CN110055381B - 一种轻量工模具钢的氮气保护退火工艺 - Google Patents

一种轻量工模具钢的氮气保护退火工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种C≥1.5%、Mn≥30.0%、Al≥10.0%、Si≥1.0%、S≤0.010%、P≤0.015%的高碳、高锰、高铝轻量工模具钢棒材罩式氮气保护气氛退火的热处理工艺。该工艺由氮气吹扫、加热及气氛控制、保温及气氛控制、冷却及气氛控制四个工艺步骤组成，本发明使用氮气作为保护气氛，气体使用成本低廉、安全可靠；退火过程低密度钢无氧化、无脱碳、析碳现象。由于氮气传热效率远低于氢气，其传热效率速度相对较慢，可满足高合金低密度钢缓慢加热的特性要求，经退火低密度钢硬度降低，塑性增加，退火后表面硬度≤238HB，适于机械加工。

Description

一种轻量工模具钢的氮气保护退火工艺
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种轻量工模具钢的氮气保护退火工艺。
背景技术
轻量工模具钢是在钢中添加轻元素如硅、铝等可以降低钢的密度，能获得奥氏体、铁素体或奥氏体铁素体双相组织，同时具有高强度和良好塑性的钢种。轻量工模具钢一般要求钢密度在7g/cm3以下，为低密度钢。轻量工模具钢可有效减轻汽车重量，降低燃油消耗，在其它条件不变，汽车自重每减少10%，可降低6%~8%燃油消耗。轻量工模具钢成为材料研究的一个重要方向，被世界各国研究开发机构、企业的广泛重视。
由于普通轻量工模具钢具有较高抗拉强度（UTS≥1000MPa）的同时，具有良好的韧性（TE≥30%），高的强塑积（抗拉强度UTS和总延伸率TE乘积≥30GPa%）。经研究采用更高的碳、更高的锰、以及更高的铝成分设计的轻量工模具钢可以用于作为一种新型工模具钢使用。热轧态轻量工模具钢强韧性好、硬度高、强塑积较高，机械切削加工时钢又硬又棉，铁屑粘刀严重，加工困难，需要进行退火处理后才能进行机械加工。高碳高锰高铝轻量工模具钢采用普通空气退火，退火过程表面氧化脱碳严重，若采用氢气保护退火工艺，虽然表面不会产生氧化脱碳，但表面易产生析碳。
针对以上问题，有必要发明一种退火过程中工件、钢材表面无氧化脱碳现象、也不产生析碳，退火工件、钢材后表面硬度满足机械加工要求的轻量工模具钢的氮气保护退火工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轻量工模具钢的氮气保护退火工艺。
本发明的目的是这样实现的，所述工艺包括氮气吹扫、加热及气氛控制、保温及气氛控制、冷却及气氛控制步骤，具体为：
A、氮气吹扫：将轧制成材的轻量工模具钢放入长方形罩式退火炉内，扣内罩，进行冷密闭测试；经密闭试验检查合格后，扣加热罩，点火加热，并以75~85m3/h的大流量将氮气通入退火炉内，吹扫炉内8~12分钟，以置换退火炉内的空气；
B、加热及气氛控制：
（1）吹扫完毕后，将扫炉氮气流量调整至30~40m3/h，同时对炉子进行升温，让轧制材随炉从室温升至380℃；露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为800~3000Pa；
（2）接着控制通入氮气流量为30~20m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为500~1200Pa；升温，让轧制材随炉从380℃升温至650~690℃，保温1~2h；
（3）保温毕后控制通入氮气流量为20~10m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为300~800Pa；升温，让轧制材随炉升温到780~850℃；
C、保温及气氛控制：温度达780~830℃后，进行保温，轧制材随炉保温12~18h；保温过程控制通入氮气流量控制为2~8m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为100~600Pa；
D、冷却及气氛控制：保温结束后，控制通入氮气流量为20~30m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为300~800Pa，以80~60℃/h的冷却速度冷却到680~650℃；吊走加热罩，扣冷却罩，控制通入氮气流量为50~60m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为300~800Pa，再以40~30℃/h冷却速度冷却到450℃后；控制通入氮气流量为40~30m3/h，让轧制材随炉以20℃/h的冷却速度冷却到160℃，停止氮气通入，开炉后将轧制材出炉，在空气自然冷却至室温，即得退火态低密度冷作模具钢。
退火前后轻量工模具钢（低密度钢）性能变化见表1。
表1 退火前后低密度钢性能变化见下表
Figure DEST_PATH_IMAGE001
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明提供了一种高碳、高锰、高铝轻量工模具钢（棒材）罩式氮气保护气氛退火的热处理工艺。该工艺由氮气吹扫、加热及气氛控制、保温及气氛控制、冷却及气氛控制四个工艺步骤组成，本发明使用氮气作为保护气氛，气体来源容易，气体使用成本低廉、安全可靠；退火过程低密度钢无氧化、无脱碳、析碳现象。由于氮气传热效率远低于氢气，其传热效率速度相对较慢，可满足高合金低密度钢缓慢加热的特性要求，经退火低密度钢硬度降低，塑性增加，退火后表面硬度≤238HB，满足机械加工要求。
2、本发明的用罩式退火炉在氮气保护环境中对轻量工模具钢进行退火处理的工艺，退火过程工件、钢材表面无氧化脱碳现象、也不产生析碳，退火工件、钢材后表面硬度满足机械加工要求。退火工件、钢材机械加工后，经淬火、回火达到工模具所需性能，再经过精加工作为工模具最终产品交货。
3、本发明具有工艺简单、流程短，操作方便，控制容易、生产成本低等优点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
本发明所述的轻量工模具钢的氮气保护退火工艺，包括氮气吹扫、加热及气氛控制、保温及气氛控制、冷却及气氛控制步骤，具体为：
A、氮气吹扫：将轧制成材的轻量工模具钢放入长方形罩式退火炉内，扣内罩，进行冷密闭测试；经密闭试验检查合格后，扣加热罩，点火加热，并以75~85m3/h的大流量将氮气通入退火炉内，吹扫炉内8~12分钟，以置换退火炉内的空气；
B、加热及气氛控制：
（1）吹扫完毕后，将扫炉氮气流量调整至30~40m3/h，同时对炉子进行升温，让轧制材随炉从室温升至380℃；露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为800~3000Pa；
（2）接着控制通入氮气流量为30~20m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为500~1200Pa；升温，让轧制材随炉从380℃升温至650~690℃，保温1~2h；
（3）保温毕后控制通入氮气流量为20~10m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为300~800Pa；升温，让轧制材随炉升温到780~850℃；
C、保温及气氛控制：温度达780~830℃后，进行保温，轧制材随炉保温12~18h；保温过程控制通入氮气流量控制为2~8m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为100~600Pa；
D、冷却及气氛控制：保温结束后，控制通入氮气流量为20~30m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为300~800Pa，以80~60℃/h的冷却速度冷却到680~650℃；吊走加热罩，扣冷却罩，控制通入氮气流量为50~60m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为300~800Pa，再以40~30℃/h冷却速度冷却到450℃后；控制通入氮气流量为40~30m3/h，让轧制材随炉以20℃/h的冷却速度冷却到160℃，停止氮气通入，开炉后将轧制材出炉，在空气自然冷却至室温，即得退火态低密度冷作模具钢。
进一步的，所述的轻量工模具钢的成分要求为C≥1.5%、Mn≥30.0%、Al≥10.0%、Si≥1.0%、S≤0.010%、P≤0.015%。
进一步的，步骤A中所述的氮气的通入管道氮气要求为含氧量3~5ppm；露点温度-60℃~-100℃；流量300~1200m3/h；压力500~1200Pa。
进一步的，步骤A中所述的大流量为80m3/h，吹扫炉内10分钟。
进一步的，步骤B的（1）中升温的速度为60~120℃/h。
进一步的，步骤B的（2）中所述的升温速度为80~120℃/h。
进一步的，步骤B的（3）中所述的升温速度为120~140℃/h。
进一步的，步骤D中所述的退火态低密度冷作模具钢为退火态低密度冷作模具钢棒材。
进一步的，步骤D中所述的退火态低密度冷作模具钢的表面硬度≤238HB。
实施例1
A、将轧制材的低密度模具钢放入长方形罩式退火炉内，扣内罩，进行冷密闭测试。经密闭试验检查合格后，扣加热罩，点火加热，并以80m3/h的大流量将氮气通入退火炉内，吹扫炉内10分钟，以置换退火炉内的空气。
所述的低密度模具钢（轻量工模具钢）的成分要求为C≥1.5%、Mn≥30.0%、Al≥10.0%、Si≥1.0%、S≤0.010%、P≤0.015%。管道氮气要求为含氧量3ppm；露点温度-60℃；流量300~500m3/h；压力500~700Pa。
B、加热及气氛控制
（1）吹扫完毕后，将吹扫炉内氮气流量调整至30m3/h，同时对炉子进行升温，以60℃/h的升温速度让轧制材随炉从室温升至380℃。露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为800~1600Pa。
（2）控制通入氮气流量为20m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为500~800Pa。以80℃/h升温速度让轧制材随炉从380℃升温至650℃，保温2.0h。
（3）保温毕后控制通入氮气流量为10m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为300~400Pa。再以120℃/h的速度让轧制材随炉升温到780℃。
C、保温及气氛控制
温度达780℃后，进行保温，轧制材随炉保温18h；控制通入氮气流量控制为氮气流量控制为2m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为100~300Pa。
D、冷却及气氛控制
保温结束后，控制通入氮气流量为20m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为300~800Pa，以80~60℃/h的冷却速度冷却到680~650℃；吊走加热罩,扣冷却罩,控制通入氮气流量为50m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为300~500Pa，再以30℃/h冷却速度冷却到450℃后。控制通入氮气流量为30m3/h，让轧制材随炉以20℃/h的冷却速度冷却到160℃，停止氮气通入，开炉后将轧制材出炉，在空气自然冷却至室温，即得退火态低密度冷作模具钢棒材。
实施例2
A、将轧制材的低密度模具钢放入长方形罩式退火炉内，扣内罩，进行冷密闭测试。经密闭试验检查合格后，扣加热罩，点火加热，并以80m3/h的大流量将氮气通入退火炉内，吹扫炉内10分钟，以置换退火炉内的空气。
所述的低密度模具钢（轻量工模具钢）的成分要求为C≥1.5%、Mn≥30.0%、Al≥10.0%、Si≥1.0%、S≤0.010%、P≤0.015%。管道氮气要求为含氧量4ppm；露点温度-60℃~-100℃；流量500~900m3/h；压力700~1000Pa。
B、加热及气氛控制
（1）吹扫完毕后，将扫炉氮气流量调整至35m3/h，同时对炉子进行升温，以90℃/h的升温速度让轧制材随炉从室温升至380℃。露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为1500~2200Pa。
（2）控制通入氮气流量为25m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为700~1000Pa。以100℃/h升温速度让轧制材随炉从380℃升温至670℃，保温1.5h。
（3）控制通入氮气流量为15m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为700~1000Pa。再以130℃/h的速度让轧制材随炉升温到820℃。
C、保温及气氛控制
温度达820℃后，进行保温，轧制材随炉保温15h；保温过程控制通入氮气流量控制为氮气流量控制为5m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为300~500Pa。
D、冷却及气氛控制
保温结束后，控制通入氮气流量为25m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为500~600Pa，以70℃/h的冷却速度冷却到665℃；吊走加热罩,扣冷却罩,控制通入氮气流量为55m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为500~600Pa，再以35℃/h冷却速度冷却到450℃后。控制通入氮气流量为35m3/h，让轧制材随炉以20℃/h的冷却速度冷却到160℃，停止氮气通入，开炉后将轧制材出炉，在空气自然冷却至室温，即得退火态低密度冷作模具钢棒材。
实施例3
A、将轧制材的低密度模具钢放入长方形罩式退火炉内，扣内罩，进行冷密闭测试。经密闭试验检查合格后，扣加热罩，点火加热，并以80m3/h的大流量将氮气通入退火炉内，吹扫炉内10分钟，以置换退火炉内的空气。
所述的低密度模具钢（轻量工模具钢）的成分要求为C≥1.5%、Mn≥30.0%、Al≥10.0%、Si≥1.0%、S≤0.010%、P≤0.015%。管道氮气要求为含氧量5ppm；露点温度-100℃；流量900~1200m3/h ；压力800~1200Pa。
B、加热及气氛控制
（1）吹扫完毕后，将扫炉氮气流量调整至40m3/h，同时对炉子进行升温，以120℃/h的升温速度让轧制材随炉从室温升至380℃。露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为2000~3000Pa。
（2）控制通入氮气流量为30m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为1000~1200Pa。以120℃/h升温速度让轧制材随炉从380℃升温至690℃，保温1.0h。
（3）控制通入氮气流量为10m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为600~800Pa。再以140℃/h的速度让轧制材随炉升温到850℃。
C、保温及气氛控制
温度达850℃后，进行保温，轧制材随炉保温12h；保温过程控制通入氮气流量控制为氮气流量控制为8m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为400~600Pa。
D、冷却及气氛控制
保温结束后，控制通入氮气流量为30m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为600~800Pa，以80℃/h的冷却速度冷却到680℃；吊走加热罩,扣冷却罩,控制通入氮气流量为60m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为300~800Pa，再以40℃/h冷却速度冷却到450℃后。控制通入氮气流量为40m3/h，让轧制材随炉以20℃/h的冷却速度冷却到160℃，停止氮气通入，开炉后将轧制材出炉，在空气自然冷却至室温，即得退火态低密度冷作模具钢棒材。
退火前后的性能见表2。
表2 退火前后性能对比
Figure DEST_PATH_IMAGE002

Claims (8)

1.一种轻量工模具钢的氮气保护退火工艺，其特征在于所述轻量工模具钢的成分要求为C≥1.5%、Mn≥30.0%、Al≥10.0%、Si≥1.0%、S≤0.010%、P≤0.015%，所述工艺包括氮气吹扫、加热及气氛控制、保温及气氛控制、冷却及气氛控制步骤，具体为：
A、氮气吹扫：将轧制成材的轻量工模具钢放入长方形罩式退火炉内，扣内罩，进行冷密闭测试；经密闭试验检查合格后，扣加热罩，点火加热，并以75~85m3/h的大流量将氮气通入退火炉内，吹扫炉内8~12分钟，以置换退火炉内的空气；
B、加热及气氛控制：
（1）吹扫完毕后，将扫炉氮气流量调整至30~40m3/h，同时对炉子进行升温，让轧制材随炉从室温升至380℃；露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为800~3000Pa；
（2）接着控制通入氮气流量为30~20m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为500~1200Pa；升温，让轧制材随炉从380℃升温至650~690℃，保温1~2h；
（3）保温毕后控制通入氮气流量为20~10m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为300~800Pa；升温，让轧制材随炉升温到780~850℃；
C、保温及气氛控制：温度达780~830℃后，进行保温，轧制材随炉保温12~18h；保温过程控制通入氮气流量控制为2~8m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为100~600Pa；
D、冷却及气氛控制：保温结束后，控制通入氮气流量为20~30m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为300~800Pa，以80~60℃/h的冷却速度冷却到680~650℃；吊走加热罩，扣冷却罩，控制通入氮气流量为50~60m3/h，露点控制为≤-42℃，炉内压力控制为300~800Pa，再以40~30℃/h冷却速度冷却到450℃后；控制通入氮气流量为40~30m3/h，让轧制材随炉以20℃/h的冷却速度冷却到160℃，停止氮气通入，开炉后将轧制材出炉，在空气自然冷却至室温，即得退火态低密度冷作模具钢。
2.根据权利要求1所述的轻量工模具钢的氮气保护退火工艺，其特征在于步骤A中所述的氮气的通入管道氮气要求为含氧量3~5ppm；露点温度-60℃~-100℃；流量300~1200m3/h；压力500~1200Pa。
3.根据权利要求1所述的轻量工模具钢的氮气保护退火工艺，其特征在于步骤A中所述的大流量为80m3/h，吹扫炉内10分钟。
4.根据权利要求1所述的轻量工模具钢的氮气保护退火工艺，其特征在于步骤B的（1）中升温的速度为60~120℃/h。
5.根据权利要求1所述的轻量工模具钢的氮气保护退火工艺，其特征在于步骤B的（2）中所述升温的速度为80~120℃/h。
6.根据权利要求1所述的轻量工模具钢的氮气保护退火工艺，其特征在于步骤B的（3）中所述升温的速度为120~140℃/h。
7.根据权利要求1所述的轻量工模具钢的氮气保护退火工艺，其特征在于步骤D中所述的退火态低密度冷作模具钢为退火态低密度冷作模具钢棒材。
8.根据权利要求1所述的轻量工模具钢的氮气保护退火工艺，其特征在于步骤D中所述的退火态低密度冷作模具钢的表面硬度≤238HB。
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