CN108441766A - 一种具有优良机械性能模具钢的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有优良机械性能模具钢的制备方法，涉及模具钢制造技术领域，包括以下步骤：熔炼、浇铸、电渣重熔、锻造、热处理。本发明的模具钢制备简单方便，具有优良的机械强度、抗冲击韧性、耐腐蚀性、耐磨抗氧化性等特点，经久耐用，应用广泛。

Description

一种具有优良机械性能模具钢的制备方法
技术领域
本发明涉及模具钢制造技术领域，具体涉及一种具有优良机械性能模具钢的制备方法。
背景技术
模具钢是用来制造冷冲模、热锻模压铸模等模具的钢种。模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本，而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具自身材料、制备及热处理工艺的影响。而随着科学技术的进步及社会发展需求，对模具材料的要求越来越高，尤其是大型模具材料，其产出的成品体积较大，若是使用的模具综合性能存在不足缺陷，将会给制造企业带来严重的损失；而现有的模具材料已经逐渐无法满足市场及企业的需要，因此，研制出一种组织结构稳定、机械性能优良的模具钢材料相当有必要。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有优良机械性能模具钢的制备方法，该种模具钢制备简单方便，综合性能优良。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种具有优良机械性能模具钢的制备方法，按照以下步骤进行。
(1)熔炼及精炼：将废钢、增碳剂、合金等工业原料加入到熔炼炉中进行熔融，调整熔液成份，再转入LF炉，加入精炼剂，在温度为1540-1580℃条件下精炼80-100min，随后在VD真空脱气炉中真空脱气25-30min；
(2)浇铸及电渣重熔：将步骤(1)得到的钢水进行浇铸，浇铸期间余压控制在1.10-1.15kPa，之后作为自耗电极进行电渣重熔，其电压设定为50-55V，电流设定为5500-6500A，重熔结束，在温度为840-860℃条件下恒温退火6-8h，得钢锭；
(3)锻造
初锻：将钢锭在温度1110-1120℃条件下初锻2-2.5h，得锻坯；
保温成型：再在温度为980-1020℃条件下保温3.5-4.5h，锻造得初步成型的半成品锻件；
终锻：将所述半成品锻件在温度870-880℃条件下终锻70-80min，风冷后得成品锻件；
(4)热处理
预热：将所述成品锻件加热至480-500℃，保温1-1.5h；再加热至660-680℃，保温80-100min；
淬火：将预热后的锻件以15-20℃/s的升温速率加热至960-980℃，保温110-120min后经淬火剂水冷；
回火：将淬火后的锻件置于回火炉中，通过以下阶段进行回火处理；
回火一段：在温度为510-520℃条件下保温40-50min；
回火二段：在温度为360-380℃条件下保温35-45min；
回火三段：在温度为180-200℃条件下保温60-70min。
进一步地，上述模具钢包括以下按重量百分比计的化学成分：C：0.95-1.05％、Si：0.76-0.80％、Mn：0.16-0.20％、Al：0.11-0.13％、Mg：0.04-0.08％、Zn：0.01-0.05％、Ba：0.01-0.05％、Sn：0.23-0.27％、Bi：0.15-0.21％、Be：0.08-0.12％、Ti：0.11-0.15％、Nb：0.07-0.09％、Tl：0.05-0.1％、Sc：0.02-0.04％、Nd：0.18-0.22％、Te：0.01-0.05％、B：0.006-0.01％、N：0.004-0.008％，余量为Fe。
更进一步地，上述模具钢包括以下按重量百分比计的化学成分：C：1.0％、Si：0.78％、Mn：0.18％、Al：0.12％、Mg：0.06％、Zn：0.03％、Ba：0.03％、Sn：0.25％、Bi：0.18％、Be：0.1％、Ti：0.13％、Nb：0.08％、Tl：0.07％、Sc：0.03％、Nd：0.20％、Te：0.03％、B：0.008％、N：0.006％，余量为Fe。
优选地，在上述步骤(1)中，精炼剂为氧化钙、氟硅酸钠、冰晶石粉、鱼眼石粉、铝矾土按质量比3:1:1:1:2组成的混合物。
进一步地，在上述步骤(1)中，真空脱气炉的真空度设定为55-60Pa，熔炼温度控制在1480-1520℃。
进一步地，在上述步骤(2)中，钢水浇铸温度设定为1360-1370℃，浇铸速度控制在2-2.5m/s。
进一步地，在上述步骤(2)中，电渣重熔过程中还加入质量比为5:2:1:3的CaF2-CaO-SiO2-Al2O3四元渣系。
进一步地，在上述步骤(4)中，淬火剂包括以下按重量份计的原料：乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液3-5份、石蜡树脂2-3份、氟碳化合物0.3-0.5份、异构醇聚氧乙烯醚1-2份、椰油酸二乙醇酰胺0.2-0.4份、聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯0.5-1.5份、二烷基二硫代磷酸锌0.1-0.3份、聚乙氧基烷基酚0.6-0.8份、羟甲基纤维素0.8-1.2份、活性铝矾土3-5份、十二烷基硫酸钠0.4-0.6份、丙三醇3-4份、二甲基亚砜1-1.2份、琥珀酸二异辛酯磺酸钠0.5-0.7份、消泡剂1-1.5份、稳定剂2-3份、抗氧化剂1-2份、防腐剂3-5份和磁化水100-120份。
本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明中使用的淬火剂绿色环保无毒害，可提高锻件表面光泽度及淬透性能，大大地改善淬火后锻件的表面性能，提高锻件表面的硬度、强度、韧性、耐磨性以及耐腐蚀性能，降低锻件内应力，减小淬火件的形变量，有效避免了锻件出现淬裂等不良情况；
(2)本发明的模具材料通过对其元素成分的选用及调配，使各元素在熔炼过程中能形成多种复杂合金化合物及弥散性高温强化相，能够细化晶粒，抑制不锈钢组织的蠕变变形，改善其综合性能；具有超高的机械性能强度；表面硬度高耐磨、耐腐蚀抗氧化、韧性好抗外力冲击、耐高温热震性能优良，经久耐用，应用广泛；
(3)本发明的模具材料制备工艺简单方便，通过对熔炼、浇铸及电渣重熔、锻造、热处理等工序的改进及参数的优化，改善了模具钢材料的金相结构和铸态组织，提高了固溶体的过饱和度，并减少了粗大未溶结晶相，调控了晶界析出相的大小和分布，增强了不锈钢板料的致密性和稳定性，提高了其机械强度和韧性；
(4)本发明的模具材料具有优良的抗疲劳性能、延展性、韧性及塑性，能够避免挤压、冲击、拉伸等过程中的出现开裂、断裂等质量不良的现象，提高了成材率，大大满足了市场及企业对高性能模具钢材料的需求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种具有优良机械性能模具钢的制备方法，按照以下步骤进行。
(1)熔炼及精炼：将废钢、增碳剂、合金等工业原料加入到熔炼炉中进行熔融，调整熔液成份如下：C：0.95％、Si：0.76％、Mn：0.16％、Al：0.11％、Mg：0.04％、Zn：0.01％、Ba：0.01％、Sn：0.23％、Bi：0.15％、Be：0.08％、Ti：0.11％、Nb：0.07％、Tl：0.05％、Sc：0.02％、Nd：0.18％、Te：0.01％、B：0.006％、N：0.004％，余量为Fe；
接着再转入LF炉，加入精炼剂，在温度为1540℃条件下精炼100min，随后在真空度为55Pa、温度为1480℃的VD真空脱气炉中真空脱气30min；
上述精炼剂是由氧化钙、氟硅酸钠、冰晶石粉、鱼眼石粉、铝矾土按质量比3:1:1:1:2组成的混合物；
(2)浇铸及电渣重熔：将步骤(1)得到的钢水进行浇铸，控制钢水浇铸温度在1360℃，浇铸速度在2m/s，浇铸期间余压控制在1.10kPa，之后作为自耗电极，加入质量比为5:2:1:3的CaF2-CaO-SiO2-Al2O3四元渣系进行电渣重熔，其电压设定为50V，电流设定为5500A，重熔结束，在温度为840℃条件下恒温退火8h，得钢锭；
(3)锻造
初锻：将钢锭在温度1110℃条件下初锻2.5h，得锻坯；
保温成型：再在温度为980℃条件下保温4.5h，锻造得初步成型的半成品锻件；
终锻：将半成品锻件在温度870℃条件下终锻80min，风冷后得成品锻件；
(4)热处理
预热：将成品锻件加热至480℃，保温1.5h；再加热至660℃，保温100min；
淬火：将预热后的锻件以15℃/s的升温速率加热至960℃，保温120min后经淬火剂水冷；
上述淬火剂由以下重量份的原料组成：乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液3份、石蜡树脂2份、氟碳化合物0.3份、异构醇聚氧乙烯醚1份、椰油酸二乙醇酰胺0.2份、聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯0.5份、二烷基二硫代磷酸锌0.1份、聚乙氧基烷基酚0.6份、羟甲基纤维素0.8份、活性铝矾土3份、十二烷基硫酸钠0.4份、丙三醇3份、二甲基亚砜1份、琥珀酸二异辛酯磺酸钠0.5份、消泡剂：聚二甲基硅氧烷1份、稳定剂：1,3-二甲基脲2份、抗氧化剂1份、防腐剂3份和磁化水100份。
回火：将淬火后的锻件置于回火炉中，通过以下阶段进行回火处理；
回火一段：在温度为510℃条件下保温50min；
回火二段：在温度为360℃条件下保温45min；
回火三段：在温度为180℃条件下保温70min。
实施例2
一种具有优良机械性能模具钢的制备方法，按照以下步骤进行。
(1)熔炼及精炼：将废钢、增碳剂、合金等工业原料加入到熔炼炉中进行熔融，调整熔液成份如下：C：1.0％、Si：0.78％、Mn：0.18％、Al：0.12％、Mg：0.06％、Zn：0.03％、Ba：0.03％、Sn：0.25％、Bi：0.18％、Be：0.1％、Ti：0.13％、Nb：0.08％、Tl：0.07％、Sc：0.03％、Nd：0.20％、Te：0.03％、B：0.008％、N：0.006％，余量为Fe；
接着再转入LF炉，加入精炼剂，在温度为1560℃条件下精炼90min，随后在真空度为58Pa、温度为1500℃的VD真空脱气炉中真空脱气28min；
上述精炼剂是由氧化钙、氟硅酸钠、冰晶石粉、鱼眼石粉、铝矾土按质量比3:1:1:1:2组成的混合物；
(2)浇铸及电渣重熔：将步骤(1)得到的钢水进行浇铸，控制钢水浇铸温度在1365℃，浇铸速度在2.2m/s，浇铸期间余压控制在1.12kPa，之后作为自耗电极，加入质量比为5:2:1:3的CaF2-CaO-SiO2-Al2O3四元渣系进行电渣重熔，其电压设定为55V，电流设定为6500A，重熔结束，在温度为850℃条件下恒温退火7h，得钢锭；
(3)锻造
初锻：将钢锭在温度1115℃条件下初锻2.5h，得锻坯；
保温成型：再在温度为1000℃条件下保温4h，锻造得初步成型的半成品锻件；
终锻：将半成品锻件在温度875℃条件下终锻75min，风冷后得成品锻件；
(4)热处理
预热：将成品锻件加热至490℃，保温1.5h；再加热至670℃，保温90min；
淬火：将预热后的锻件以20℃/s的升温速率加热至970℃，保温115min后经淬火剂水冷；
上述淬火剂由以下重量份的原料组成：乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液4份、石蜡树脂2.5份、氟碳化合物0.4份、异构醇聚氧乙烯醚1.5份、椰油酸二乙醇酰胺0.3份、聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯1份、二烷基二硫代磷酸锌0.2份、聚乙氧基烷基酚0.7份、羟甲基纤维素1份、活性铝矾土4份、十二烷基硫酸钠0.5份、丙三醇3.5份、二甲基亚砜1.1份、琥珀酸二异辛酯磺酸钠0.6份、消泡剂：聚二甲基硅油1.25份、稳定剂：叔丁基对苯二酚2.5份、抗氧化剂1.5份、防腐剂4份和磁化水110份。
回火：将淬火后的锻件置于回火炉中，通过以下阶段进行回火处理；
回火一段：在温度为515℃条件下保温45min；
回火二段：在温度为370℃条件下保温40min；
回火三段：在温度为190℃条件下保温65min。
实施例3
一种具有优良机械性能模具钢的制备方法，按照以下步骤进行。
(1)熔炼及精炼：将废钢、增碳剂、合金等工业原料加入到熔炼炉中进行熔融，调整熔液成份如下：C：1.05％、Si：0.80％、Mn：0.20％、Al：0.13％、Mg：0.08％、Zn：0.05％、Ba：0.05％、Sn：0.27％、Bi：0.21％、Be：0.12％、Ti：0.15％、Nb：0.09％、Tl：0.1％、Sc：0.04％、Nd：0.22％、Te：0.05％、B：0.01％、N：0.008％，余量为Fe；
接着再转入LF炉，加入精炼剂，在温度为1580℃条件下精炼80min，随后在真空度为60Pa、温度为1520℃的VD真空脱气炉中真空脱气25min；
上述精炼剂是由氧化钙、氟硅酸钠、冰晶石粉、鱼眼石粉、铝矾土按质量比3:1:1:1:2组成的混合物；
(2)浇铸及电渣重熔：将步骤(1)得到的钢水进行浇铸，控制钢水浇铸温度在1370℃，浇铸速度在2.5m/s，浇铸期间余压控制在1.15kPa，之后作为自耗电极，加入质量比为5:2:1:3的CaF2-CaO-SiO2-Al2O3四元渣系进行电渣重熔，其电压设定为55V，电流设定为6500A，重熔结束，在温度为860℃条件下恒温退火6h，得钢锭；
(3)锻造
初锻：将钢锭在温度1120℃条件下初锻2h，得锻坯；
保温成型：再在温度为1020℃条件下保温3.5h，锻造得初步成型的半成品锻件；
终锻：将半成品锻件在温度880℃条件下终锻70min，风冷后得成品锻件；
(4)热处理
预热：将成品锻件加热至500℃，保温1h；再加热至680℃，保温80min；
淬火：将预热后的锻件以20℃/s的升温速率加热至980℃，保温110min后经淬火剂水冷；
上述淬火剂由以下重量份的原料组成：乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液5份、石蜡树脂3份、氟碳化合物0.5份、异构醇聚氧乙烯醚2份、椰油酸二乙醇酰胺0.4份、聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯1.5份、二烷基二硫代磷酸锌0.3份、聚乙氧基烷基酚0.8份、羟甲基纤维素1.2份、活性铝矾土5份、十二烷基硫酸钠0.6份、丙三醇4份、二甲基亚砜1.2份、琥珀酸二异辛酯磺酸钠0.7份、消泡剂：磷酸三丁酯1.5份、稳定剂：叔丁基对苯二酚3份、抗氧化剂2份、防腐剂5份和磁化水120份。
回火：将淬火后的锻件置于回火炉中，通过以下阶段进行回火处理；
回火一段：在温度为520℃条件下保温40min；
回火二段：在温度为380℃条件下保温35min；
回火三段：在温度为200℃条件下保温60min。
对比例4
一种模具钢，其所含化学成分及其含量与上述实施例2相同，但其制备方法如下：
步骤1：将废钢及中间合金投入熔炼炉内，待其全部熔融后，保温30min；加入精炼剂，经LF炉精炼80min；再在真空度为80Pa的脱气炉中真空脱气15min；
上述精炼剂是由氧化钙、二氧化硅、氟化钙按质量比3:2:2组成的混合物；
步骤2：将步骤1得到的钢水进行浇铸，并作为自耗电极进行电渣重熔，冶炼时间为2.5h，操作过程中电压设定为50V，电流设定为5500A，重熔结束得钢锭；
步骤3：将钢锭置于锻造加热炉中，先在温度为1160℃条件下初锻3.5h；再在980℃条件下终锻2.5h，出炉空冷至室温得锻材；
步骤4：将锻件加热至550℃保温70min；再在温度为860℃条件下淬火2.5h，经淬火剂水冷后，在温度为380℃条件下回火1.5h即可；其所用淬火剂包括以下重量份原料：聚醚15份、苯甲酸钠2份、异丙醇胺0.6份、木素磺酸钙0.3份、三乙醇胺3份、氢氧化钠1.2份、消泡剂：苯乙醇油酸酯0.3份和蒸馏水35份。
对比例5
一种模具钢，包括以下按重量百分比计的化学成分：C：0.69％，Si：0.72％，Mn：0.89％，Cr：2.33％，Mo：0.25％，V：0.25％，Ni：0.37％，P：0.016％，S：0.011％，余量为Fe；其制备方法与实施例2相同。
性能检测
将上述实施例1-3以及对比例4-5制得的模具钢性能参数如下表1所示：
表1
由上表1可知，本发明的模具钢在各方面性能上表现俱佳，具有显著地提升，可大大满足市场的需求，另外在对比下，实施例2制得的模具钢性能最优，其相应的化学含量及制备方法为最佳方案。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有优良机械性能模具钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤。
(1)熔炼及精炼：将废钢、增碳剂、合金等工业原料加入到熔炼炉中进行熔融，调整熔液成份，再转入LF炉，加入精炼剂，在温度为1540-1580℃条件下精炼80-100min，随后在VD真空脱气炉中真空脱气25-30min；
(2)浇铸及电渣重熔：将步骤(1)得到的钢水进行浇铸，浇铸期间余压控制在1.10-1.15kPa，之后作为自耗电极进行电渣重熔，其电压设定为50-55V，电流设定为5500-6500A，重熔结束，在温度为840-860℃条件下恒温退火6-8h，得钢锭；
(3)锻造
初锻：将钢锭在温度1110-1120℃条件下初锻2-2.5h，得锻坯；
保温成型：再在温度为980-1020℃条件下保温3.5-4.5h，锻造得初步成型的半成品锻件；
终锻：将所述半成品锻件在温度870-880℃条件下终锻70-80min，风冷后得成品锻件；
(4)热处理
预热：将所述成品锻件加热至480-500℃，保温1-1.5h；再加热至660-680℃，保温80-100min；
淬火：将预热后的锻件以15-20℃/s的升温速率加热至960-980℃，保温110-120min后经淬火剂水冷；
回火：将淬火后的锻件置于回火炉中，通过以下阶段进行回火处理；
回火一段：在温度为510-520℃条件下保温40-50min；
回火二段：在温度为360-380℃条件下保温35-45min；
回火三段：在温度为180-200℃条件下保温60-70min。
2.根据权利要求1所述的一种具有优良机械性能模具钢的制备方法，其特征在于，所述模具钢包括以下按重量百分比计的化学成分：
C：0.95-1.05％、Si：0.76-0.80％、Mn：0.16-0.20％、Al：0.11-0.13％、Mg：0.04-0.08％、Zn：0.01-0.05％、Ba：0.01-0.05％、Sn：0.23-0.27％、Bi：0.15-0.21％、Be：0.08-0.12％、Ti：0.11-0.15％、Nb：0.07-0.09％、Tl：0.05-0.1％、Sc：0.02-0.04％、Nd：0.18-0.22％、Te：0.01-0.05％、B：0.006-0.01％、N：0.004-0.008％，余量为Fe。
3.根据权利要求2所述的一种具有优良机械性能模具钢的制备方法，其特征在于，所述模具钢包括以下按重量百分比计的化学成分：
C：1.0％、Si：0.78％、Mn：0.18％、Al：0.12％、Mg：0.06％、Zn：0.03％、Ba：0.03％、Sn：0.25％、Bi：0.18％、Be：0.1％、Ti：0.13％、Nb：0.08％、Tl：0.07％、Sc：0.03％、Nd：0.20％、Te：0.03％、B：0.008％、N：0.006％，余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的一种具有优良机械性能模具钢的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述精炼剂为氧化钙、氟硅酸钠、冰晶石粉、鱼眼石粉、铝矾土按质量比3:1:1:1:2组成的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种具有优良机械性能模具钢的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述真空脱气炉的真空度为55-60Pa，熔炼温度为1480-1520℃。
6.根据权利要求1所述的一种具有优良机械性能模具钢的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述钢水浇铸温度为1360-1370℃，浇铸速度为2-2.5m/s。
7.根据权利要求1所述的一种具有优良机械性能模具钢的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述电渣重熔过程中还加入质量比为5:2:1:3的CaF2-CaO-SiO2-Al2O3四元渣系。
8.根据权利要求1所述的一种具有优良机械性能模具钢的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述淬火剂包括以下按重量份计的原料：乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液3-5份、石蜡树脂2-3份、氟碳化合物0.3-0.5份、异构醇聚氧乙烯醚1-2份、椰油酸二乙醇酰胺0.2-0.4份、聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯0.5-1.5份、二烷基二硫代磷酸锌0.1-0.3份、聚乙氧基烷基酚0.6-0.8份、羟甲基纤维素0.8-1.2份、活性铝矾土3-5份、十二烷基硫酸钠0.4-0.6份、丙三醇3-4份、二甲基亚砜1-1.2份、琥珀酸二异辛酯磺酸钠0.5-0.7份、消泡剂1-1.5份、稳定剂2-3份、抗氧化剂1-2份、防腐剂3-5份和磁化水100-120份。
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