CN109055850A - 改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法，属于钢铁冶金技术领域。本发明解决的技术问题是冷作模具钢中存在的大颗粒共晶碳化物以及共晶碳化物的不均匀分布导致钢的力学性能下降，并在热处理过程中出现变形、开裂等质量问题。本发明的技术方案是提供改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法，步骤包括钢的冶炼、均质化处理和锻造或轧制，主要是在锻造或轧制过程控制不同温度区间变形量。本发明适用于厚度范围为70～200mm的冷作模具钢制备，共晶碳化物不均匀度按GB/T14979标准中第四评级图评定为≤4级，合格级别按GB/T1299‑2014判定，成品质量等级满足B/b级、A/a级。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法，冷作模具钢厚度范围为70～200mm。
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，其中冷作模具钢是指使金属在冷态下变形或成形所使用的模具钢。目前市场上应用最广泛的冷作模具钢材料主要为高碳高铬的Cr12、Crl2MoV等，由于具有较高的淬透性、淬硬性、耐磨性，并且高温抗氧化性能好，其作为通用型冷作模具钢材料广泛应用于制造各种用途的冷作模具，例如形状复杂的冲孔凹模、冷挤压模、滚螺纹轮、冷剪切刀和精密量具等。然而，高碳高铬冷作模具钢属于莱氏体钢，由于钢中含有大量Cr、Mo、V等碳化物形成元素，在凝固和共析转变过程中会形成大量共晶碳化物，导致钢材的热塑性差，在锻造或轧制加工过程中容易出现表面裂纹。而且，尽管经锻造或轧制变形工序能够破碎鱼骨状共晶碳化物，但受锻造或轧制方向性的影响，钢材中的碳化物分布仍然是不均匀的，而钢中存在的大颗粒碳化物或碳化物分布不均匀会严重降低钢的力学性能，并导致模具在热处理过程中出现变形、开裂等质量问题。因此，共晶碳化物不均匀度是衡量Cr12、Crl2MoV等高碳高铬冷作模具钢材实物质量水平的重要技术指标。
发明内容
本发明解决的技术问题是冷作模具钢中存在的大颗粒共晶碳化物以及共晶碳化物的不均匀分布导致钢的力学性能下降，并在热处理过程中出现变形、开裂等质量问题。
本发明提供改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法，包括钢的冶炼、均质化处理和锻造或轧制，具体步骤如下：
a、钢的冶炼采用电炉冶炼+LF精炼+VD真空精炼，化学成分以质量百分数计控制为C：1.45～1.70、Cr：11.00～12.50、Mo：0.40～0.60、V：0.15～0.30；
b、均质化处理的加热温度控制在1130℃±10℃，保温时间控制在8h以上；
c、将经步骤b均质化处理得到的钢锭进行锻造或轧制，锻造过程采用“两轻一重”的直接拔长成型工艺，轧制过程为钢锭出炉后输送到轧机上进行可逆式轧制。
其中，化学成分以质量百分数计控制为C：1.45～1.57、Cr：11.00～11.75、Mo：0.40～0.50、V：0.15～0.22。
其中，均质化处理为红送钢锭至均热炉中，首先使钢锭在600±10℃的炉温条件下保温，然后加热到850±10℃保温，再加热到1130±10℃进行保温。
进一步的，均质化处理为红送钢锭至均热炉中，并在钢锭放进均热炉前测量其温度T，加热温度和保温时间按照下述情形进行，
若400℃≤T＜600℃，则首先使钢锭在600±10℃的炉温条件下保持1h，然后以≤100℃/h的升温速率将钢锭加热到850±10℃，使钢锭在850±10℃的炉温条件下保持3h以上，然后以≤150℃/h的升温速率将钢锭加热到1130±10℃，使钢锭在1130±10℃的炉温条件下保持8h以上，钢锭在均热炉中的总时间为18～20h；
若T＜400℃，则首先使钢锭在600±10℃的炉温条件下保持5h，然后以≤100℃/h的升温速率将钢锭加热到850±10℃，使钢锭在850±10℃的炉温条件下保持3h以上，其次以≤150℃/h的升温速率将钢锭加热到1130±10℃，使钢锭在1130±10℃的炉温条件下保持8h以上，钢锭在均热炉中的总时间为22～24h；
其中，锻造或轧制过程在不同温度区间控制不同变形量。
其中，锻造过程采用上下等宽平砧锻造，并且锻造过程根据不同温度区间控制不同道次变形量，当温度在1070℃以上时，道次变形量控制在5％～10％之间；当温度在1070℃～900℃之间时，道次变形量控制在20％～35％之间；当温度在900℃以下时，道次变形量控制在3％～5％之间，终锻温度不低于860℃。
Cr12、Crl2MoV等钢系的模具钢容易出现锻造过烧，一方面是由于坚硬的碳化物使锻造时的热效应比较显著，温升现象比较明显，另一方面是因为共晶碳化物堆集处熔点较低的原因。锻造温度在上限时锤击过猛，锻造温升会使工件温度上升到共晶熔化温度，出现锻造过烧现象，毛坯在锤击下呈豆腐渣样碎裂，高温时出现的液相冷却后在晶界形成莱氏体网络。只有在锻造的中间温度区才能用重锤，而且必须重击，重击不但可以打散打碎碳化物堆集，而且可以抑制毛坯温度下降。但当到达锻造温度下限区时又要轻锻，因为低温工件塑性较差，重锻会将模坯锻裂。这种“轻-重-轻”的锻造工艺就是莱氏体钢锻造工艺中的“两轻一重”锻造方法。
其中，轧制过程进行六道次可逆式轧制，第一道次轧制温度控制在1070℃以上，钢锭变形压下率控制在10％～15％之间，中间道次(第二三四五道次)轧制温度控制在1070℃～970℃之间，钢锭总变形压下率控制在20％～30％之间，成品道次(第六道次)轧制温度控制在970℃～900℃之间，钢锭变形压下率控制在3％～5％之间。
其中，轧制过程第一孔的咬入速度为15～25r/min，成品孔的咬入速度不大于10r/min。
其中，钢锭在轧制之前，检查钢锭是否存在阴阳面或黑根，若存在，则将钢锭重新放进均热炉内，并在1130±10℃的炉温条件下保持1h以上，然后出炉。
其中，轧机为可逆式轧机，其上轧辊直径为760～870mm，其下轧辊直径为770～880mm。
本发明的有益效果：
本发明在锻造或轧制过程未出现内裂和表面裂纹缺陷，通过本发明制备得到的Cr12MoV冷作模具钢(厚度70mm～200mm)锻材或轧材共晶碳化物被充分破碎，均匀分布，共晶碳化物不均匀度按GB/T14979标准中第四评级图评定为≤4级，成品按GB/T6402超声波探伤，合格级别按GB/T1299-2014判定，质量等级满足B/b级、A/a级，因而本发明较大地提高了Cr12MoV冷作模具钢成材率，降低了生产成本。
具体实施方式
本发明提供改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法，包括钢的冶炼、均质化处理和锻造或轧制，具体步骤如下：
a、钢的冶炼采用电炉冶炼+LF精炼+VD真空精炼，化学成分以质量百分数计控制为C：1.45～1.70、Cr：11.00～12.50、Mo：0.40～0.60、V：0.15～0.30；
b、进行均质化处理的加热温度控制在1130℃±10℃，保温时间控制在8h以上；
c、将经步骤b均质化处理得到的钢锭进行锻造或轧制，锻造过程采用“两轻一重”的直接拔长成型工艺，轧制为钢锭出炉后输送到轧机上，连续进行至少六道次可逆式轧制。
其中，化学成分以质量百分数计控制为C：1.45～1.57、Cr：11.00～11.75、Mo：0.40～0.50、V：0.15～0.22。步骤a化学成分C、Cr、Mo、V均按中下限控制，在保证材料性能的基础上，通过对钢中C、Cr、Mo、V等强碳化物形成元素含量的控制，有效控制钢中碳化物的含量。
其中，均质化处理为红送钢锭至均热炉中，首先使钢锭在600±10℃的炉温条件下保温，然后加热到850±10℃保温，再热到1130±10℃进行保温。
进一步的，均质化处理为红送钢锭至均热炉中，并在钢锭放进均热炉前测量其温度T，加热温度和保温时间按照下述情形进行，
若400℃≤T＜600℃，则首先使钢锭在600℃的炉温条件下保持1h，然后以≤100℃/h的升温速率将钢锭加热到850±10℃，使钢锭在850±10℃的炉温条件下保持3h以上，然后以≤150℃/h的升温速率将钢锭加热到1130±10℃，使钢锭在1130±10℃的炉温条件下保持8h以上，钢锭在均热炉中的总时间为18～20h；
若T＜400℃，则首先使钢锭在600℃的炉温条件下保持5h，然后以≤100℃/h的升温速率将钢锭加热到850±10℃，使钢锭在850±10℃的炉温条件下保持3h以上，其次以≤150℃/h的升温速率将钢锭加热到1130±10℃，使钢锭在1130±10℃的炉温条件下保持8h以上，钢锭在均热炉中的总时间为22～24h；
上述均质化处理严格控制保温温度及保温时间，改善共晶碳化物偏析的同时提高钢的热加工塑性。经试验分析验证，将加热温度控制在1130±10℃时，钢中网状碳化物网状熔断最多，溶解最充分，最有利于后序加工过程对网状碳化物的破碎等。
其中，锻造或轧制过程在不同温度区间控制不同变形量。
其中，锻造过程采用上下等宽平砧锻造，并且锻造过程根据不同温度区间控制不同道次变形量，当温度在1070℃以上时，道次变形量控制在5％～10％之间；当温度在1070℃～900℃之间时，道次变形量控制在20％～35％之间；当温度在900℃以下时，道次变形量控制在3％～5％之间，终锻温度不低于860℃，成型时需快速、小变形整形，防止角裂。
其中，轧制过程进行六道次可逆式轧制，第一道次轧制温度控制在1070℃以上，钢锭变形压下率控制在10％～15％之间，中间道次轧制温度控制在1070℃～970℃之间，钢锭总变形压下率控制在20％～30％之间，成品道次轧制温度控制在970℃～900℃之间，钢锭变形压下率控制在3％～5％之间。
不同温度区间对应不同道次变形量，主要是考虑共晶碳化物在不同温度区间的溶解、熔断、粗细、大小、分布情况，结合钢种在此温度区间的塑形变形能力，配合不同道次变形量，使整个锻造或轧制过程对网状共晶碳化物的破碎能力尽量大而又不至于产生锻造或轧制裂纹等加工缺陷。选择锻造还是轧制，主要是根据目标产品的要求，如规格尺寸大小、探伤级别、共晶碳化物级别等，结合现场实际生产过程控制情况，综合确定采用锻造或轧制生产。
其中，轧制的第一孔的咬入速度为15～25r/min，成品孔的咬入速度不大于10r/min。
其中，钢锭输送到轧机上之前，检查钢锭是否存在阴阳面或黑根，若存在，则将钢锭重新放进均热炉内，并在1130±10℃的炉温条件下保持1h以上，然后出炉，这是为了防止钢锭加热不均导致后序轧制过程出现内裂或表面裂纹。
其中，轧机为可逆式轧机，其上轧辊直径为760～870mm，其下轧辊直径为770～880mm。
通过在锻造或轧制中不同温度区间不同变形量的控制，破碎大颗粒碳化物，改善共晶碳化物分布，防止锻造过程中裂纹缺陷，最终达到改善共晶碳化物不均匀度级别，提高成材率，降低生产成本，提高产品质量水平的目的。
实施例1
采用本发明的冷作模具钢锻造方法生产制造牌号为Cr12MoV的冷作模具钢，包括冶炼步骤、均质化处理步骤和锻造步骤，具体如下：
通过冶炼步骤得到钢锭，所述钢锭的重量为3.35t扁锭，钢锭强碳化物形成元素C、Cr、Mo、V的质量分数(wt％)分别为：C：1.46、Cr：11.67、Mo：0.41、V：0.2；
均质化处理步骤，红送钢锭至均热炉中，钢锭放进均热炉前测量其温度为495℃，使钢锭在600℃的炉温条件下保持1h，以100℃/h的升温速率将钢锭加热到850±10℃，并在此温度条件下保温4h，其次以150℃/h的升温速率将钢锭加热到1130±10℃，并在此温度条件下保温10h，最后使钢锭出炉，钢锭在均热炉中的总时间为19.5h；
锻造步骤，采用两轻一重的直接拔长成型工艺，采用上下等宽平砧锻造，总锻比为6.5，开锻温度为1100℃，终锻温度为860℃，根据锻造过程不同温度区间，当温度在1070℃以上时，道次变形量控制在8％～10％之间，当温度在1070℃～900℃之间时，道次变形量控制在25％～30％之间，当温度在900℃以下时，道次变形量控制在3％～5％之间。
通过上述步骤制备得到厚度为180mm的Cr12MoV冷作模具钢锻材，锻造过程未出现内裂和表面裂纹缺陷，成品按GB/T14979标准中第四评级图评定共晶碳化物不均匀度级别为3.5级，成品按GB/T6402超声波探伤，合格级别按GB/T1299-2014判定，质量等级满足B/b级。
实施例2
采用本发明的冷作模具钢轧制方法生产制造牌号为Cr12MoV的冷作模具钢，包括冶炼步骤、均质化处理步骤和轧制步骤，具体如下：
通过冶炼步骤得到钢锭，所述钢锭的重量为3.2t扁锭，钢锭强碳化物形成元素C、Cr、Mo、V的质量分数(wt％)分别为：C：1.48、Cr：11.54、Mo：0.43、V：0.22；
均质化处理步骤，红送钢锭至均热炉中，钢锭放进均热炉前测量其温度为480℃，使钢锭在600℃的炉温条件下保持1h，以100℃/h的升温速率将钢锭加热到850±10℃，并在此温度条件下保温4h，其次以150℃/h的升温速率将钢锭加热到1130±10℃，并在此温度条件下保温9h，最后使钢锭出炉，钢锭在均热炉中的总时间为18.5h；
轧制步骤，钢锭出炉后检查未发现阴阳面或黑根，将之输送到轧机上，连续进行六道次可逆式轧制，其中第一孔的咬入速度为18r/min，成品孔的咬入速度为6r/min，第一道次轧制温度控制在1100℃～1070℃，钢锭变形压下率按13％控制，中间道次轧制温度控制在1070℃～990℃之间，钢锭变形压下率按25％控制，成品道次轧制温度控制在990℃～960℃之间，钢锭变形压下率按5％控制。
通过上述步骤制备得到厚度为85mm的Cr12MoV冷作模具钢轧材，轧制过程未出现内裂和表面裂纹缺陷，成品按GB/T14979标准中第四评级图评定共晶碳化物不均匀度级别为3级，成品按GB/T6402超声波探伤，合格级别按GB/T1299-2014判定，质量等级满足A/a级。
Claims (10)
1.改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法，包括钢的冶炼、均质化处理和锻造或轧制，其特征在于：
a、钢的冶炼采用电炉冶炼+LF精炼+VD真空精炼，化学成分以质量百分数计控制为C：1.45～1.70、Cr：11.00～12.50、Mo：0.40～0.60、V：0.15～0.30；
b、均质化处理的加热温度控制在1130℃±10℃，保温时间控制在8h以上；
c、将经步骤b均质化处理得到的钢锭进行锻造或轧制，锻造过程采用“两轻一重”的直接拔长成型工艺，轧制过程为钢锭出炉后输送到轧机上进行可逆式轧制。
2.根据权利要求1所述的改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法，其特征在于：所述化学成分以质量百分数计控制为C：1.45～1.57、Cr：11.00～11.75、Mo：0.40～0.50、V：0.15～0.22。
3.根据权利要求1或2所述的改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法，其特征在于：所述均质化处理为红送钢锭至均热炉中，首先使钢锭在600±10℃的炉温条件下保温，然后加热到850±10℃保温，再热到1130±10℃进行保温。
4.根据权利要求1～3任一项所述的改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法，其特征在于：所述均质化处理为红送钢锭至均热炉中，并在钢锭放进均热炉前测量其温度T，加热温度和保温时间按照下述情形进行，
若400℃≤T＜600℃，则首先使钢锭在600±10℃的炉温条件下保持1h，然后以≤100℃/h的升温速率将钢锭加热到850±10℃，使钢锭在850±10℃的炉温条件下保持3h以上，然后以≤150℃/h的升温速率将钢锭加热到1130±10℃，使钢锭在1130±10℃的炉温条件下保持8h以上，钢锭在均热炉中的总时间为18～20h；
若T＜400℃，则首先使钢锭在600±10℃的炉温条件下保持5h，然后以≤100℃/h的升温速率将钢锭加热到850±10℃，使钢锭在850±10℃的炉温条件下保持3h以上，然后以≤150℃/h的升温速率将钢锭加热到1130±10℃，使钢锭在1130±10℃的炉温条件下保持8h以上，钢锭在均热炉中的总时间为22～24h。
5.根据权利要求1～4任一项所述的改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法，其特征在于：所述锻造或轧制过程在不同温度区间控制不同变形量。
6.根据权利要求1～5任一项所述的改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法，其特征在于：所述锻造过程采用上下等宽平砧锻造，当钢锭温度在1070℃以上时，道次变形量控制在5％～10％之间，当温度在1070℃～900℃之间时，道次变形量控制在20％～35％之间，当温度在900℃以下时，道次变形量控制在3％～5％之间，终锻温度不低于860℃。
7.根据权利要求1～6任一项所述的改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法，其特征在于：所述轧制过程进行六道次可逆式轧制，第一道次轧制温度控制在1070℃以上，钢锭变形压下率控制在10％～15％之间，中间道次轧制温度控制在1070℃～970℃之间，钢锭总变形压下率控制在20％～30％之间，成品道次轧制温度控制在970℃～900℃之间，钢锭变形压下率控制在3％～5％之间。
8.根据权利要求1～7任一项所述的改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法，其特征在于：所述轧制过程第一孔的咬入速度为15～25r/min，成品孔的咬入速度不大于10r/min。
9.根据权利要求1～8任一项所述的改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法，其特征在于：所述钢锭在轧制之前，检查钢锭是否存在阴阳面或黑根，若存在，则将钢锭重新放进均热炉内，并在1130±10℃的炉温条件下保持1h以上，然后出炉。
10.根据权利要求1～9任一项所述的改善冷作模具钢共晶碳化物的制备方法，其特征在于：所述轧机为可逆式轧机，上轧辊直径为760～870mm，下轧辊直径为770～880mm。
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