CN111876662B

CN111876662B - 一种热作模具钢钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN111876662B
Application number: CN202010562686.9A
Authority: CN
Inventors: 何广霞; 黄军; 苗丕峰; 吴扬; 葛恒贵; 储炜清; 李国忠; 许晓红; 白云
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2040-06-18
Also published as: CN111876662A

Abstract

本发明涉及一种热作模具钢钢板的制造方法，热轧成型步骤：(1)钢水冶炼；(2)钢水浇铸成钢锭，钢锭脱模后加罩缓冷48小时以上，缓冷结束后表面带温清理；(3)开坯轧制：对钢锭再加热，轧至预制板坯，预制板坯下线堆缓冷，表面清理、切帽口；(4)二次轧制：预制板坯再加热，设置开轧温度1050～1150℃，单道次压下量控制在20‑70mm，轧制完成后下线加罩堆缓冷，缓冷至室温；(2)热处理：钢板依次进行退火、淬火、回火，其中退火是要实现组织均匀，淬火采用风冷获得马氏体组织，回火是要获得马氏体回火组织和细小的碳化物。钢板内部致密性非常高，满足了热作模具钢芯部质量的苛刻要求；热处理后晶粒度≥7.0级，组织均匀，具有较好的抗回火软化能力。

Description

一种热作模具钢钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于铁基合金领域，尤其涉及一种热作模具钢钢板的制造方法。

背景技术

模具材料一般分为冷作模具、热作模具和塑料模具，模具性能的好坏最主要体现在材料的使用寿命上。当前，对于中低档模具材料，国内企业普遍可以生产，但是对于高档模具材料，主要还是依赖于进口。据统计，我国模具每年消耗近百亿元，热作模具钢消耗总量达到10万吨以上，为各类合金工模具钢产量的首位，这其中进口热作模具钢占据消耗总量大半。

热作模具钢为例，一般要求材料具备高淬透性、高耐磨性、高韧度、高抗热裂能力及高耐熔损性能等，这要求材料在成分控制、纯净度、致密度、性能的均匀性等方面均得到良好的控制。

发明内容

本发明的目的主要是提供一种热作模具钢钢板及其制造方法。

本发明的热作模具钢钢板，属于高碳高合金钢，钢板最大生产厚度可达110mm。芯部性能优异，全截面硬度差能够被控制在2.0HRC以内，表明钢板的性能均匀性较好；按照GB/T 10561 A法检验夹杂物，夹杂物总级别不大于2.5级；钢板探伤满足≤Φ2.0mm的缺陷当量水平，表明该钢板的内部致密性非常高，满足了对高性能要求热作模具钢芯部质量的苛刻要求；热处理后钢板的晶粒度≥7.0级，组织均匀，钢板具有较好的抗回火软化能力。此外，相应的制备方法较该模具钢的锻件具有生产成本低、生产周期短的优点，便于推广应用。

本发明热作模具钢钢板的获得主要包括元素组分的设计和制造方法的设计。

其中，合金元素：按质量百分比计为C：0.52～0.62％，Si：0.10～0.30％，Mn：0.40～0.80％，Ni：1.70～3.00％，Cr：0.70～1.10％，Mo：0.40～0.60％，Al：0.02～0.05％，V：0.10-0.25％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Sb：≤0.003％，Sn：≤0.010％，As：≤0.012％，H：≤0.0002％，其余为Fe和不可避免的杂质。

合金元素中，C能够显著提高钢板的强度和硬度，同时C能够增加淬透性，所以C控制在0.52～0.62％；Si主要作为炼钢时的还原剂和脱氧剂使用，有一定的固溶强化作用，所以Si控制在0.10～0.30％；Mn通过固溶强化提高钢的强度，对韧性也有利；Ni能够提高钢的韧性和塑性，同时也增加强度，本发明的Ni控制在1.70～3.00％；Cr能大幅提高的淬透性，提高钢的强度和硬度，但同时降低钢的韧性和塑性；Mo存在于固溶体和碳化物中，可提高淬透性和强度及回火稳定性，提高热作模具钢在一定温度下使用的稳定性；Al是炼钢过程中脱氧元素，且能起到细化晶粒的作用，另外适量的Al含量有助于提升钢铁材料的抗氧化性和抗腐蚀性能；V与C形成的碳化物，可提高高温高压下钢种抗氢腐蚀能力；V是模具材料中常使用的元素，其固溶性好，形成的V(N,C)在沉淀强化方面具有独特的优势，本发明控制V的范围在0.10-0.25；P、S是有害元素，P增加钢的脆性，降低塑性和冷加工性能，S降低钢的延展性和韧性，在热加工过程中造成裂纹，故尽量减少P、S含量；Sb、Sn、As是有害元素，容易在晶界偏析，降低钢的抗回火脆化性能，应尽量减少；H在钢铁材料中容易形成白点，增加钢的氢脆倾向，应尽量降低其含量。

本申请钢板是以钢锭轧制成材，步骤包括：

(1)炼钢，选用优质废钢进行电炉冶炼，电炉出钢目标P≤0.010％，出炉温度为1630±15℃；LF精炼：保持白渣时间≥20min，总精炼时间≥45min，钢水扒渣处理，控制目标S≤0.004％；钢水经VD真空脱气处理，要求真空度≤0.5mbar且真空保持时间≥25min后破空。

(2)浇铸：钢锭模适当预热后进行浇铸，全程采用氩气保护浇铸，严格控制浇铸温度、浇铸速度、脱帽口时间等工艺参数，浇铸成钢锭。钢锭脱模后加罩缓冷时间≥48小时，钢锭缓冷结束后表面带温清理，保证钢锭表面无裂纹等缺陷，清理温度保持在100-200℃。

(3)开坯轧制：利用均热炉对钢锭进行分段加热，具体方式为：加热至600～800℃，保温3-4h；再加热至950～1150℃，保温5-6h；继续加热至1200～1260℃，保温4-6h，均热温度为1180～1260℃，钢锭出钢表面温度控制在1220±20℃。出炉后对钢锭进行开坯轧制，经高压水除磷后开轧温度为1050～1150℃，轧制的总压缩比为3～5，终轧温度800～900℃，轧至左右的预制板坯，预制板坯下线堆缓冷，下线温度≥600℃，带温温度保持在100-200℃进行表面清理、切帽口。

(4)二次轧制：预制板坯带温入连续炉加热，加热工艺与钢锭加热工艺一致，开轧温度为1050～1150℃，轧制单道次压下量控制在20-70mm，轧制结束前增加平整道次，轧制完成后，钢板在表面温度600～700℃时下线，加罩堆缓冷，缓冷至室温。

(5)热处理：采用“退火+淬火+回火”工艺，退火加热温度为850～900℃，退火保温时间为2.0～2.5min/mm，随炉冷却至300℃后出炉空冷；淬火加热温度为850～880℃，淬火保温时间为1.8～2.0min/mm，出炉后风冷；回火加热温度为580～640℃，回火保温时间为2.5～4.5min/mm，出炉后在空气中冷却，即获得钢板成品。

与现有技术相比，本发明的特点在于：本发明的热作模具钢钢板，使之应用于结构复杂、精密、特长寿命要求的压铸模、高性能压铸模和挤压模等模具的制作，具有高韧性的同时又满足具备较好的抗热裂性、淬透性能、耐磨性能。

为了实现上述目的，在钢水冶炼阶段，通过VD生产，控制浇铸前钢水氢含量≤1ppm，另外，钢锭脱模后缓冷处理，钢锭开坯及二次轧制后的钢板均高温下线缓冷处理，目的都是对氢进行扩散逃逸，有效提高钢板加工成模具后使用过程中的抗氢腐蚀能力。

本发明以钢锭成材，一方面给有助于提高材料的压缩比，提高钢板的内部致密度，另外，去除帽口处的钢锭内部质量较连铸板坯更优异，表现在中心偏析、中心疏松等缺陷得到了遏制，有助于提升模具材料的使用寿命。

本发明制造的热作模具钢钢板时，在开坯轧制前对钢锭、在二次轧制前对预制钢板均采用了阶段加热的方式，其目的是防止材料表面和心部的温差大而导致加热过程中开裂，并可以促进材料中的合金元素充分固溶，保证最终模具钢板的成分均匀、组织均匀和性能均匀。

本发明在轧制过程中均采用了高温大压下轧制工艺，设置了较高的开轧温度，较大的单道次压下量，较大的压缩比，都是为了消除表里差异、获得组织均匀的热轧钢板，高温大压下充分保证轧制力能够渗透到材料芯部，确保钢板全截面组织的细化，提高钢板芯部与表面性能的均匀性。

本发明热处理采用退火+淬火+回火的独特工艺，通过退火均匀成分，为后续的淬火获得均匀细小组织打下基础，淬火后风冷获得均匀无夹杂的均匀马氏体组织，然后通过合理的回火处理使钢材在全厚度方向可以得到均匀的回火索氏体及少量残余奥氏体组织，在先进行的退火和淬火工艺能够尽可能地减小回火过程中元素的偏析现象即异相组织形成，使最后的晶相均匀单一，从而确保钢板的心部组织及性能的均匀性，同时亦提高了钢材高温条件下的使用性能。

附图说明

图1为本发明实施例中107mm厚钢板沿板厚方向1/2处的组织形态图(500╳)。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

热作模具钢钢板的化学成分按wt％为C：0.52～0.62，Si：0.10～0.30，Mn：0.40～0.80，Ni：1.70～3.00，Cr：0.70～1.10，Mo：0.40～0.60，Al：0.02～0.05，V：0.10-0.25，P：≤0.015，S：≤0.005，Sb：≤0.003，Sn：≤0.010，As：≤0.012，H：≤0.0002，其余为Fe和不可避免的杂质。

热作模具钢钢板的制备步骤如下：

(2)浇铸：钢锭模适当预热后进行浇铸，全程采用氩气保护浇铸，严格控制浇铸温度、浇铸速度、脱帽口时间等工艺参数，浇铸成21吨重的钢锭。钢锭脱模后加罩缓冷时间≥48小时，钢锭缓冷结束后表面带温清理，保证钢锭表面无裂纹等缺陷，清理温度保持在100-200℃。

(3)开坯轧制：利用均热炉对钢锭进行分段加热，具体方式为：加热至600～800℃，保温3-4h；再加热至950～1150℃，保温5-6h；继续加热至1200～1260℃，保温4-6h，均热温度为1180～1260℃，钢锭出钢表面温度控制在1220±20℃。出炉后对钢锭进行开坯轧制，经高压水除磷后开轧温度为1050～1150℃，轧制的总压缩比为3～5，终轧温度800～900℃，轧至200-300mm厚度左右的预制板坯，预制板坯下线堆缓冷，下线温度≥600℃，带温温度保持在100-200℃进行表面清理、切帽口。

表1实施例1-3热作模具钢钢板的元素成分

表2实施例1-3热作模具钢钢板的工艺参数

表3实施例1-3热作模具钢钢板的性能

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种热作模具钢钢板的制造方法，其特征在于：包括

（一）元素组分设计：按质量百分比计为C：0.52～0.62%，Si：0.10～0.30%，Mn：0.40～0.80%，Ni：1.70～3.00%，Cr：0.70～1.10%， Mo：0.40～0.60%， Al：0.02～0.05%，V：0.10-0.25%，P：≤0.015%，S：≤0.005%，Sb：≤0.003%，Sn：≤0.010%，As：≤0.012%，H：≤ 0.0002%，其余为Fe和不可避免的杂质；

（二）成型工艺包括如下步骤：

（1）钢水冶炼：参照元素成分设计冶炼钢水，包括初炼、精炼、真空脱气；

（2）浇铸：将冶炼后的钢水浇注入钢锭模，浇铸成钢锭，钢锭脱模后加罩缓冷48小时以上，钢锭缓冷结束后表面带温清理，清理温度保持在100-200℃；

（3）开坯轧制：对钢锭进行分段加热，钢锭出钢表面温度在1220±20℃，开轧温度为1050～1150℃，终轧温度800～900℃，轧至预制板坯，预制板坯下线堆缓冷，下线温度≥600℃，带温温度在100-200℃时进行表面清理、切帽口；

（4）二次轧制：预制板坯再加热，采用分段加热，出炉后轧制，开轧温度1050～1150℃，单道次压下量控制在20-70mm，轧制完成后下线加罩堆缓冷，缓冷至室温；

（5）热处理：缓冷后的钢板依次进行退火、淬火、回火，其中退火是要实现组织均匀，淬火采用风冷获得马氏体组织，回火是要获得马氏体回火组织和细小的碳化物，退火加热温度为850～900℃，退火保温时间为2.0～2.5min/mm，随炉冷却至300℃后出炉空冷；淬火加热温度为850～880℃，淬火保温时间为1.8～2.0min/mm，出炉后风冷；回火加热温度为580～640℃，回火保温时间为2.5～4.5min/mm，出炉后在空气中冷却。

2.根据权利要求1所述的热作模具钢钢板的制造方法，其特征在于：步骤（1）初炼是采用电炉冶炼，电炉出钢目标P≤0.010%，出炉温度为1630±15℃；精炼时白渣保持时间≥20min，总精炼时间≥45min，钢水扒渣处理，调节目标S≤0.004%；钢水真空脱气处理时真空度≤0.5mbar，真空保持时间≥25min后破空。

3.根据权利要求1所述的热作模具钢钢板的制造方法，其特征在于：步骤（2）钢水入模前，钢锭模进行预热，浇铸过程中采用氩气保护防止浇铸时钢水氧化。

4.根据权利要求1所述的热作模具钢钢板的制造方法，其特征在于：步骤（3）采用均热炉对钢锭进行分段加热，具体加热方式：加热至600～800℃，保温3-4h；再加热至950～1150℃，保温5-6h；继续加热至1200～1260℃，保温4-6h，均热温度为1180～1260℃。

5.根据权利要求1所述的热作模具钢钢板的制造方法，其特征在于：步骤（3）开坯轧制的总压缩比为3～5。

6.根据权利要求1所述的热作模具钢钢板的制造方法，其特征在于：步骤（4）的预制板坯的加热方式与步骤（3）的钢锭加热方式一致。

7.根据权利要求1所述的热作模具钢钢板的制造方法，其特征在于：步骤（4）轧制结束前增加平整道次，轧制完成后，钢板在表面温度600～700℃时下线。