CN110230009B - 一种具有良好切削性能的热作模具钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有良好切削性能的热作模具钢及其制备方法,该模具钢成分按重量百分比计如下：C：0.28％～0.31％，Si：0.56％～0.70％，Mn：1.10％～1.20％，P≤0.020％，S:0.01％～0.05％，V：0.40％～0.80％；Cr：7.00％～8.00％；Ni：0.20％～1.00％；Alt：≤0.01％，Cu：0.10％～0.30％，Ca：0.01％～0.02％，同时要求钢中气体含量[O]≤20ppm、[H]≤3ppm、[N]:80ppm～120ppm，余量为Fe及不可避免杂质。制备方法包括冶炼－大板坯连铸－加热－轧制－预处理－正火+回火；具有高切削性、高耐蚀性、适合连铸大板坯生产。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种具有良好切削性能的热作模具钢及其制备方法。
背景技术
热作模具钢多用于制造高温固态或高温液态金属压制成型的模具，因为优良的热强性、均质性以及高抛光度，越来越多的用于高精密的塑胶模具。由于该类材料工作环境一般比较恶劣，而对于材料成分、组织以及应用性能等要求极高。受成分、使用方式和要求影响，带来成本往往较高，终端用户对模具钢的要求也十分苛刻，而我国材料同国外先进企业相比，在稳定性上差距较大。
目前国内外热作模具钢产品主要采用大型模铸锭、电渣锭进行锻造方式生产，如申请号201510689315.6的发明《一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法》，采用电渣重熔后的钢锭两次均质，两次锻造，用于消除钢坯中的液析碳化物以及枝晶偏析所产生的带状组织，工艺复杂，能源消耗高。从成分设计角度，综合国内外热作模具钢研究现状，主要有2个方向：一是通过提高Mo、Ni元素以提高压铸模具钢的淬透性，从而将压铸模具钢截面做得更大，进口材料如8407等，又如申请号200610116358.6的发明《高热强性热作模具钢材料》，采用电渣和多次均匀化、退火、锻造工艺生产，而由于加入了接近传统材料2倍左右的高温热强性贵金属元素Mo，在得到良好性能的背后，材料成本大幅提高；二是通过降低C、Mn含量来限制钢的偏析，获得高韧性和优良的焊接性和高热导率；通过加入碳化物形成元素Cr、V、W等获得不同的二次硬化效果，降低Mo 含量，使得高温下强度不降或增加。如申请号200810101339.5的发明《一种低铬低成本热作模具钢》引入了另一种贵金属W，且Mo的含量并未显著减少，反而增加了原材料成本。
发明《一种热作模具钢板及其制备方法》(申请号： 201610459770.1)提出了采用模铸钢锭-轧制的一种解决方案，但是从生产形式上和性能方面并未看出轧制工艺对模铸方式决定的材料固有的偏析组织、初生相控制的有效手段，仅仅是在流程进行了简化，而且同样采用了高Mo的高成本成分设计。
综上，国内外模具钢普遍存在高成本，长流程、工艺复杂等问题，且受模铸材等原始凝固组织影响，性能可靠性、稳定性不佳。
除此之外，对于高精密塑胶模具用热作模具钢，往往采用传统的 H13类产品，仅用到了高温强度、高抛光度、高均质性等性能，材料加工性较差，因此不仅材料的原材料成本呈现过剩、而且带来不必要的加工难度。
通常提到易切削材料，人们往往想到采用S。对于精密模具普遍采用的模铸工艺，硫的偏析是造成其切削性能不均的一个主要因素。硫在钢锭头部形成正偏析，在钢锭尾部形成负偏析，因此，在锭的不同位置，其含量偏差很大，而采用连铸工艺生产时不会有这种偏析出现。连铸坯凝固速度快，因而硫化锰夹杂颗粒小(比模铸钢锭中硫化锰颗粒小)。此外，易切削钢钢液中氧含量很高，故极易生成硬的氧化物质点。在模铸锭中，氧化物易在底部集中，从而使钢材切削性能变化较大。连铸坯不存在氧化物偏析问题。
采用连铸工艺可以解决上述问题，但是由于热作模具钢产品高碳高合金的特点，往往仅能用于小型扁钢的生产，此外，高氧含量、高硫含量大大降低了钢水的表面张力，使钢渣分离困难，从而造成钢渣混卷，形成大量表面及皮下缺陷，漏钢风险极大，使连铸生产难以进行；由于S的控制，此类钢中的锰含量也很高，在高温下会与耐火材料中的某些成分发生理化反应，使耐火材料浸蚀，在连铸生产中造成溢钢或中间包漏钢等现象；易切削钢钢液粘度大，流动性差，为保证其可浇性必须提高浇注温度，而提高浇注温度对于一般材料影响有限，对于模具钢这种具有极高偏析性的材料来说，危害很大。因此针对应用更为高端的整体成型热流道材料，对于易切削类热作模具产品，大板坯连铸方式生产的可能性在之前几乎为零。只能采用大型钢锭“长时间均质化+多火、多向锻造”的方式生产。如，申请号201611205030.1的发明申请《高合金热作模具钢的制备工艺》、申请号201710203441.5的发明申请《一种热作模具钢锻件的制造工艺》等。
模具制造业未来的趋势是将向大型、精密、长寿命、高效率方向发展，开发更多具有优异性能的，更高效、更绿色的短流程的新型生产模式和模具钢成为未来的重要攻关方向。面对制造业大型、精密、长寿命、高效率方向发展，需要开发一种既适合连铸生产，又具有良好冲击性能、切削性能的模具钢及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种具有良好切削性能的热作模具钢及其制备方法，面对制造业大型、精密、长寿命、高效率方向发展，易切削成分设计，传统兼具高切削性、高耐蚀性、适合连铸大板坯生产，并提供该热作模具钢短流程、高效、绿色的制备方法及新型生产工艺流程。所述的模具钢中，X：垂直于轧向；Y：平行于轧向；Z：垂直于轧制平面。
一种具有良好切削性能的热作模具钢，该热作模具钢的成分按重量百分比计如下：C：0.28％～0.31％，Si：0.56％～0.70％，Mn： 1.10％～1.20％，P≤0.020％，S:0.01％～0.05％，V：0.40％～0.80％；Cr：7.00％～8.00％；Ni：0.20％～1.00％；Alt：≤0.01％，Cu： 0.10％～0.30％，Ca：0.01％～0.02％，同时要求钢中气体含量[O] ≤20ppm、[H]≤3ppm、[N]:80ppm～120ppm，余量为Fe及不可避免杂质。
本发明成分设计理由如下：
C：采用适当的碳获得马氏体组织，形成碳化物及二次相，提高材料的整体硬度，在某种程度上C是最经济的合金化元素。碳含量过高时，会使碳化物不均匀性增加，严重影响其韧性以及退火后的组织状态。本发明选择加入碳含量为0.28％～0.31％。
Si：对铁素体进行置换固溶强化非常有效，置换固溶强化一般引起铁的球面对称畸变，它能与刃形位错产生弹性交互作用。降低C 在铁素体中的扩散速度，在热作模具钢中，Si固溶在碳化物中起到稳定碳化物的作用。但是过高的Si不仅对于热作模具钢中的偏析(带状组织等)有不利影响(导致等向性能的下降)，此外对于奥氏体晶粒度也有有害的作用并且极易产生粗大的柱状晶粒，导致表面钢坯表面以及内部裂纹的产生，这对于连续铸造是不利的。过多的Si对于热作模具钢的热导率有不利影响。出于Si的综合影响，一般钢中均将其控制在脱氧范围之内。综合考虑到过低的Si对切削性的削弱作用，本发明控制Si在0.56％～0.70％。
S：本发明采用“VC-Cr23C6-Cu-Mn-S”综合作用机制，提升材料的切削性，因此仅需使用0.01％～0.05％的S。
Mn：一般用于固溶强化和稳定奥氏体的作用，此外还具有A类夹杂改性的作用，必须达到一定的含量，且过低过高都会从不同角度对连铸造成不利的影响，考虑到上述原因以及发挥全元素整体合金化的作用。本发明将Mn的作用深入挖掘和规划，选择加入Mn含量为 1.10％～1.20％。
Cr：铬可以增加钢的淬透性，提高回火稳定性，并产生二次硬化现象；铬是中强碳化物形成元素，在钢中与碳可以形成碳化物，也可溶于固溶体与Fe3C中，铬对钢的耐磨损性、高温强度、热态硬度、韧度都有有利的影响，同时它溶入基体中会显著改善钢的耐蚀性能，也是一种相对廉价的合金元素。在本发明的合金体系中，同时起到减小碳化物尺寸并提升碳化物均匀形核率的作用，因此，本发明选择加入Cr含量为7.00％～8.00％。
Cu：起到强化和提高切削性的作用，控制在0.10～0.30％。
V：采用较低的V和较高的Cr的综合弥散强化，相对较宽的工艺窗口内具有较强的二次析出效应，起到了优于Mo的强化作用，在本发明热作模具钢成分设计体系中，分别以Cr23C6和VC的形式存在，更为的经济。热作工具钢中的合金碳化物结构、稳定性与相应的合金元素d电子壳层和S电子壳层的电子缺欠程度相关。随着电子缺欠程度下降，金属原子半径随之减小、碳和金属元素的原子半径比增加，合金间隙相有向合金间隙化合物转化的趋势，而相应的碳化物稳定性减弱，其相应的奥氏体中溶解温度降低，相应的硬度值下降。出于上述考虑和发现，本发明选择加入V含量为：0.40％～0.80％，并采用N 元素进行辅助，起到弥散析出，控制二次相长大的作用。为了减少 Al对N的析出行为控制，采用SiMn合金脱氧的方式，对Al元素进行了严格控制，钢种冶炼成份的Alt需要不大于0.01％。
N：采用80～120ppm含量的元素可以在600-900℃极大的工艺窗口内促进V的沉淀相以细小、弥散的状态析出，起到提高强韧性和切削性的作用。
Ca：同Mn共同作用，起到质点改性的作用，本发明的Ca优选在0.01％～0.02％。
本发明中较常规钢中增加了0.20％-1.00％的Ni，主要用于提高材料生产、加工、使用过程的的强韧性，同时起到减小Cu裂影响的作用。
过多P会影响钢的均质性及纯净度，本发明P≤0.020％，无须过低控制。
对于气体含量需要精确控制，减少游离态原子对钢板性能的有害影响，控制钢中的[O]≤20ppm、[H]≤3ppm。
本发明技术方案之二是提供一种具有良好切削性能的热作模具钢的制备方法，包括冶炼-连铸-加热-轧制-热处理，进行冶炼－大板坯连铸－加热－轧制－预处理－正火+回火；
冶炼：采用转炉+LF+RH方式进行冶炼，采用喂线的方式进行增 S，并进行硫化物改性。本发明采用复合合金化的方式提升切削性，因此减少了增硫的难度及危害；
大板坯连铸：为保证连铸坯拉制成功，并得到良好的连铸坯质量，大板坯规格宽厚积X(m2)需要满足0.20≤X≤0.38，板坯厚度H(mm) 控制在100≤H≤400，大板坯宽度W(mm)控制范围在1200≤W≤ 2000；
连铸采用过热度18-27℃浇铸，保证材料的低偏析性并可有效的保证坯料内部及表面质量以及顺利浇铸。所述连铸坯出连铸弯矫段后，对连铸坯表层组织进行冷却，控制出坯温度范围在850-890℃，冷却速率控制在2-5℃/s，持续时间不大于1min；目的一方面在于细化表层晶粒，使得表层组织更快的进入相转变区，利用不同组织的热导率差异增加表面组织的韧性，进而提升抗裂能力。另一方面表层相变组织同连铸坯内部组织变形能力存在的差异有助于后续铸坯压下的控制，进而有助于对内部缩孔以及偏析组织的控制。
铸坯压下分为前后两段，前段压下量控制在2-5mm，后段压下量控制在3-5mm；
加热：所述连铸坯料下线不进行退火，不得堆垛，直装入炉，入炉温度550-750℃，优选在700-750℃入炉。
材料加热分为四个阶段，第一加热段温度控制在700-800℃，保温时间0.2min/mm，主要是降低内外表应力差。第二加热段温度控制在1000-1100℃，保温时间0.3-0.5min/mm，第三加热段温度控制在 900-1050℃，保温时间0.2-0.4min/mm，这两阶段主要用于铸坯精细组织控制的预处理。第四加热段温度控制在1180-1300℃，保温时间 0.3-0.7min/mm，总保温时间不大于10h。该加热制度作用有三，降低连铸坯料的裂纹敏感性，减小偏析组织对后续材料综合组织性能的遗传性影响，细化铸态组织，提高终态钢板切削性。
轧制：控制开轧温度为1100-1150℃，前两道次压下率在 15％-30％，全过程平均道次压下量控制在30mm以上，目的是利用高温大压下，促使低合金钢充分进行高温再结晶，使奥氏体晶粒充分细化，达到晶粒细化的作用，并为后续的组织控制打下基础。终轧温度控制在900-1050℃；轧后进入ACC冷却，冷却速率控制在5-10℃/s，终冷温度520-550℃；
轧制过程中采用大比例横-纵交替轧制生产，目的是形成三维空间均匀分布的位错组织，促进初生第二相组织在三维空间的弥散析出，此外还具有调整三维方向上晶粒组织分布的作用。在此基础上，要求K≥1.7；K＝Kw/KL，Kw:宽展方向变形率,％；KL:长度方向变形率，％。
预处理：控冷后钢板应随即进行预处理，入炉温度应控制在 400-500℃，预处理温度控制在850-910℃，入炉钢板需要快速升到目标温度，升温速度应控制在1-2min/mm范围之内，净保温时间 6-10min/mm，出炉温度700℃以下出炉堆垛空冷。
正火+回火：正火温度控制在950-1000℃，升温速率应控制在 1.5-2.5min/mm范围之内，保温时间3-6min/mm。
回火：正火之后立即进行回火，回火钢板入炉温度应控制在 350-370℃，回火温度控制在610-750℃，保温2-4h。
进一步，加热过程中，入炉温度为700-750℃。
进一步，在轧制过程中，钢坯变形50％之前，每道次轧制后钢坯表面进行表层冷却硬化，且冷却硬化后钢坯温度≥950℃；
本发明的有益效果在于：本发明面对制造业大型、精密、长寿命、高效率方向发展，提出“低C低Si高Mn”的连铸模具钢设计理念，通过V、Ni、Cr等元素的合理组合，结合在上述成分设计基础上轧制及热处理工艺的针对性设计，提供了一种新型热作模具钢以及适合热作模具钢生产短流程、高效、绿色的制备方法及新型生产工艺流程，产品各项性能优异，极具推广价值。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行冶炼－大板坯连铸－加热－轧制－预处理－正火+回火。
(1)大板坯连铸：
连铸采用过热度18-27℃浇铸，连铸坯出连铸弯矫段后，控制出坯温度范围在850-890℃，冷却速率控制在2-5℃/s，持续时间不大于 1min；
铸坯压下分为前后两段，前段压下控制在2-5mm，后段压下控制在3-5mm；
大板坯厚度H控制在100mm≤H≤400mm，大板坯宽度W控制范围在1200mm≤W≤2000mm，且大板坯规格宽厚积X需要满足 0.2m2≤X≤0.38m2；
(2)加热：所述连铸坯料下线不进行退火，直装入炉，入炉温度550-750℃，总保温时间不大于10h；
加热分为四个阶段，第一加热段温度控制在700-800℃，保温时间0.2min/mm；第二加热段温度控制在1000-1100℃，保温时间0.3-0.5min/mm；第三加热段温度控制在900-1050℃，保温时间 0.2-0.4min/mm；第四加热段温度控制在1180-1300℃，保温时间 0.3-0.7min/mm；
(3)轧制：控制开轧温度为1100-1150℃，前两道次压下率在 15％-30％，全过程平均道次压下量控制在30mm以上，终轧温度控制在900-1050℃；轧后进入ACC冷却，冷却速率控制在5-10℃/s，终冷温度520-550℃；
轧制过程中采用大比例横-纵交替轧制生产，综合变形率K≥ 1.7；；K＝Kw/KL，Kw:宽展方向变形率,KL:长度方向变形率；
(4)预处理：轧制之后钢板进行预处理，入炉温度应控制在 400-500℃，预处理温度控制在850-910℃，入炉钢板升温速度应控制在1-2min/mm范围之内，净保温时间6-10min/mm；
(6)正火+回火：正火温度控制在950-1000℃，升温速率应控制在1.5-2.5min/mm范围之内，保温时间3-6min/mm；
正火之后立即进行回火，回火钢板入炉温度应控制在350-370℃，回火温度控制在610-750℃，保温2-4h。
进一步，在步骤(2)加热过程中，入炉温度为700-750℃。
进一步，在步骤(3)轧制过程中，钢坯变形50％之前，每道次轧制后钢坯表面进行表层冷却硬化，且冷却硬化后钢坯温度≥950℃；
进一步，在步骤(4)预处理过程中，出炉温度700℃以下，出炉后堆垛空冷。
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢连铸主要工艺参数见表2。本发明实施例钢加热主要工艺参数见表3。本发明实施例钢轧制主要工艺参数见表4。本发明实施例钢高温预处理主要工艺参数见表5。本发明实施例钢正火主要工艺参数见表6。本发明实施例钢的性能见表7。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
表2本发明实施例钢连铸主要工艺参数
表3本发明实施例钢加热主要工艺参数
表4本发明实施例钢轧制主要工艺参数
表5本发明实施例钢预处理主要工艺参数
表6本发明实施例钢正火+回火主要工艺参数
表7本发明实施例钢的性能
为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，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，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (5)
1.一种具有良好切削性能的热作模具钢，其特征在于，该热作模具钢的成分按重量百分比计如下：C：0.28%~0.31%，Si：0.56%~0.70%，Mn：1.10%~1.20%， P≤0.020%，S:0.01%~0.05%，V：0.55%~0.80%；Cr：7.00%~8.00%； Ni：0.20%~1.00%；Alt：≤0.01%， Cu：0.10%~0.29%，Ca：0.01%~0.02%，同时要求钢中气体含量[O]≤20ppm 、[H]≤3ppm、[N] :80 ppm ~120ppm，余量为Fe及不可避免杂质。
2.一种权利要求1所述的一种具有良好切削性能的热作模具钢的制备方法，其特征在于：包括冶炼－大板坯连铸－加热－轧制－预处理－正火+回火；
（1）大板坯连铸：
连铸采用过热度18-27℃浇铸，控制出坯温度范围在850-890℃，冷却速率控制在2-5℃/s，持续时间不大于1min；
铸坯压下分为前后两段，前段压下控制在2-5mm，后段压下控制在3-5mm；
大板坯厚度H控制在100 mm≤H≤400 mm，大板坯宽度W控制范围在1200 mm≤W≤2000mm，且大板坯规格宽厚积X需要满足0.2 m2≤X≤0.38 m2；
（2）加热：所述连铸坯料下线不进行退火，直装入炉，入炉温度550-750℃，总保温时间不大于10h；
加热分为四个阶段，第一加热段温度控制在700-800℃，保温时间0.2min/mm；第二加热段温度控制在1000-1100℃，保温时间0.3-0.5min/mm；第三加热段温度控制在900-1050℃，保温时间0.2-0.4min/mm；第四加热段温度控制在1180-1300℃，保温时间0.3-0.7min/mm；
（3）轧制：控制开轧温度为1100-1150℃，前两道次压下率在15%-30%，全过程平均道次压下量控制在30mm以上，终轧温度控制在900-1050℃；轧后进入ACC冷却，冷却速率控制在5-10℃/s，终冷温度520-550℃；
轧制过程中采用大比例横纵交替轧制生产，综合变形率K≥1.7；其中，K=Kw/KL，Kw:宽度方向变形率，%； KL:长度方向变形率，%；
（4）预处理：轧制之后钢板进行预处理，入炉温度应控制在400-500℃，预处理温度控制在850-910℃，入炉钢板升温速度应控制在1-2min/mm范围之内，净保温时间6-10min/mm；
（5）正火+回火：正火温度控制在950-1000℃，升温速率应控制在1.5-2.5min/mm范围之内，保温时间3-6min/mm；
正火之后立即进行回火，回火钢板入炉温度应控制在350-370℃，回火温度控制在610-750℃，保温2-4h。
3.根据权利要求1所述的一种具有良好切削性能的热作模具钢的制备方法，其特征在于，在步骤（2）加热过程中，入炉温度为700-750℃。
4.根据权利要求1所述的一种具有良好切削性能的热作模具钢的制备方法，其特征在于，在步骤（3）轧制过程中，钢坯变形50%之前，每道次轧制后钢坯表面进行表层冷却硬化，且冷却硬化后钢坯温度≥950℃。
5.根据权利要求1所述的一种具有良好切削性能的热作模具钢的制备方法，其特征在于，在步骤（4）预处理过程中，出炉温度700℃以下，出炉后堆垛空冷。
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