CN110669982A - 一种具有高纯净性微合金化模具钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有高纯净性微合金化模具钢及其制备方法，其化学成分的重量百分比为：C 0.38％‑0.48％，Si 1.50％‑2.00％，Mn 0.60％‑0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr 4.80％‑5.80％，Mo 0.60％‑0.90％，W 0.70％‑1.00％，Nb 0.03％‑0.08％，Sr 0.005％‑0.015％，Ca 0.002％‑0.008％；其中Sr+Ca≥0.01％，余量为Fe及不可避免杂质。本发明设计了一种微合金化成分，配以适当工艺，使其具有优异综合性能及高效的生产流程，获得优异综合性能及生产周期短、成本低的高品质模具钢。

Description

一种具有高纯净性微合金化模具钢及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料生产技术领域，尤其涉及一种具有高纯净性微合金化模具钢及其制备方法。

背景技术

模具行业被称为“制造业之母”，过去三十年间，在中国逐渐发展为全球制造业中心的过程中，模具行业在国内得以蓬勃发展。当下随着中国制造业的转型与升级，高端模具制造成为国内众多模具制造公司的发展方向。对于高端模具制造从业者来说，其中最重要一环是选择高品质的模具钢作为原材料以获得模具设计性能。

热作模具钢是消耗最快和要求最高的模具钢之一。热作模具钢要求材料具有高的淬透性、高的高温强度、高的耐磨性、高的韧度等。其中，模具钢的纯净度对钢材的强度、塑性、断裂韧性、切削、疲劳等性能均有很大影响。试验表明，夹杂物的成分、数量、形状、分布以及在基体中的空间分布等都直接影响模具钢的物理特性，进而对模具的使用性能和寿命产生直接影响。

近年来国内一些钢铁制造企业、研究单位和高校一直以热作模具钢作为研究和开发对象，力求我国生产的热作模具钢材能达到国外优质钢的水平，并不断创新研究开发。

申请号为CN201610459770.1的专利《一种热作模具钢板及其制备方法》中热作模具钢成分按质量百分数％计，C：0.45-0.55，Si：0.20-0.80，Mn：0.50-0.80，Cr：3.00-3.50，Mo：1.30-1.80，V：0.05-0.20，Nb：0.02-0.10，P≤0.015，S≤0.005。工艺流程为炼钢-浇注钢锭-加热-开坯-扩氢-加热-轧钢-热处理，钢板本身具有良好的综合性能。但是其焖钢需6小时以上，扩氢处理需保温48小时以上，生产周期相当长。

申请号为CN201210020349.2的专利《一种铝压铸模用热作模具钢》对热作模具钢的化学成分进行了优化设计，减少了C含量，调整Mo、Co的含量，由此能够有效地抑制作为压铸模型使用时从水冷孔开始的裂纹，在小于或等于500℃的低温回火，得到不易发生从水冷孔开始的裂纹的小于或等于HRC45的硬度。但是该种热作模具钢不能保证其他机械性能。

申请号为CN201610977623.3的专利《高红硬性高耐磨性热作模具钢材及其生产工艺》发明的热作模具钢成分按质量百分比计为：C：0.50-0.75，Si：≤1.50％，Mn：≤0.50％，P：0％-0.030％，S：0％-0.030％，Mo：2.50％-3.50％，Cr：4.20％-5.50％，V：0.60％-2.20％，Ni≤0.025％，Cu≤0.10％，其中Ni+Cu≤0.35％。该种热作模具钢克服了现有材料使用硬度不宜超过HRC52的问题，其能够满足HRC53-58的使用硬度，从而使用寿命至少提高2倍。但是其不能保证热作模具钢的冲击性能，且其成品钢需5-7天退火，生产效率低。

申请号CN200910199544.4的专利《复合微合金化高热强性热作模具钢及其制备方法》发明的热作模具钢具有高的纯净度、高的热强性、好的热稳定性同时具有优异的热疲劳性能。其成分及重量百分比为：C 0.25％-0.40％，Si 1.0％-1.8％，Mn 0.01％-0.3％，Cr3.5％-5.0％，Mo 2.0％-3.5％，V 0.8％-1.5％，Nb 0.03％-0.07％，稀土元素(Ce+La)0.05％-0.1％，P<0.02％，S<0.02％。同时添加Mo和V，且Mo元素含量较高，合金成本高。采用5-10h高温均质化处理及锻造固溶处理，生产周期长，成本高昂。

申请号CN201510776761.0的专利《一种提高4Cr5MoSiV1热作模具钢性能的制备方法》在控氧条件下添加纯稀土La和Ce，经扩散均匀化退火，三维方向的三次镦粗、拔长锻造，锻后水、空气双介质交替快速冷却，其得到的4Cr5MoSiV1热作模具钢具有稳定的回火组织及极佳的等向性，但是难以保证热稳定性。

综上，提高热作模具钢性能只有两个途径：一是优化钢种成分以及开发新钢种；二是在已固有成分的基础上改进生产流程以及优化生产工艺。

发明内容

本发明提供了一种具有高纯净性微合金化模具钢及其制备方法，设计一种微合金化成分，配以适当工艺，使其具有优异综合性能及高效的生产流程，获得优异综合性能及生产周期短、成本低的高品质模具钢。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种具有高纯净性微合金化模具钢，其化学成分的重量百分比为：C 0.38％-0.48％，Si 1.50％-2.00％，Mn 0.60％-0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr 4.80％-5.80％，Mo 0.60％-0.90％，W 0.70％-1.00％，Nb 0.03％-0.08％，Sr 0.005％-0.015％，Ca 0.002％-0.008％；其中Sr+Ca≥0.01％，余量为Fe及不可避免杂质。

本发明钢成分设计理由如下：

C：是控制马氏体强度的关键因素，也是影响韧性的主要因素。对热作模具钢而言，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化，另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。这种合金碳化物除少量残留的以外，还要求它在回火过程中在回火马氏体基体上弥散析出碳化物产生二次硬化现象，均匀分布的残留合金碳化物和回火马氏体组织来决定热作模具钢的性能。为保证热作模具钢的综合机械性能，本发明选择加入C含量为0.38％-0.48％。

Si：硅作为钢中的合金元素，可提高淬火温度，提高淬透性。Si也为提高回火抗力的有效元素。Si降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，增加回火稳定性。近期研究表明：加入适量的Si有助于改善钢的韧性，但随着Si含量的增加，球化的碳化物尺寸变大，间距增加，促进偏析，形成带状组织，使横向性能低于纵向。因此，本发明选择加入Si含量为1.50％-2.00％。

Mn：钢中含有Mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与S有较大的亲合力，可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS，改善钢的热加工性能。由于本发明降低Mo的含量，因此可突出Mn和Si的作用，本发明选择加入Mn含量为0.60％-0.80％。

P、S：过多会影响钢的均质性及纯净度，但考虑到生产成本，本发明选择加入P≤0.015％，S≤0.015％。

Cr：铬对热作模具钢的耐磨性、高温强度、热态硬度、韧性和淬透性都有有利的影响。铬一部分固溶到基体起到固溶强化作用，另一部分与碳结合形成碳化物。淬火加热时铬溶于奥氏体，淬火后固溶于马氏体中，可以提高钢的抗回火软化能力，回火时由基体中析出，一般形成合金碳化物，随着回火温度的升高及时间的延长有粗化的趋势。本发明选择加入Cr含量为4.80％-5.80％。

Mo：钼在钢中可提高钢的淬透性，同时在钢中形成特殊的碳化物，提高钢的二次硬化能力和回火稳定性，钼与碳结合，在回火时析出更多细小短杆状碳化物，对提高钢的回火稳定性起了很大的作用。由于其成本过高，因此采用W元素来代替部分Mo元素。本发明选择加入Mo含量为0.60％-0.90％。

Nb：本发明采用以Nb代V的设计思路，Nb相对于V更易形成稳定细小弥散的MC型碳化物，Nb与C、N均有较强的亲和力，其碳、氮化物溶解温度很高。在奥氏体化时，这些微合金化碳、氮化物部分不溶解，阻碍奥氏体晶粒长大，相变时作为晶核，促使晶粒细化，添加少量Nb即可得到显著效果。本发明选择加入Nb含量为0.03％-0.08％。

Sr、Ca：热作模具钢在凝固过程中由于偏析而在固液前沿产生碳化物，其尺寸在几微米甚至几十微米以上，热稳定性高，难以在后续热变形过程中消除，在材料服役过程中容易产生应力集中并引起微观裂纹生成及扩展。因此需控制液析碳化物的种类、尺寸、含量及分布。本发明采用Sr、Ca微合金共同作用，降低液析碳化物的分解温度，使其经过常规淬火+回火热处理即可消除液析碳化物的危害。同时使钢液净化，夹杂物上浮排出钢液中，使该种模具钢具有高的纯净性，对钢中残留夹杂物的形态进行变质处理，使其形状由长条形变为纺锤形或短条状，并均匀弥散分布于基体中，进而改善钢的等向性能。两种元素同时添加可达到1+1＞2的效果，但添加过量可相互制约，因此本发明中添加Sr为0.005％-0.015％，Ca为0.002％-0.008％，Sr+Ca≥0.01％。

本发明采用Sr+Ca微合金化，以Nb代V，增W降Mo的设计思路进行合金成分优化以兼顾合金成本及热作模具钢性能。

钢板不同位置处非金属夹杂物评级A类为粗系0-0.5，细系0-0.5；B类为粗系0-1.0，细系0-1.0；C类为粗系0-0.5，细系0-0.5；D类为粗系0-0.5，细系0-1.0。

一种具有高纯净性微合金化模具钢的制备方法，采用铁水预处理-感应炉熔炼方式进行冶炼，浇注成钢锭，将钢锭放于电渣重熔装置中进行二次精炼；

将电渣钢锭进行轧制预变形，变形量控制在20％-25％，随后进行高温均质化处理，将电渣锭加热到1230-1280℃，并保温2-4h；

板坯开轧温度控制在1100-1180℃，第一道次压下量控制在10％-15％，第二道次压下量控制在20％-25％，第三道次压下量控制在10％-15％；

精轧阶段开轧温度控制在810-850℃，第一道次压下量控制在18％-22％，第二道次压下量控制在20％-25％；终轧温度790-840℃，成品厚度为80-150mm；

采用淬火+回火的热处理工艺，淬火温度1010-1050℃，保温30-60min，第一次回火温度500-560℃，保温2-3h，空冷至室温；回火2-3次，每次回火温度较上次降低8℃-15℃，保温时间相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用Sr+Ca微合金化，以Nb代V，增W降Mo的设计思路进行合金成分优化以兼顾合金成本及热作模具钢性能。采用电渣重熔工艺去除钢内各类夹杂的作用和良好的结晶条件，使该种热作模具钢具有良好的纯净度。其铸态组织精细、致密、均匀，无白点、疏松和缩孔，偏析较小。采用机械扩散与热扩散共同作用，使该种热作模具钢成分均匀化，大大缩短合金元素均匀化所需要的时间，提高生产效率，减小生产成本，生产出的热作模具钢具有高的纯净度，洛氏硬度为58-60HRC，特厚钢板的不同位置均质度控制在3HRC之内，等向性能为0.889-0.931，具有优异的综合性能，符合模具钢未来发展方向，是具有发展潜力的高品质模具钢。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明：

一种具有高纯净性微合金化模具钢，其化学成分的重量百分比为：C 0.38％-0.48％，Si 1.50％-2.00％，Mn 0.60％-0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr 4.80％-5.80％，Mo 0.60％-0.90％，W 0.70％-1.00％，Nb 0.03％-0.08％，Sr 0.005％-0.015％，Ca 0.002％-0.008％；其中Sr+Ca≥0.01％，余量为Fe及不可避免杂质。

钢板不同位置处非金属夹杂物评级A类为粗系0-0.5，细系0-0.5；B类为粗系0-1.0，细系0-1.0；C类为粗系0-0.5，细系0-0.5；D类为粗系0-0.5，细系0-1.0。结果优于NADCA#207高级优质钢标准要求，本发明的模具钢具有较高的纯净性。

一种具有高纯净性微合金化模具钢的制备方法，采用铁水预处理-感应炉熔炼方式进行冶炼，浇注成钢锭，将钢锭放于电渣重熔装置中进行二次精炼；

电渣重熔工艺由于“渣洗”去除钢内各类夹杂的作用和良好的结晶条件，使该种模具钢具有良好的纯净度。结晶是由下而上逐次地进行，铸态组织精细、致密、均匀，无白点、疏松和缩孔，偏析较小。可使该种产品的金相组织和化学成分均匀，表面光洁，硫含量极低，非金属夹杂物少且细小弥散。本发明的钢锭经电渣重熔后轧成的钢板，横向塑性、韧性可大大提高，改善了各向异性，具有良好的内部质量及均质性。

将电渣钢锭进行轧制预变形，变形量控制在20％-25％，随后进行高温均质化处理，将电渣锭加热到1230-1280℃，并保温2-4h；

本发明采用机械扩散与热扩散共同作用，使该种热作模具钢成分均匀化，防止成分偏析，改善钢的凝固组织，且大大缩短合金元素均匀化所需要的时间，较常规成分均匀化时间8-10h缩短至2-4h，减少占用加热炉时间，提高生产效率，减小生产成本。

板坯开轧温度控制在1100-1180℃，在轧制阶段过程用高压水充分除磷，第一道次压下量控制在10％-15％，第二道次压下量控制在20％-25％，第三道次压下量控制在10％-15％；使热作模具钢组织充分奥氏体化，促进高温再结晶，为后续控制轧制做好组织准备。

精轧阶段开轧温度控制在810-850℃，第一道次压下量控制在18％-22％，第二道次压下量控制在20％-25％；终轧温度790-840℃，成品厚度为80-150mm；

由于成品钢板目标厚度属于超厚规格，因此本发明采用低温大压下轧制，可达到细化晶粒、组织均匀，提高该种模具钢综合力学性能、改善轧材表面质量的目的。轧后钢板进行堆垛缓冷。

采用淬火+回火的热处理工艺，淬火温度1010-1050℃，保温30-60min，第一次回火温度500-560℃，保温2-3h，空冷至室温；回火2-3次，每次回火温度较上次降低8℃-15℃，保温时间相同。

模具钢淬火为了获得该种钢所能达到的最大硬度，为了得到该种材料的高强度且避免韧性降低，需设定该种淬火温度上限。随后进行回火使模具钢硬度下降，主要是由于淬火时形成过饱和高硬度的马氏体，过饱和马氏体在热力学是不稳定的状态，在回火处理时，将会发生碳合金元素的脱溶，伴随着马氏体硬度的逐渐降低。回火后，析出细小弥散的碳化物，使钢板具有稳定均匀的组织及良好的综合性能。

以下实施例仅为本发明的一些最优实施方案，并不对前述发明范围和技术手段有任何限制。其中表1为各实施例所涉及的成分，表2为实施例钢锭的预变形与加热工艺，表3为实施例的热轧工艺，表4为实施例的热处理工艺，表5为实施例不同位置处非金属夹杂物的评级结果，表6为终态钢板的洛氏硬度性能，表7为各实施例的等向性能。

表1本发明实施例热作模具钢化学成分(wt％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	W	Nb	Sr	Ca
												1	0.39	1.50	0.70	0.011	0.013	5.20	0.70	0.80	0.07	0.007	0.006
2	0.42	1.90	0.65	0.012	0.012	5.60	0.80	0.95	0.04	0.009	0.003
												3	0.45	1.70	0.80	0.014	0.010	5.80	0.60	1.00	0.05	0.015	0.002
4	0.47	1.60	0.75	0.015	0.015	5.00	0.85	0.75	0.08	0.005	0.008
												5	0.38	2.00	0.60	0.013	0.014	4.80	0.90	0.70	0.03	0.010	0.004
6	0.48	1.80	0.78	0.010	0.011	5.40	0.75	0.85	0.06	0.008	0.007

表2实施例连铸坯的预变形与加热工艺

实施例	变形量(％)	加热温度(℃)	保温时间(h)
				1	21	1240	3.8
2	22	1230	4
				3	25	1270	2.2
4	20	1250	3
				5	23	1260	3.5
6	24	1280	2

表3实施例的热轧工艺

表4实施例的热处理工艺

表5为实施例及对比例不同位置处非金属夹杂物的评级结果

表6终态钢板的洛氏硬度性能(实施例、对比例)

表7各实施例及对比例的等向性能

Claims (3)

1.一种具有高纯净性微合金化模具钢，其特征在于，其化学成分的重量百分比为：C0.38％-0.48％，Si 1.50％-2.00％，Mn 0.60％-0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr4.80％-5.80％，Mo 0.60％-0.90％，W 0.70％-1.00％，Nb 0.03％-0.08％，Sr 0.005％-0.015％，Ca 0.002％-0.008％；其中Sr+Ca≥0.01％，余量为Fe及不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的一种具有高纯净性微合金化模具钢，其特征在于，钢板不同位置处非金属夹杂物评级A类为粗系0-0.5，细系0-0.5；B类为粗系0-1.0，细系0-1.0；C类为粗系0-0.5，细系0-0.5；D类为粗系0-0.5，细系0-1.0。

3.一种如权利要求1或2所述的具有高纯净性微合金化模具钢的制备方法，其特征在于，

采用铁水预处理-感应炉熔炼方式进行冶炼，浇注成钢锭，将钢锭放于电渣重熔装置中进行二次精炼；

将电渣钢锭进行轧制预变形，变形量控制在20％-25％，随后进行高温均质化处理，将电渣锭加热到1230-1280℃，并保温2-4h；

板坯开轧温度控制在1100-1180℃，第一道次压下量控制在10％-15％，第二道次压下量控制在20％-25％，第三道次压下量控制在10％-15％；

精轧阶段开轧温度控制在810-850℃，第一道次压下量控制在18％-22％，第二道次压下量控制在20％-25％；终轧温度790-840℃，成品厚度为80-150mm；

采用淬火+回火的热处理工艺，淬火温度1010-1050℃，保温30-60min，第一次回火温度500-560℃，保温2-3h，空冷至室温；回火2-3次，每次回火温度较上次降低8℃-15℃，保温时间相同。