CN110512061A - 一种连铸坯直锻生产模具钢的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连铸坯直锻生产模具钢的工艺方法。具体为：对连铸坯进行预处理，在1280‑1320℃均质20h以上；对均质化后的连铸坯进行较小压下(10‑15％)比变形；然后以正常径锻的旋转进给的速度，从锻坯一端开始表面喷水冷却，形成硬壳，钢材表面温度处于920～980℃时，进行两道次大压下(总压下比45～50％)重锤径锻。之后设置4～5％小压下量的精整道次。终锻温度在850‑900℃；经过晶粒细化、退火，得到产品。本发明通过将连铸坯特殊处理、两次硬壳径锻，创造出有利于连铸坯中心缺陷捏合的动力学条件，彻底地消除了连铸坯中心的连续性疏松气孔等缺陷、分解液析碳化物以及由于枝晶偏析所产生的带状组织。

Description

一种连铸坯直锻生产模具钢的工艺方法

技术领域

本发明涉及特钢生产领域，具体而言，涉及一种连铸坯直锻生产高质量模具钢的工艺方法。

背景技术

目前广泛使用的模具钢，主要是采用铸锭或电渣锭经均质化—锻造制成的。连铸坯由于其中心连续性(贯穿性)疏松、缩孔等缺陷，常规加热→锻造→晶粒细化→退火工艺不能够生产出探伤无缺陷的模具钢材料。而比较铸锭和电渣锭，连铸坯内部液析碳化物较小、组织相对均匀、成材率高成本低的优势没有发挥出来。使用本发明以连铸坯为原材料，经连铸坯锯切，截面特殊的预处理→高温均质化→轻锻锻件表面→表面水冷→重锤强力径锻→锻造余温晶粒细化→球化退火→精整入库，能够生产出高质量、低成本的模具钢较大规格圆钢。

利用连铸坯液析碳化物尺寸小，分布相对均匀的优势，采用特别的预处理、均质化、锻造工艺生产出高韧性、高等向性的大截面模具钢，以此为原材料制造高质量、长寿命的大型模具是现代汽车、电子家电、轨道交通运输业发展的需求。

模具钢通常含有Cr、Mo、V等提高钢材红硬性的合金元素，在凝固过程中产生液析碳化物和由于枝晶偏析出现的带状组织，这种现象在大截面铸锭、电渣锭的中心尤其严重。液析碳化物和枝晶偏析使得钢材的韧性和各向同向性大大降低，研究表明：超过3μm的液析碳化物每平方毫米从1个增加至2个，钢材的延展性就要降低近一倍。可见，采用这种组织的模具材料不能满足压铸、挤出与精密锻造等严酷作业环境的要求，模具寿命很低，甚至发生模具整体开裂现象。

本发明采用连铸坯直锻生产模具钢锻材，充分利用连铸坯快速结晶液析碳化物尺寸小、分布相对均匀的优势，经特殊的连铸坯预处理、高温均质化、特殊的锻造工艺，消除连铸坯中心连续性缺陷并分解扩散合金元素，生产出高韧性、高等向性的模具钢。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于采用连铸坯为原材料、提供一种高质量模具钢低成本的生产工艺方法，所述的生产方法通过锯切连铸坯预处理，均质化和特殊锻造的组合工艺，彻底消除了连铸坯中心的连续疏松、缩孔以及钢坯中的液析碳化物以及由于枝晶偏析所产生的带状组织，获得了高韧性、高延展性、高等向性的模具钢。

本发明的第二目的在于提供一种高韧性、高等向性模具钢，所述的模具钢具有韧性高、延展性高、等向性高等优点，与此同时，由于连铸坯成材率高、成本低，从而使得本发明在获得高质量模具钢的同时降低成本。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下工艺技术方案：

一种连铸坯直锻生产模具钢的工艺方法，包括下列步骤：

步骤A：对锯切连铸坯进行端面封堵，置入加热炉内进行高温均质化：连铸坯中心达到1280-1320℃后均质保温20h；

步骤B：将从炉内取出的连铸坯，装入径锻机钳口，并在空气预冷至表面温度1200-1220℃，预冷时间约3-5分钟，开锻；

步骤C：首先进行两个道次的轻锤径锻，致使表面密实；创造硬壳强力径锻的条件，单道次压下比5-7.5％(25-35mm)，总压下比10-15％；

步骤D：调整径锻机进入重锤强力锻造程序，并将锻件退到预先设置的水喷嘴处(距离锻锤2～3米处)，将锻件以正常锻造的进给速度和旋转速度通过喷水冷却；

步骤E：喷水量以3～5m³/分钟，以正常进给旋转锻件到达锻锤时表面温度为920～980℃为宜；

步骤F：进行两次重锤强力径锻，总压下比为45～50％；重锤道次，单道次下压量可设为20-25％变形量，两个重锤道次即可；

步骤G：两次重锤强力径锻后，轻锤径锻获得高质量表面；为保表面质量设置4～5％压下量的预精整道次和精整道次；

步骤H：精整后的锻件，迅速置入水槽，按产品的尺寸规格进行进出水快速冷却，当锻件表面温度低于250℃时，停止入水，完成晶粒细化。

步骤I：出水后的锻件，迅速装入预热温度为400℃的退火炉内，进行退火工艺。

上述生产方法能够彻底消除连铸坯中的中心连续性疏松、缩孔、液析碳化物以及由于枝晶偏析所产生的带状组织，从而提高钢的韧性、延展性和等向性等模具性能。其消除原理是：

首先针对连铸坯心部长度方向连续性缩孔、疏松，在锯切后加热高温均质化过程中造成心部缩孔、疏松表面的再氧化，从而阻碍了这些缺陷的锻压焊合。在入炉加热前，对锯切端面进行封堵。封堵层厚度为3-5毫米，防止高温均质化过程中，空气通过疏松进入连铸坯内部。在加热炉内进行高温均质化、连铸坯心部到达指定温度并保温至少20小时间后，首先经轻锤径锻压实连铸坯表面层，创造大压下比强力径锻的条件，喷水急冷将连铸坯表面温度降至920～980℃，心部温度仍然处于高温(1150℃以上)的情况下，进行大压下比强力径锻。目的是利用表面低温变形抗力大、有效传递应力到中心部位，将高温低变形抗力小的心部在大压下比的条件下产生剧烈的心部变形，从而使得心部疏松与缩孔压实。

以上过程中，每一步工序的温度、时间对于是否能够焊合疏松、缩孔，消除液析碳化物以及由于枝晶偏析所产生的带状组织至关重要。例如，在步骤A和B中，端面封堵质量直接关系到是否能够彻底阻断空气中的氧气进入连铸坯内部；均质化过程若温度低于下限则液析碳化物不能分解，不能有效扩散致使均质化效果很差，高于上限可能造成晶间熔化；若均质化时间过短则不能够实现碳与合金元素，如Cr，Mo，V等元素充分扩散均匀；大压比时强力径锻的表面与心部温度差过低都无法使得锻坯内部产生足够的变形量，从而不能焊合心部缺陷。

由此可见，上述生产方法有效地封堵连铸坯截面、通过高温均质化分解液析碳化物并扩散分解后富集的合金元素(包括碳元素)。通过晶粒细化使得高温均质化形成的过大的奥氏体晶体转变成为细小马氏体组织，在随后进行的球化退火过程中形成铁素体与细小球形碳化物，为客户进行模具热处理做好组织准备。在与现有技术相当的均质化时间内获得了韧性、延展性、等向性更高的模具钢。该生产方法可用于制作多种型号的模具钢，例如H13(4Cr5MoSiV1)、H11(4Cr5MoSiV)、1.2714(5CrNiMo)、4Cr5Mo2V、4Cr13，Cr12MoV等。

优选地，锯切连铸坯端面封堵过程中，封堵层要求能够充分阻止空气中的氧通过端部缺陷进入钢坯内部。端部封堵完成的钢坯装入加热炉内，入炉时炉内温度不得超过450℃，随炉升温至均质化温度，升温速度不超过200℃/小时。均质化温度：1300℃；均质化时间：心部到达均质化温度后20小时。

优选地，在钢坯表面温度为1220～1240℃时进行小压下比表面压实，密实的表面为随后进行的硬壳强力径锻创造条件，1～2个道次的轻锤径锻，单道次压下比5～7.5％，总压下比10～15％。

优选地，将完成表面压实的钢坯推出到预先设置的距离锻锤2～3米的喷水处。调整径锻进入重锤强力锻造程序，开启喷水强制冷却钢坯表面，钢坯以重锤程序的进给速度和旋转速度通过强制冷却喷水区。喷水量以3～5m³/分钟，采用4～6个喷水嘴，每个喷水嘴直径≤6毫米，喷水覆盖0.5～0.8延长米。调整喷水量，以进给旋转锻件到达锻锤时表面温度为920～980℃为宜。

优选地，所述两道次重锤强力径锻，单道次压下比：＞20％；总压下比：～50％。表面喷水急冷使得表面温度920～980℃，心部温度处于高温(1150℃)时进行，在最大进给量和最大压下量的变形条件下，钢坯心部必然产生最大的变形量，从而有效拟合连铸坯心部的连续性疏松，裂纹等缺陷。

优选地，所述晶粒细化的方法为：余温淬火细化晶粒。利用径锻速度快，钢坯降温速度相对慢的特点，在终锻温度后迅速将锻制毛坯置于水槽进行淬冷处理，获得马氏体组织。通过出水入水控制冷却速度与毛坯表面与心部的温差，使之低于400℃。最终出水2分钟后表面温度低于250℃，标志马氏体转变已经全部完成。

优选地，所述退火的方法为：球化退火至材料硬度≤185HB，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物。

一种模具钢，采用上文所述的工艺方法制得。

与上文所述，该模具钢具有韧性高、延展性高、等向性高等优点。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)模具钢连铸坯具有生产成本低，成材率高的特点。由于连铸坯结晶速度快，形成的液析碳化物颗粒小，分布相对均匀，相同原因导致连铸坯心部容易产生连续性疏松，连续性穿缩孔。如果通过特殊的锯切连铸坯表面封堵处理，表面降温并单向大压下比锻造。一方面消除疏松和缩孔，另一方面使得金属元素充分扩散，彻底消除组织偏析，就能够在较低生产成本的基础上，制成韧性、高等向性的模具钢。

(2)心部连续性疏松和缩孔的冷态连铸坯在锯切截断后，表面的疏松与缩孔，有可能在锻造加热时成为空气(氧气)的输送管道。入炉加热前在锯切端面进行封堵，封堵可以采用堆焊，高温涂料等方法，使得连铸坯在高温长时间均质化过程中心部位的疏松与缩孔内表面没有氧化。

(3)加热炉取出处于高温的连铸坯置于径锻钳口上预冷2～5分钟，当钢坯表面温度处于920～980℃时进行1～2道次的轻锤预锻，单道次压下比为5～7.5％，总压下比为10～15％。目的是压实钢坯表面，创造重锤强力径锻的条件。

(4)重锤强力径锻是在钢坯表面温度与心部温度超过150℃的情况下进行的。表面温度低，变形抗力大；心部温度高，变形抗力小，在大压下比强力径锻(尤其是4个锤头同时压下的情况下)，心部必然产生更大比例的变形，使得钢坯心部的疏松，气孔，裂纹等缺陷得到有效捏合。

(5)根据径锻速度快，钢坯降温速度慢的特点，利用锻造余温，在轻锤精整道次后，立即将钢坯置于水中，根据钢坯直径采用不同的进出水组合均匀并快速冷却钢坯，使之完成马氏体转变。完成马氏体转变的钢坯装入＞400℃的退火炉内进行球化退火，获得铁素体与球状碳化物的组织，为客户进行最终热处理做好组织准备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为实施例1中连铸坯直锻成材的流程图；

图2为实施例1中硬壳强力径锻的流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1：

一种连铸坯硬壳强力径锻生产高质量模具圆钢的工艺方法：

第一步：经退火的连铸坯φ500毫米(钢种类型号为H13(4Cr5MoSiV1))，锯切截取长度为1500毫米。

第二步：连铸坯两个锯切端面的采用高温防氧化涂料封堵，涂料封堵至少涵盖2/3的端部中心表面。

第三步：封堵后的连铸坯置于加热炉内加热至1300℃，中心达到设定温度后保温20小时的均质化处理。

第四步：均质化后的连铸钢坯坯，转运到径锻机操作钳上，空气中预冷2～5分钟，在钢坯表面温度为1200～1240时，进行两个道次的轻锤径锻，单道次压下比为6％(压下量为30毫米)。

第五步：调整径锻机进入重锤大压下比径锻程序，将钢坯一端退到距离锻锤2～3米处，以重锤径锻的旋转进给速度，用流量为3～5立方米/分钟的喷水快速冷却钢坯表面。水量调整以钢坯达到锻锤处表面温度为920～980℃为标准。

第六步：进行两个道次的重锤强力径锻，单道次压下比：95毫米(22％)；总压下比：190毫米(44％)。

第七步：完成两个道次的硬壳重锤强力锻造径锻后，进入两个道次的精整道次，单道次压下量12毫米(压下比为5％)，总压下量为24毫米(总压下比：～10％)。

第八步：完成精整径锻后，立即将钢坯置于水槽中，以水(5分钟)→空气(2分钟)→水(3分钟)→空气(2分钟)→水(2分钟)→空气(2分钟)→水(2分钟)→空气(2分钟)，钢坯表面温度230℃。

第九步：完成水淬冷后立即将钢坯置入预热温度为400℃的退火炉内，待温。完成整个批次的锻造后，开始进行球化退火的升温→控制降温工艺。

第十步：当退火炉温降低到400℃以下，将钢坯从退火炉出炉空冷至室温。

第十一步：进行无损探伤，高低倍金相组织，硬度，冲击功，力学性能检测。达到设定技术质量标准后入库。

Claims (4)

1.一种连铸坯直锻生产模具钢的工艺方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤A：对锯切连铸坯进行端面封堵，置入加热炉内进行高温均质化：连铸坯中心达到1280-1320℃后均质保温20h以上；

步骤B：将从炉内取出的连铸坯，装入径锻机钳口，并在空气预冷至表面温度1200-1220℃，预冷时间约3-5分钟，开锻；

步骤C：首先进行两个道次的轻锤径锻，致使表面密实；创造硬壳强力径锻的条件，单道次压下比5-7.5％，总压下比10-15％；

步骤D：调整径锻机进入重锤强力锻造程序，并将锻件退到预先设置的水喷嘴处，将锻件以正常锻造的进给速度和旋转速度通过喷水冷却；

步骤E：喷水量以3～5m³/分钟，以正常进给旋转锻件到达锻锤时表面温度为920～980℃为宜；

步骤F：进行两次重锤强力径锻，总压下比为45～50％；单道次下压量设为20-25％变形量，两个重锤道次即可；

步骤G：两次重锤强力径锻后，轻锤径锻；为保表面质量设置4～5％压下量的预精整道次和精整道次；

步骤H：精整后的锻件，迅速置入水槽，按产品的尺寸规格进行进出水快速冷却，当锻件在空气中2分钟后表面温度低于250℃时，停止入水，完成晶粒细化。

步骤I：出水后的锻件，迅速装入预热温度为400℃的退火炉内，进行退火工艺。

2.根据权利要求1所述的连铸坯直锻生产模具钢的工艺方法，其特征在于，步骤A中所述的端面封堵的方法采用堆焊或涂覆高温氧化涂料。

3.根据权利要求1所述的连铸坯直锻生产高质量模具钢的工艺方法，其特征在于，步骤I中所述退火工艺的为：球化退火至材料硬度≤185HB。

4.一种模具钢，采用如权利要求1-3之一所述的工艺方法制得。