w(MgO)/％含量10％；w(Al2O3)/％含量20％；w(CaF2)/％含量5％；本渣系具有较好的流动性，有利于改善脱硫的动力学条件。
3)VD真空脱气
VD要求真空度≤0.1KPa，目标值为0.06KPa，深真空时间不小于15min，吹氩流量200L/min,破空后搅拌15min，确保钢液面不暴露，用VD装置处理钢水后，喂入硅钙包芯丝，喂Al进行深度脱氧。VD脱气后S含量≤10ppm，N含量≤50ppm；
VD脱气处理要点：
(1)真空度67Pa，深真空时间不小于15min；
(2)破真空后，软吹氩时间≥15min；
(3)真空脱气后取样，要求钢液中w(H)≤1.0×10-6。
按照表1成分试验10炉，钢水化学成分分析表明钢水成分控制稳定，变化幅度小，各成分控制在钢种要求之内，可见上述工艺满足冶炼此钢种成分要求。
4)浇注：控制拉坯速度恒定，拉坯速度为1.1～1.3m/min，拉速波动小于±0.1m/min，二冷段采用弱冷，保证铸坯，减小结晶器内液面的波动，在氩气保护下进行浇铸，为避免铸坯缩孔、裂纹等缺陷的出现，钢水过热度控制在20～30℃。拉坯进行严格的低温保护浇铸，中间包碱性覆盖剂，长水口浸入式开浇。为防止铸坯中心成分偏析，确保铸坯内部质量，连铸时采用结晶器电磁搅拌，电搅参数：频率3.0～5.0Hz、电流120～150A；坯料纯净度水平稳定，夹杂物水平均小于1.0级；
5)电渣重熔：采用的渣系主要成分的重量配比为：50％CaF2，10％-CaO，20％Al2O3，8％MgO，8％SiO2，4％FeO六元渣系，在氩气保护气氛下电渣重熔,烘烤温度820℃保温时间12h，保护罩内氧含量80ppm，熔速为420kg/h。
电渣重熔要点：
(1)电渣重熔过程分阶段控制冶炼电流和电压，控制范围：电压60～80V、电流7000～10000A，结晶器冷却水出水温度：40～50℃；
(2)电渣重熔全过程采用自主设计的氩气保护装置，使钢液在熔炼过程中始终有惰性气体保护，有效地防止钢液的二次氧化；
(3)为稳定质量，采用多次(不少于2次)电渣熔炼工艺。
6)锻造
采用三镦三拔变形工艺，拔长比/镦粗比≤2，避免单方向锻比太大，加重带状偏析。镦粗坯及过程坯按3～6h回烧，最后一次锻比≥1.5，终锻温度850～900℃。锻造压缩比≥7。
锻造要点：
(1)开锻温度≥1050℃，终锻温度≥900℃；
(2)钢锭初始锻造压下量要求控制在30～40mm，待塑性增加后控制200～250mm/次的大压下量；
锻造结束后，钢件空冷至600～650℃后及时如保温坑缓冷，缓冷时间在不少于50h，出坑温度≤120℃。
7)退火
工艺要点：860～890℃加热，700～720℃等温4～6h，炉冷至500℃出炉空冷，再次入炉升温加热至680～700℃进行去氢退火，保温24h；
8)双细化：固溶双细化处理工艺：1120℃真空加热淬火+600℃回火+950℃真空加热淬火到1000℃真空加热淬火+200℃回火。淬火加热在真空热处理炉中进行。
经检验，该工艺生产的钢具有良好的纵、横向强韧性能，钢质纯净度高，各项技术指标均符合超高强度钢的要求，在硬度可以达到55～60HRC，冲击韧性达到30J/cm2，抗拉强度可以达到1900Mpa。
经过电渣重熔，钢中的平均总氧含量T[O]为20×10-6，平均氮含量T[N]为90×10-6，夹杂物主要以氧化铝、硫化锰及氮化物；夹杂物尺寸集中在5um左右，较大尺寸的夹杂物为8um左右。满足对该钢种洁净度的要求。
性能测试：
将上述冶炼方法得到的模具钢试样进行性能测试，并与H13钢进行性能对比，对比结果如下：
1、硬度测试：表2为硬度测试结果；
经1000℃淬火，400～600℃回火，进行硬度测试，表2为硬度测试结果。
表2硬度测试
2、冲击韧性测试：试样尺寸为10×10×55mm，采用国家标准进行室温冲击功测试，表3为冲击韧性实验结果。
表3冲击韧性
钢种 室温冲击功
实施例#1 30
实施例#2 29
实施例#3 30
实施例#4 29
实施例#5 28
实施例#6 29
实施例#7 28
实施例#8 28
实施例#9 27
实施例#10 26
H13模具钢 23
3、热稳定性测试：对上述方法得到的模具钢试样进行热稳定性测试，见图1。
4、热传导性能测试：对上述方法得到的模具钢试样进行热稳定性测试。
合金材料热导率的计算公式为：
λ＝αρCp (1)
其中：α为热扩散率；ρ为密度；Cp为比热容。
分别测试α、ρ、Cp随温度变化的具体数值，计算出对应的热导率值，结果如图2所示。
5、热疲劳性能测试：对上述方法得到的模具钢试样进行热疲劳性测试。
从图3热疲劳测试可以看出，本模具钢经过3000次热循环后，裂纹细小，热疲劳性能优于H13钢。
结论：根据以上实验可见，本模具钢具有较高的热稳定性、耐热性和耐高温性能；横向冲击功30J，具有较好的韧性，性能优于H13。

Claims (6)

1.一种高性能热作模具钢，其特征在于包括以下组分：
C：0.25～0.35％；Si：0.6～0.8％；Mn：0.8～1.0％；Cr：3.75～4.5％，Mo：1.0～1.65％，Y：0.01～0.03％，Ir：0.02～0.05％，Sr：0.01～0.03％，V：0.2～0.6％，P≤0.03％，S≤0.03％，余量为Fe，以重量百分比计。
2.根据权利要求1所述的高性能热作模具钢的制备方法，其特征在于采用以下步骤:
(1)电弧炉熔炼：采用电弧炉熔化金属料及废钢并粗调成分，加入2～3％左右的CaO和和1％左右的FeO进行造渣，控制碱度在5～7之间，进行脱磷，控制出炉钢P≤30ppm；在出钢过程中加入中间合金添加剂，出钢温度1650～1700℃，出钢时C≤0.35％，留钢无渣出钢；
(2)LF炉精炼：通过LF精炼炉调整合金成分并脱氧、脱硫，控制S≤30ppm；wp<0.003％，wH<2×10-6，wO<30×10-6的钢液，过程w(C)控制在0.25％～0.35％；总渣量控制在吨钢20～25kg；渣系控制：二元碱度2～2.5及合适的Al2O3含量，精炼采用CaO-Al2O3渣系，精炼渣化学成分为：w(CaO)/％含量50％；w(SiO2)/％含量15％；w(MgO)/％含量10％；w(Al2O3)/％含量20％；w(CaF2)/％含量5％；
(3)VD真空脱气：VD要求真空度≤0.1KPa，目标值为0.06KPa，深真空时间不小于15min，吹氩流量200L/min,破空后搅拌15min，用VD装置处理钢水后，喂入硅钙包芯丝，喂Al进行深度脱氧；
(4)浇铸：控制拉坯速度恒定，拉坯速度为1.1～1.3m/min，拉速波动小于±0.1m/min，二冷段采用弱冷，保证铸坯，减小结晶器内液面的波动，在氩气保护下进行浇铸，电搅参数：频率3.0～5.0Hz、电流120～150A；
(5)电渣重熔：采用的渣系主要成分的重量配比为：50％CaF2，10％-CaO，20％Al2O3，8％MgO，8％SiO2，4％FeO六元渣系，在氩气保护气氛下电渣重熔,烘烤温度820℃保温时间12h，保护罩内氧含量80ppm熔速为420kg/h。电渣重熔过程分阶段控制冶炼电流和电压，控制范围：电压60～80V、电流7000～10000A，结晶器冷却水出水温度：40～50℃；
(6)锻造：采用三镦三拔变形工艺，拔长比/镦粗比≤2，镦粗坯及过程坯按3～6h回烧，最后一次锻比≥1.5，终锻温度850～900℃；开锻温度≥1050℃，终锻温度≥900℃；初始锻造压下量要求控制在30～40mm，待塑性增加后控制200～250mm/次的大压下量；锻造结束后，钢件空冷至600～650℃后及时如保温坑缓冷，缓冷时间在不少于50h，出坑温度≤120℃；
(7)退火：工艺要点：860～890℃加热，保温时间3～4h。700～720℃等温4～6h，炉冷至500℃出炉空冷，再次入炉升温加热至680～700℃进行去氢退火，保温24h；
(8)双细化：固溶双细化处理工艺：1120℃真空加热淬火+600℃回火+950℃真空加热淬火到1000℃真空加热淬火+200℃回火；淬火加热在真空热处理炉中进行。
3.根据权利要求2所述高性能热作模具钢的制备方法，其特征在于步骤2)中的渣系的组成(重量百分比)为：w(CaO)/％含量50％；w(SiO2)/％含量15％；w(MgO)/％含量10％；w(Al2O3)/％含量20％；w(CaF2)/％含量5％。
4.根据权利要求2所述高性能热作模具钢的制备方法，其特征在于步骤5)中电渣渣系主要成分的重量配比为：50％CaF2，10％-CaO，20％Al2O3，8％MgO，8％SiO2，4％FeO六元渣系。
5.根据权利要求2所述高性能热作模具钢的制备方法，其特征在于步骤7):860～890℃加热，保温时间3～4h；700～720℃等温4～6h，炉冷至500℃出炉空冷，再次入炉升温加热至680～700℃进行去氢退火，保温24h。
6.根据权利要求2所述高性能热作模具钢的制备方法，其特征在于步骤8:1120℃真空加热淬火+600℃回火+950℃真空加热淬火到1000℃真空加热淬火+200℃回火，淬火加热在真空热处理炉中进行。
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