CN110195194A

CN110195194A - 一种热作模具钢的制备方法

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Publication number: CN110195194A
Application number: CN201910608238.5A
Authority: CN
Inventors: 李岩
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2019-07-08
Publication date: 2019-09-03

Abstract

本发明涉及热作模具钢技术领域，提供了一种热作模具钢的制备方法，包括如下步骤：A.原料熔炼，随后进行二次精炼、电渣重熔、浇注得钢锭；A步骤中对氧化物的形成及混入进行控制；B.对钢锭进行三墩三拔压力加工；C.钢锭进行热处理的热作模具钢；模具钢中各元素的重量百分比为，C：0.32‑0.45％、Si：0.50‑0.80％、Mn：0.20‑0.50％、S≤0.001％、P≤0.002％、Cr：2.8‑4.5％、Mo：1.2‑1.4％、W：1.2‑1.4％、V：0.5‑0.8％及性能优化剂，其余为Fe和杂质。借此，本发明通过二次精练、压力加工及热处理得到热作模具钢。本发明通过在熔炼过程严格控制氧化物的混入，大大的减少了内部的缺陷的数量，极大的提高了产品的质量。

Description

一种热作模具钢的制备方法

技术领域

本发明涉及热作模具钢技术领域，尤其涉及一种热作模具钢的制备方法。

背景技术

热作模具钢(H13)属于合金工具钢，是在碳工钢的基础上加入合金元素而形成的钢种。具有高的淬透性和抗热裂能力，该钢含有较高含量的碳和钒，耐磨性好，韧性相对有所减弱，具有良好的耐热性，在较高温度时具有较好的强度和硬度，高的耐磨性和韧性，优良的综合力学性能和较高的抗回火稳定性。广泛应用于制造冲击载荷大的锻模，热挤压模，精锻模；铝、铜及其合金压铸模。

随着经济转型升级，对工业品的质量也有了较高的要求。目前国内的铝型材挤压模的质量与国外产品相比还有较大差距，大大限制了我国铝型材挤压成型产品的质量提升。

综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种热作模具钢的制备方法，通过二次精练、压力加工及热处理得到热作模具钢，其各元素的重量百分比为C：0.32-0.45％、Si：0.30-0.60％、Mn：0.40-0.70％、S≤0.01％、P≤0.02％、Cr：2.8-4.5％、Mo：1.2-1.4％、W：1.2-1.4％、V：0.5-0.8％及性能优化剂，其余为Fe和杂质。本发明通过在熔炼过程严格控制氧化物的混入，大大的减少了内部的缺陷的数量，极大的提高了产品的质量。

为了实现上述目的，本发明提供一种热作模具钢，包括如下步骤：

A.将原料加入电弧炉内熔炼，随后通过钢包精炼炉和真空脱气炉进行二次精炼；再经过电渣重熔，之后浇注得钢锭；

所述A步骤中还对氧化物的形成及混入进行控制；

B.对钢锭进行三墩三拔压力加工；在钢锭墩拔前进行高温扩散处理；

C.将压力加工后的钢锭进行热处理的所述热作模具钢；

所述模具钢中各元素的重量百分比为，C：0.32-0.45％、Si：0.30-0.60％、Mn：0.40-0.70％、S≤0.004％、P≤0.015％、Cr：2.8-4.5％、Mo：1.2-1.4％、W：1.2-1.4％、V：0.5-0.8％及性能优化剂，其余为Fe和杂质。

根据本发明的热作模具钢的制备方法，所述氧化物的控制方法包括，所述

原材料进行抛丸处理及封闭式转运；原材料进炉前先进行烘干；所述A步

骤的熔炼过程中对铁水进行净化处理；浇注时，采用底注的方式充型；原

料加入及浇注过程吹保护气保护。

根据本发明的热作模具钢的制备方法，所述铁水进行净化处理的方法为：铁水完全熔化并达到目标温度后，停止加热20～30分钟，使铁水中的氧化物充分上浮至液面。

根据本发明的热作模具钢的制备方法，所述性能优化剂为，Nb：0.005-0.20％、Ni：0.003-0.02％。

根据本发明的热作模具钢的制备方法，所述性能优化剂中还包括Ti:0.09～0.13％。

根据本发明的热作模具钢的制备方法，所述性能优化剂中还包括B：0.1～0.15％。

根据本发明的热作模具钢的制备方法，所述模具钢中各元素的重量百分比为，C：0.36％、Si：0.42％、Mn：0.4％、S≤0.004％、P≤0.001％、Cr：3.3％、Mo：1.3％、W：1.3％、V：0.65％；Nb：0.008％、Ni：0.015％；其余为Fe和杂质。

根据本发明的热作模具钢的制备方法，所述模具钢中各元素的重量百分比为，C：0.33％、Si：0.55％、Mn：0.48％、S≤0.004％、P≤0.001％、Cr：4.3％、Mo：1.25％、W：1.35％、V：0.53％；Nb：0.15％、Ni：0.005％、Ti:0.11％；其余为Fe和杂质。

根据本发明的热作模具钢的制备方法，所述模具钢中各元素的重量百分比为，C：0.44％、Si：0.6％、Mn：0.6％、S≤0.004％、P≤0.001％、Cr：2.9％、Mo：1.35％、W：1.25％、V：0.7％；Nb：0.1％、Ni：0.01％、Ti:0.09％、B：0.12％；其余为Fe和杂质。

根据本发明的热作模具钢的制备方法，所述性能优化剂为稀土。

本发明通过二次精练、压力加工及热处理得到热作模具钢，其各元素的重量百分比为C：0.32-0.45％、Si：0.30-0.60％、Mn：0.40-0.70％、S≤0.01％、P≤0.02％、Cr：2.8-4.5％、Mo：1.2-1.4％、W：1.2-1.4％、V：0.5-0.8％及性能优化剂，其余为Fe和杂质。本发明通过在熔炼过程严格控制氧化物的混入，大大的减少了内部的缺陷的数量，极大的提高了产品的质量。

附图说明

图1是本发明的钢锭的铸型浇注系统的结构示意图；

图2是图1中A-A剖视的结构示意图；

图3是本发明的对比例的典型试块的X射线探伤图；

图4是本发明的实施例3的典型试块的X射线探伤图；

图5是本发明的对比例的典型试块的金相图；

图6是本发明的实施例1的典型试块的金相图；

图7是本发明的实施例1的报废模具断口形貌图；

图8是本发明的实施例2的报废模具断口形貌图；

在图中，1-铸件型腔，2-试块型腔，3-内浇道，4-集渣冒口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种热作模具钢，包括，模具钢中各元素的重量百分比为，C：0.32-0.45％、Si：0.30-0.60％、Mn：0.40-0.70％、S≤0.004％、P≤0.015％、Cr：2.8-4.5％、Mo：1.2-1.4％、W：1.2-1.4％、V：0.5-0.8％及性能优化剂，其余为Fe和杂质。

为细化晶粒提高钢锭的塑性，所述性能优化剂可以为Ni，也可以为Nb和Ni。

更好的，所述性能优化剂的重量百分比为，Ni：0.28-0.42％。

更好的，所述性能优化剂的重量百分比为，Nb：0.005-0.20％、Ni：0.003-0.02％。

本发明的性能优化剂中还可以采用稀土替代Ni或Nb和Ni。

为促进碳化物的形成，更好的使碳化物弥散分布，本发明的性能优化剂中还包括Ti:0.09～0.13％。

为改善最终钢锭的致密性，提高其热轧性能，本发明的性能优化剂中还包括B：0.1～0.15％。

所述热作模具钢的制备方法，包括如下步骤：

熔炼时，在铁水除渣后再加入性能优化剂，避免因过早加入导致有益元素烧损。

根据双层膜理论，铸件中的缺陷主要是由氧化物混入金属液中，进而为气孔、夹渣等缺陷提供缺陷核心，从而造成了缺陷。因此为控制质量铸件质量，需严格控制金属液中的氧化物。

氧化物控制的方法包括如下方面：

1.原材料处理

原材料不使用氧化物含量高的铁屑，使用生铁以及30～40％的回炉料。加料前，需对原材料进行氧化皮脱除处理。本发明在加料前对生铁和回炉料进行抛丸处理将氧化皮打掉。回炉料从抛丸工序到熔炼工序的转运过程中进行封闭式运输，避免运输过程中混入水分。

2.熔炼前处理

原材料在进炉前均进行烘干处理，避免水分进到炉内。更好的，熔炼加料过程中，对原料吹保护气，降低原料周围气氛中的氧含量，减少原料的氧化。

3.熔炼过程

熔炼过程中，对铁水进行净化处理。铁水完全熔化并达到目标温度后，停止加热20～30分钟，使铁水中的氧化物充分上浮至液面。之后在捞渣工序中被集中取出。

4.优化浇注工艺

浇注时，避免形成氧化物以及避免氧化物卷入铸件。浇注时，在浇口处吹保护气，降低气氛中的氧气含量，避免高温铁水被氧化。优化浇注系统，铁水以平流的方式注入型腔，避免氧化物卷入铸件，形成缺陷。

参见图2，本发明优化浇注系统的方法是内浇道3与铸件型腔1呈相切连接，避免铁水进入型腔时出现紊流，导致氧化物卷入型腔。

参见图1，本发明优化浇注系统的方法还可以是，采用底注的方式充型，使铁水的充型过程平稳，利于氧化物浮出，避免其留在铸件中。同时设置与铸件连接的集渣冒口4，氧化物以熔渣形式最终进入集渣冒口4，避免影响铸件质量。

本发明的保护气为惰性气体，如氩气。

B.对钢锭进行三墩三拔压力加工；更好的，在钢锭墩拔前进行高温扩散处理。高温扩散工艺：1230～1250℃下保温3～5小时，之后降温至1180℃，保温1～2小时后开锻。

C.将压力加工后的钢锭进行热处理的所述热作模具钢。

参见图1，发明人采用此浇注系统进行一系列的生产试验。造型时，设置与铸件型腔1相连通的试块型腔2。由于试块与铸件一起成型，因此，浇注后(A步骤后)对相应的试块进行检测来评判铸件的质量。钢锭本体则依次完成B和C两步。采用各种元素不同的组成设置如下的对比例及实施例。

对比例

C：0.36％、Si：0.45％、Mn：0.45％、S≤0.004％、P≤0.015％、Cr：3％、Mo：1.3％、W：1.4％、V：0.7％，其余为Fe和杂质。

发明人通过对初期在实验室内验证的若干组的数据进行优选，最终确定三组实施例进行生产试验的验证。

实施例1

模具钢中各元素的重量百分比为，C：0.36％、Si：0.42％、Mn：0.4％、S≤0.004％、P≤0.001％、Cr：3.3％、Mo：1.3％、W：1.3％、V：0.65％；Nb：0.008％、Ni：0.015％；其余为Fe和杂质。

实施例2

模具钢中各元素的重量百分比为，C：0.33％、Si：0.55％、Mn：0.48％、S≤0.004％、P≤0.001％、Cr：4.3％、Mo：1.25％、W：1.35％、V：0.53％；Nb：0.15％、Ni：0.005％、Ti:0.11％；其余为Fe和杂质。

实施例3

模具钢中各元素的重量百分比为，C：0.44％、Si：0.6％、Mn：0.6％、S≤0.004％、P≤0.001％、Cr：2.9％、Mo：1.35％、W：1.25％、V：0.7％；Nb：0.1％、Ni：0.01％、Ti:0.09％、B：0.12％；其余为Fe和杂质。

浇注后收集对应的试块进行致密度称量、X射线探伤、金相组织观察等检测。铸件本体完成C步骤后得到模具钢。将三个实施例得到的模具钢各制作三套挤压模具进行铝型材的批量生产试验，以期建立模具钢的成分组成与模具的使用寿命之间的关系。

一、致密度分析

造型前对试块进行编号，方便回收。考虑到严谨性，各组对比结果需建立在同一基础上，因此每炉铁水各生产一组对比例及实施例1～3的产品。

参见表一，与对比例相比，实施例1、实施例2和实施例3的试块的重量均取得了明显的增大。在试块体积一定的情况下，重量的增长说明试块内部的缺陷更少，也就是说铸件的致密度增高。

发明人还做了探伤试验，并选取典型图片分析说明。对比图3和图4，未添加性能优化剂的对比例的内部组织中分布着若干下缺陷，而添加了Nb、Ni、Ti、B等元素的实施例3的试块中缺陷数量和尺寸均明显减少。说明添加性能优化剂，的确显著提高了产品的致密性。当然实施例1和实例2的探伤结果也得到了一样的结论，此处不再展出图片。

二、内部组织分析

各试块均进行了金相组织观察，与对比例相比，实施例1～3均出现了明显的晶粒细化的情况。在此选取典型的图片分析说明，对比图5和图6，添加了性能优化剂Nb和Ni元素的实施例1的晶粒尺寸明显小于对比例的晶粒。说明Nb和Ni元素可以明显细化晶粒，优化内部组织，提高产品的强度及塑性。

三、模具钢的成分组成与模具使用寿命的关系

每个实施例各制作三套模具挤压模具进行铝型材的批量生产试验，直至模具报废，以挤压生产铝型材的总长度确定模具的使用寿命。之后每组实施例各选取寿命最长的报废模具，在裂纹集中位置取样，然后采用SEM观察断口形貌。

参见表2，三个实施例的挤压模的平均寿命均超过了两万米，与目前同类产品1万米左右的寿命相比，有了显著的进步。

参见图7和图8，断口中均出现了明显的疲劳辉纹说明断口为疲劳断裂。同时出现了“韧窝”，且“韧窝”多分布在晶界位置。“韧窝”处原来存在高强度的质点，疲劳开裂后，质点脱落形成“韧窝”形貌，因此根据“韧窝”的数量和分布状况即可判断原组织中弥散强化的程度及效果。

与图7相比，图8中“韧窝”数量明显多，分布也较广，说明性能优化剂中的Ti元素明显促进了弥散强化的效果。

表1试块称重及分析

注1：提高率1：以对比例为基础，实施例1的试块重量的提高百分比；

注2：提高率2：以对比例为基础，实施例2的试块重量的提高百分比；

注3：提高率3：以对比例为基础，实施例3的试块重量的提高百分比；

注4：表中的各对比例及实施例的试块重量的单位为Kg；

表2模具寿命

综上所述，本发明通过二次精练、压力加工及热处理得到热作模具钢，其各元素的重量百分比为C：0.32-0.45％、Si：0.30-0.60％、Mn：0.40-0.70％、S≤0.01％、P≤0.02％、Cr：2.8-4.5％、Mo：1.2-1.4％、W：1.2-1.4％、V：0.5-0.8％及性能优化剂，其余为Fe和杂质。本发明通过在熔炼过程严格控制氧化物的混入，大大的减少了内部的缺陷的数量，极大的提高了产品的质量。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种热作模具钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

所述A步骤中还对氧化物的形成及混入进行控制；

C.将压力加工后的钢锭进行热处理的所述热作模具钢；

所述模具钢中各元素的重量百分比为，C：0.32-0.45％、Si：0.30-0.60％、Mn：0.20-0.50％、S≤0.004％、P≤0.015％、Cr：2.8-4.5％、Mo：1.2-1.4％、W：1.2-1.4％、V：0.5-0.8％及性能优化剂，其余为Fe和杂质。

2.根据权利要求1所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述氧化物的控制方法包括，所述原材料进行抛丸处理及封闭式转运；原材料进炉前先进行烘干；所述A步骤的熔炼过程中对铁水进行净化处理；浇注时，采用底注的方式充型；原料加入及浇注过程吹保护气保护。

3.根据权利要求2所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述铁水进行净化处理的方法为：铁水完全熔化并达到目标温度后，停止加热20～30分钟，使铁水中的氧化物充分上浮至液面。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述性能优化剂为，Nb：0.005-0.20％、Ni：0.003-0.02％。

5.根据权利要求4所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述性能优化剂中还包括Ti:0.09～0.13％。

6.根据权利要求5所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述性能优化剂中还包括B：0.1～0.15％。

7.根据权利要求4所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述模具钢中各元素的重量百分比为，C：0.36％、Si：0.42％、Mn：0.4％、S≤0.004％、P≤0.001％、Cr：3.3％、Mo：1.3％、W：1.3％、V：0.65％；Nb：0.008％、Ni：0.015％；其余为Fe和杂质。

8.根据权利要求5所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述模具钢中各元素的重量百分比为，C：0.33％、Si：0.55％、Mn：0.48％、S≤0.004％、P≤0.001％、Cr：4.3％、Mo：1.25％、W：1.35％、V：0.53％；Nb：0.15％、Ni：0.005％、Ti:0.11％；其余为Fe和杂质。

9.根据权利要求6所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述模具钢中各元素的重量百分比为，C：0.44％、Si：0.6％、Mn：0.6％、S≤0.004％、P≤0.001％、Cr：2.9％、Mo：1.35％、W：1.25％、V：0.7％；Nb：0.1％、Ni：0.01％、Ti:0.09％、B：0.12％；其余为Fe和杂质。

10.根据权利要求1～3任意一项所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述性能优化剂为稀土。