CN111112623B - 一种组织致密喷射工模具钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种组织致密喷射工模具钢的制备方法，对工模具钢熔体进行氮、锆微合金化，氮加入量0.02～0.08wt％，锆加入量0.05～0.15wt％；中间包钢水过热度控制在30～80℃，利用高纯氮气使钢水雾化，喷嘴角度20～26°，沉积器旋转速度35～45转/分，得到工模具钢沉积坯；沉积坯在850～1000℃进行中温开坯，500～600℃稳定化处理后，在1050～1150℃扩散退火；采用“锻‑停‑锻‑停”非连续锻造工艺，锻造温度900～1100℃，每次锻造总压下量20～80％，中间停锻次数不少于2次，每次停锻等温时间15～60s；锻坯在400～600℃保温1～3h，进行退火预处理；再对锻坯进行炉冷退火或等温退火，得到成品。本方法生产出的喷射成型工模具钢组织致密均匀，碳化物细小、弥散，产品具有高硬度、耐磨性和韧性。

Description

一种组织致密喷射工模具钢的制备方法

技术领域

本发明涉及一种组织致密喷射工模具钢的制备方法，具体涉及一种可获得组织致密、均匀的工模具钢的方法。

背景技术

工模具钢是指高速钢和模具钢，具有高硬度、高耐磨性等优点，广泛应用于制造切削工具、精密模具等。为保证工模具钢的性能要求，工模具钢添加大量的碳和合金元素，形成大量的硬质、稳定的合金碳化物。然而，这同时使工模具钢易产生一次碳化物粗大、分布不均匀、带状组织偏析等组织质量问题，导致其硬度、红硬性和耐磨性下降。

传统工模具钢生产工艺为铸锻工艺，其流程为：冶炼→浇铸成电极棒→电渣重熔→高温开坯→锻造→轧制→退火。改善组织质量主要依赖高温开坯、锻造、轧制及热处理等热加工手段，然而该方法只有在锻压比很大的情况下对一次碳化物分布和元素偏析的改善效果才明显，但对一次碳化物尺寸的细化效果不够理想。铸锻工艺生产的工模具钢组织质量达不到高品质工模具钢对组织质量的严格要求。

粉末冶金工艺能够解决传统铸锻工模具钢组织质量问题，生产的产品组织细小、均匀。然而，粉末冶金工艺生产步骤繁琐、能耗大、生产成本高，导致粉末冶金工模具钢产品市场竞争力受到很大限制。

喷射成型作为一种先进工艺技术，同时具有粉末冶金快速冷却和材料近终成型的优点，制备工艺短、成本低，一次碳化物分布均匀，晶粒细小、偏析低。近年来，人们采用此工艺进行了高温合金、耐热钢、铝合金、高速钢等的研究与制备工作，取得了一定进展。然而，喷射成型工模具钢沉积坯容易存在组织疏松、致密度低等问题，一次碳化物尺寸较粉末冶金产品仍有一定差距，基体中析出的小颗粒二次碳化物数量偏少、弥散度不足，对材料性能产生不利影响。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种组织致密喷射工模具钢的制备方法，可获得组织致密、细小、均匀的工模具钢，解决了喷射成型沉积坯致密度低、一次碳化物尺寸偏大及二次碳化物数量不足等问题。

技术方案：本发明的一种组织致密喷射工模具钢的制备方法对钢液进行氮、锆微合金化，细化沉积坯组织；控制钢水过热度和沉积器旋转速度，提高沉积坯致密性，形成具有六方结构碳化物类型的沉积坯；对沉积坯进行中温开坯，诱导产生碳化物晶格缺陷，随后进行稳定化和扩散退火处理，使碳化物充分球化；采用“锻-停-锻-停”非连续锻造工艺，控制锻造温度、压下量、停锻次数和停锻等温时间，控制碳化物析出；锻坯经过必要的退火预处理，控制微区组织均匀性，最后进行成品退火。

该方法具体包括如下步骤：

1)熔体预处理：工模具钢熔化、精炼后，对钢液进行氮、锆微合金化；

2)低过热度浇注：将钢水倒入加热的中间包内，控制钢水过热度；

3)控制雾化沉积：中间包内的熔体通过雾化喷嘴喷射到沉积室内，控制雾化喷嘴角度和沉积器旋转速度，得到高致密度的沉积坯，形成具有六方结构的碳化物类型；

4)中温开坯：沉积坯经过去应力处理后，在设定温度区间进行预开坯；

5)稳定化：对上述沉积坯在设定的温度进行稳定化处理；

6)扩散退火：对稳定化处理的沉积坯进行扩散退火，使成分均匀化和碳化物球化；

7)非连续锻造：采用“锻-停-锻-停”工艺对沉积坯进行锻造，制成锻坯；

8)退火预处理：对上述锻坯进行退火预处理，以控制微区组织均匀性；

9)成品退火：采用常规炉冷退火或等温退火工艺对锻坯进行成品退火。

其中，

步骤1)中以重量百分比计算，氮加入量0.02～0.08wt％，锆加入量0.05～0.15wt％。

步骤2)中钢液过热度为30～80℃。

步骤3)中雾化喷嘴角度20～26°，沉积器旋转速度35～45转/分。

步骤4)中的中温开坯温度为850～1000℃。

步骤5)中稳定化温度为500～600℃，时间2～4h。

步骤6)中扩散退火温度为1050～1150℃，时间1～5h。

步骤7)中非连续锻造工艺为“锻-停-锻-停”工艺，即每次锻造后静置一段时间后再继续锻造；非连续锻造的锻造温度900～1100℃，每次锻造总压下量20～80％，中间停锻次数不少于2次，每次停锻时间15～60s。

步骤8)中退火预处理温度400～600℃，保温1～3h；

步骤9)中成品退火温度840～920℃，保温2～6h，炉冷。

有益效果：本发明通过对工模具钢熔体预处理，在钢液中加入氮、锆进行微合金化，细化沉积坯组织；采用过热度浇注，并控制雾化喷嘴角度和沉积器旋转速度，改善沉积坯疏松缺陷和冶金质量，得到六方结构的碳化物类型；采用中温开坯和稳定化处理，在碳化物中引入晶格缺陷；采用扩散退火，使上述带有缺陷的一次碳化物充分球化；采用“锻-停-锻-停”的非连续锻造工艺，控制锻造温度、每次锻造总压下量、中间停锻次数和每次停锻时间，析出细小的碳化物粒子；采用退火预处理，改变锻材元素分布状态，为成品退火做好的必要的组织准备；在非连续锻造和退火预处理基础上，采用成品退火，使二次碳化物大量弥散析出。采用上述方法生产出的喷射工模具钢组织致密，一次碳化物尺寸细小、均匀，二次碳化物数量多，满足了高品质工模具钢的组织要求。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的生产工艺进行详细说明。

实施例1：

1)M2高速钢熔炼、精炼后，进行氮、锆微合金化，氮加入量0.02wt％，锆加入量0.05wt％；

2)钢水过热度控制在80℃左右，通过雾化喷嘴喷射到沉积室内；采用高纯氮气使钢水雾化，其中雾化压力2MPa，雾化喷嘴角度20°、沉积器旋转速度35转/分，得到高致密度的M2沉积坯；

3)M2沉积坯经过去应力处理后，在850℃开坯；

4)将锻造后的M2沉积坯加热到500℃保温4h；

5)将M2沉积坯加热到1100℃保温3h，使碳化物球化细化；

6)对M2沉积坯进行非连续锻造，始锻温度1100℃，第一次锻造压下量20％，停锻时间30s，第二次锻造压下量30％，停锻时间20s，停锻温度950℃左右；

7)M2锻坯加热到400℃保温3h，进行退火预处理；

8)M2锻坯加热到860℃保温4h，炉冷退火。

实施例2：

1)M2高速钢熔炼、精炼后，进行氮、锆微合金化，氮加入量0.05wt％，锆加入量0.1wt％；

2)钢水过热度控制在50℃左右，通过雾化喷嘴喷射到沉积室内；采用高纯氮气使钢水雾化，其中雾化压力4MPa，雾化喷嘴角度22°、沉积器旋转速度40转/分，得到高致密度的M2沉积坯；

3)M2沉积坯经过去应力处理后，在1000℃开坯；

4)将锻造后的M2沉积坯加热到550℃保温3h；

5)将M2沉积坯加热到1150℃保温2h，使碳化物球化细化；

6)对M2沉积坯进行非连续锻造，始锻温度1100℃，第一次锻造压下量20％，停锻时间30s，第二次锻造压下量25％，停锻时间40s，第三次锻造压下量30％，停锻时间60s，停锻温度900℃左右；

7)M2锻坯加热到500℃保温2h，进行退火预处理；

8)M2锻坯加热到880℃保温3h，炉冷退火。

实施例3：

1)M2高速钢熔炼、精炼后，进行氮、锆微合金化，氮加入量0.08wt％，锆加入量0.15wt％；

2)钢水过热度控制在30℃左右，通过雾化喷嘴喷射到沉积室内；采用高纯氮气使钢水雾化，其中雾化压力3MPa，雾化喷嘴角度26°、沉积器旋转速度45转/分，得到高致密度的M2沉积坯；

3)M2沉积坯经过去应力处理后，在900℃开坯；

4)将锻造后的M2沉积坯加热到600℃保温2h；

5)将M2沉积坯加热到1120℃保温3h，使碳化物球化细化；

6)对M2沉积坯进行非连续锻造，始锻温度1080℃，第一次锻造压下量20％，停锻时间20s，第二次锻造压下量20％，停锻时间30s，第三次锻造压下量30％，停锻时间50s，停锻温度900℃左右；

7)M2锻坯加热到500℃保温2h，进行退火预处理；

8)M2锻坯加热到900℃保温2h，炉冷退火。

实施例4：

1)H13模具钢熔炼、精炼后，进行氮、锆微合金化，氮加入量0.06wt％，锆加入量0.12wt％；

2)钢水过热度控制在80℃左右，通过雾化喷嘴喷射到沉积室内；采用高纯氮气使钢水雾化，其中雾化压力2MPa，雾化喷嘴角度20°、沉积器旋转速度35转/分，得到高致密度的H13沉积坯；

3)H13沉积坯经过去应力处理后，在900℃开坯；

4)将锻造后的H13沉积坯加热到600℃保温2h；

5)将H13沉积坯加热到1100℃保温3h，使碳化物球化细化；

6)对H13沉积坯进行非连续锻造，始锻温度1080℃，第一次锻造压下量25％，停锻时间30s，第二次锻造压下量30％，停锻时间30s，第三次锻造压下量30％，停锻时间40s，停锻温度920℃左右；

7)H13锻坯加热到450℃保温3h，进行退火预处理；

8)H13锻坯加热到860℃保温4h，炉冷退火。

实施例5：

1)H13模具钢熔炼、精炼后，进行氮、锆微合金化，氮加入量0.04wt％，锆加入量0.10wt％；

2)钢水过热度控制在30℃左右，通过雾化喷嘴喷射到沉积室内；采用高纯氮气使钢水雾化，其中雾化压力3MPa，雾化喷嘴角度26°、沉积器旋转速度45转/分，得到高致密度的H13沉积坯；

3)H13沉积坯经过去应力处理后，在950℃开坯；

4)将锻造后的H13沉积坯加热到550℃保温3h；

5)将H13沉积坯加热到1080℃保温4h，使碳化物球化细化；

6)对H13沉积坯进行非连续锻造，始锻温度1100℃，第一次锻造压下量20％，停锻时间15s，第二次锻造压下量30％，停锻时间30s，停锻温度950℃左右；

7)H13锻坯加热到500℃保温2h，进行退火预处理；

8)H13锻坯加热到840℃保温6h，炉冷退火。

实施例6：

1)H13模具钢熔炼、精炼后，进行氮、锆微合金化，氮加入量0.08wt％，锆加入量0.08wt％；

2)钢水过热度控制在50℃左右，通过雾化喷嘴喷射到沉积室内；采用高纯氮气使钢水雾化，其中雾化压力2.5MPa，雾化喷嘴角度22°、沉积器旋转速度40转/分，得到高致密度的H13沉积坯；

3)H13沉积坯经过去应力处理后，在1000℃开坯；

4)将锻造后的H13沉积坯加热到500℃保温4h；

5)将H13沉积坯加热到1130℃保温3h，使碳化物球化细化；

6)对H13沉积坯进行非连续锻造，始锻温度1100℃，第一次锻造压下量20％，停锻时间15s，第二次锻造压下量20％，停锻时间20s，第三次锻造压下量20％，停锻时间30s，第四次锻造压下量20％，停锻时间40s，停锻温度900℃左右；

7)H13锻坯加热到600℃保温1h，进行退火预处理；

8)H13锻坯加热到900℃保温2h，炉冷退火。

Claims (4)

1.一种组织致密喷射工模具钢的制备方法，其特征在于该制备方法对钢液进行氮、锆微合金化，细化沉积坯组织；控制钢水过热度和沉积器旋转速度，提高沉积坯致密性，形成具有六方结构碳化物类型的沉积坯；对沉积坯进行中温开坯，诱导产生碳化物晶格缺陷，随后进行稳定化和扩散退火处理，使碳化物充分球化；采用“锻-停-锻-停”非连续锻造工艺，控制锻造温度、压下量、停锻次数和停锻等温时间，控制碳化物析出；锻坯经过必要的退火预处理，控制微区组织均匀性，最后进行成品退火；

该方法具体包括如下步骤：

1）熔体预处理：工模具钢熔化、精炼后，对钢液进行氮、锆微合金化；

2）低过热度浇注：将钢水倒入加热的中间包内，控制钢水过热度，即钢液过热度为30～80℃；

3）控制雾化沉积：中间包内的熔体通过雾化喷嘴喷射到沉积室内，控制雾化喷嘴角度和沉积器旋转速度，得到高致密度的沉积坯，形成具有六方结构的碳化物类型；

4）中温开坯：沉积坯经过去应力处理后，在设定温度区间进行预开坯，中温开坯温度为850～1000℃；

5）稳定化：对上述沉积坯在设定的温度进行稳定化处理；

6）扩散退火：对稳定化处理的沉积坯进行扩散退火，使成分均匀化和碳化物球化；扩散退火温度为1050～1150℃，时间1～5h；

7）非连续锻造：采用“锻-停-锻-停”工艺对沉积坯进行锻造，制成锻坯；即非连续锻造工艺为“锻-停-锻-停”工艺，即每次锻造后静置一段时间后再继续锻造；非连续锻造的锻造温度900~1100℃，每次锻造总压下量20～80%，中间停锻次数不少于2次，每次停锻时间15～60s；

8）退火预处理：对上述锻坯进行退火预处理，以控制微区组织均匀性；退火预处理温度400～600℃，保温1～3h；步骤9）中成品退火温度840～920℃，保温2～6h，炉冷；

9）成品退火：采用常规炉冷退火或等温退火工艺对锻坯进行成品退火。

2.根据权利要求1所述的组织致密喷射工模具钢的制备方法，其特征在于，步骤1）中以重量百分比计算，氮加入量0.02～0.08wt%，锆加入量0.05～0.15wt%。

3.根据权利要求1所述的组织致密喷射工模具钢的制备方法，其特征在于，步骤3）中雾化喷嘴角度20～26°，沉积器旋转速度35～45转/分。

4.根据权利要求1所述的组织致密喷射工模具钢的制备方法，其特征在于，步骤5）中稳定化温度为500～600℃，时间2～4h。