CN112375982A - 一种超细化铬钼系热作模具钢锻造圆钢工艺 - Google Patents

一种超细化铬钼系热作模具钢锻造圆钢工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超细化铬钼系热作模具钢锻造圆钢工艺，目的是通过采用特殊的超细化控制技术，解决大锻制圆钢心部组织和冲击韧性达到技术要求的问题。本发明采用LF炉白渣法、VD脱气炼钢工艺提高钢水纯净度；对电渣重熔熔速的控制以及锻造前扩散均质化处理，改善大型钢锭的铸态组织偏析和钢的热加工塑性；并通过对大型电渣锭采用多火次、多方向的三维锻造方法，破碎碳化物和改善心部显微组织均匀性；成品材热处理锻后利用余热直接水空交替淬水和等温球化退火，均匀细化钢材显微组织。制造的Ф600mm～Ф800mm超细化铬钼系热作模具钢锻造圆钢，达到NADCA#207标准优质级技术水平。

Description

一种超细化铬钼系热作模具钢锻造圆钢工艺
技术领域
本发明属于热作模具钢锻造领域，具体涉及一种超细化铬钼系热作模具钢锻造圆钢工艺，圆钢直径为Ф600mm～Ф800mm。
背景技术
模具钢是特殊合金钢，常用模具钢一般按照用途和工作条件分为三大类，即冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。热作模具钢主要用于制造对高温状态的金属进行热成形的模具，如热锻模具、热挤压模具等。这类钢含碳量一般为0.3％～0.6％，添加提高性能的钨、钼、铬、钒等合金元素，又可以分为铬钼系热作模具钢4Cr5MoSiV1等、铬钨系热作模具钢3Cr2W8V、5Cr4W5Mo2V等。铬钼系热作模具钢，由于钢中的合金元素含量较高，冶炼过程中碳及合金元素严重偏析，带有化学元素偏析的组织在随后的退火过程中是无法消除的，会导致二次碳化物聚集在晶界处，并且在局部地方连成链状碳化物，带状偏析严重和不良的退火显微组织，强烈降低钢材的冲击韧性。铬钼系热作模具钢最常见的失效形式是热疲劳，即龟裂，根据国内热作模具失效形式的统计数据，由于热疲劳而导致失效的模具约占失效模具总数的60％，热疲劳是模具表面经受反复加热和冷却所产生的应力引起疲劳的结果。热疲劳产生小裂纹，模具材料的冲击韧性好，出现了小裂纹，扩展速度也较缓慢，但是如果模具材料冲击韧性较低，则小裂纹会迅速扩展成粗大裂纹，导致模具早期失效。因此带状偏析组织、退火显微组织和冲击韧性是衡量铬钼系热作模具钢实物质量水平的重要技术指标。北美压铸协会NADCA#207标准，是世界上生产热作模具钢H13(我国钢号为4Cr5MoSiV1)最先进的标准,标准规定4Cr5MoSiV1钢优质级技术指标：横截面心部带状偏析组织合格级别；横截面心部退火显微组织合格级别AS1～AS9级；横截面心部冲击韧性7mm×10mm试样冲击韧性值(J)不小于170。
目前，国内外模具钢市场上的铬钼系热作模具钢锻制圆钢，尺寸己增大至Ф600mm～Ф800mm，随着锻制圆钢尺寸规格增大，只能采用更大的钢锭和更大的锻压加工比。而大型钢锭的铸态组织偏析更为严重，当锻制圆钢尺寸超过Ф600mm，相应的模具钢就会产生明显的尺寸效应，横截面心部带状偏析组织、横截面心部退火显微组织和横截面心部冲击韧性往往较难达到要求，对模具钢的生产带来巨大的考验。我国市场上的国产优质热作模具钢锻制圆钢最大尺寸规格一般小于Ф600mm，制造Ф600mm～Ф800mm超细化铬钼系热作模具钢锻造圆钢，需采用特殊的超细化控制技术，改善Ф600mm～Ф800mm铬钼系优质热作模具钢锻造圆钢带状偏析组织、退火显微组织和冲击韧性。
发明内容
本发明公开一种超细化铬钼系热作模具钢锻造圆钢工艺，制造NADCA#207标准优质级Ф600mm～Ф800mm超细化铬钼系热作模具钢锻造圆钢，目的是通过采用特殊的超细化控制技术，解决大型钢锭的铸态组织偏析严重、当锻制圆钢尺寸超过Ф600mm，横截面心部带状偏析组织、横截面心部显微组织和横截面心部冲击韧性难以达到要求的问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
⑴钢的化学成分(％)控制：碳：0.37～0.42、锰：0.30～0.50、硅：0.90～1.20、硫不大于0.005、磷不大于0.020、铬：5.00～5.50、钼：1.20～1.50、钒：0.90～1.20、氧含量不大于0.0015、氮含量不大于0.0130,其余为铁。
⑵钢采用EAF+LF+VD+ESR方法冶炼，精炼电极棒φ700mm,电渣重熔钢锭:φ1100mm。
①采用EAF+LF+VD工艺生产φ700mm电极棒时，LF炉精炼用白渣法，在LF炉到位喂铝线，VD炉脱气，控制钢水氧含量不大于0.0015％。
②在φ1100mm大型电渣锭重熔冶炼中，采用恒熔速电渣炉，φ700mm电极坯重熔熔速控制在12kg/min～15kg/min。
⑶φ1100mm大型电渣锭锻造前进行高温扩散，1240℃～1250℃高温扩散40h～50h。
⑷采用多火次、多方向锻造，分为四个步骤:
①镦粗轴向锻造：加热温度1180℃～1200℃，再烧保温时间3h～4h，采用上下镦粗盘对电渣锭进行镦粗，该工序变形量40％～55％，终锻温度为不低于900℃。
②对称变形径向锻造：加热温度1180℃～1200℃，再烧保温时间3h～4h，采用上下等宽平砧对中间坯进行重压，该工序道次变形量25％～55％，终锻温度为不低于900℃。
③不对称变形径向锻造：加热温度1180℃～1200℃，再烧保温时间3h～4h，采用上宽平砧、下宽凸型砧对中间坯进行重压，该工序每道次变形量35％～40％，终锻温度为不低于900℃。
④成品径向锻造:加热温度1170℃～1190℃，将中间坯采用圆孔型砧精整成形，该工序每道次变形量10％～15％，终锻温度为不低于900℃。
⑸成品材锻后利用余热直接水空交替淬水到350℃～400℃，830℃等温球化退火。
本发明通过LF炉白渣法、喂铝线、VD脱气等炼钢工艺措施提高钢水纯净度，对电渣重熔熔速的控制以及锻造前扩散均质化处理，改善大型钢锭的铸态组织偏析和钢的热加工塑性；并通过对大型电渣锭采用多火次、多方向的三维锻造方法，破碎碳化物和改善心部显微组织均匀性；成品材热处理锻后利用余热直接水空交替淬水和等温球化退火，均匀细化钢材显微组织。制造的Ф600mm～Ф800mm超细化铬钼系热作模具钢锻造圆钢，横截面心部带状偏析组织合格；横截面心部退火显微组织合格级别AS6和AS9级；横截面心部冲击韧性7mm×10mm试样冲击韧性值(J)190～240，达到NADCA#207标准优质级技术水平。
本发明主要创新点如下:
⑴钢的化学成分优化设计，严格控制影响冲击性能的硫、磷、氧、氮含量；通过LF炉使用白渣法、喂铝线、VD脱气工艺达到脱氧脱氮提高钢水纯净度；通过恒熔速电渣炉，控制电压和电流能够稳定金属电极熔化速度，减少组织偏析；通过大型电渣锭锻造前高温均匀化扩散，改善或消除铸锭偏析，促使成分和组织均匀化。
⑵锻造工艺及参数控制:通过镦粗、轴向锻造和拔长径向锻造的多方向三维锻造方法，改善钢材心部组织致密性和均匀性，提高钢材等向性和冲击韧性；通过对称变形锻造，破碎大规格钢材表面到1/2半径碳化物；通过不对称变形锻造，破碎大规格钢材1/2半径到心部碳化物，改善钢材心部组织致密性和均匀性，提高钢材显微组织和冲击韧性。
⑶通过对钢材锻后利用余热直接水空交替淬水强制冷却，控制网状碳化物析出；采用等温球化退火工艺，钢材退火球化显微组织均匀。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
①优化设计化学成分，提高钢材冲击性能；
②低偏析冶炼控制技术，降低钢锭内部化学成分偏析；
③大型电渣锭锻造前高温均匀化扩散技术，改善大型钢锭的偏析问题；
④利用三维锻造法、不对称变形锻造法和锻后淬水细化热处理，改善提高大规格钢材截面心部显微组织和冲击韧性；
⑤横截面心部带状偏析组织合格，横截面心部退火显微组织、横截面心部冲击韧性均达到NADCA#207标准优质级技术水平。
附图说明
图1是实施例1、实施例2和实施例3进行对称变形锻造；
图2是实施例1、实施例2和实施例3进行不对称变形锻造；
图3是实施例1横截面心部合格带状偏析组织；
图4是实施例2横截面心部合格带状偏析组织；
图5是实施例3横截面心部合格带状偏析组织；
图6是实施例1横截面心部合格退火显微组织AS6级；
图7是实施例2横截面心部合格退火显微组织AS6级；
图8是实施例3横截面心部合格退火显微组织AS9级。
具体实施方式
按照上述技术方案实施，提供以下三项优选实施例。
实施例1
生产成品尺寸外形为圆钢Ф635mm。
⑴采用EAF+LF+VD+ESR方法冶炼，LF炉采用白渣时间为32min；VD真空度不大于0.67mbar，保持10min，浇注φ700mm圆电极棒，浇注温度为1537℃，电极棒红送退火。电渣重熔时采用二元渣系CaF2:Al2O3＝70:30，恒熔速电渣炉重熔电压控制在62V～74V，重熔电流控制在15000A～20000A，重熔熔速控制在13.5kg/min,电渣重熔锭型为φ1100mm电渣锭，电渣锭温送下步工序。电渣锭化学成分分析结果见表1。
表1化学成分分析结果
Figure BDA0002758085780000041
⑵φ1100mm电渣锭锻造前进行高温扩散处理，扩散温度1240℃～1250℃扩散时间45h。
⑶φ1100mm电渣锭采用5火次锻造成材，共分为四个步骤：第一步镦粗轴向锻造，前2火次采用上下镦粗盘对电渣锭进行两次镦粗，道次变形量41.3％～53.2％，终锻温度为928℃～945℃。第二步对称变形径向锻造，第三火次采用上下等宽平砧对中间坯进行重压下，道次变形量50.9％，终锻温度916℃。第三步不对称变形径向锻造：第4火次采用上宽平砧、下宽凸型砧对中间坯进行重压下，该工序每道次变形量39.5％，终锻温度923℃。第四步成品径向锻造，第5火次中间坯采用圆孔型砧精整成形Ф635mm，道次变形量14.3％，终锻温度912℃。
变形量和终锻温度统计见表2。
表2变形量和终锻温度统计
Figure BDA0002758085780000051
⑷成品材Ф635mm锻后利用余热直接水空交替淬水到376℃，830℃等温球化退火。
水空交替淬水程序和钢材温度统计见表3。
表3水空交替淬水程序和钢材温度统计
Figure BDA0002758085780000052
⑸成品材Ф635mm按NADCA#207标准检验，横截面心部带状偏析组织合格；横截面心部退火显微组织合格级别AS6级；横截面心部冲击韧性7mm×10mm试样,三个试样冲击韧性值(J)217/219/238，达到NADCA#207标准优质级质量水平。
实施例2
生产成品尺寸外形为圆钢Ф685mm。
⑴采用EAF+LF+VD+ESR方法冶炼，LF炉采用白渣时间为31min；VD真空度不大于0.67mbar，保持10min，浇注φ700mm圆电极棒，浇注温度为1541℃，电极棒红送退火。电渣重熔时采用二元渣系CaF2:Al2O3＝70:30，恒熔速电渣炉重熔电压控制在62V～74V，重熔电流控制在15000A～20000A，重熔熔速控制在13.5kg/min,电渣重熔锭型为φ1100mm电渣锭，电渣锭温送下步工序。电渣锭化学成分分析结果见表4。
表4化学成分分析结果
Figure BDA0002758085780000061
⑵φ1100mm电渣锭锻造前进行高温扩散处理，扩散温度1240℃～1250℃扩散时间45h。
⑶φ1100mm电渣锭采用5火次锻造成材，共分为四个步骤：第一步镦粗轴向锻造，前2火次采用上下镦粗盘对电渣锭进行两次镦粗，道次变形量41.7％～53.5％，终锻温度为925℃～941℃。第二步对称变形径向锻造，第三火次采用上下等宽平砧对中间坯进行重压下，道次变形量45.5％，终锻温度927℃。第三步不对称变形径向锻造：第4火次采用上宽平砧、下宽凸型砧对中间坯进行重压下，该工序每道次变形量36.6％，终锻温度923℃。第四步成品径向锻造，第5火次中间坯采用圆孔型砧精整成形Ф685mm，道次变形量14.1％，终锻温度917℃。
变形量和终锻温度统计见表5。
表5变形量和终锻温度统计
Figure BDA0002758085780000062
⑷成品材Ф685mm锻后利用余热直接水空交替淬水到384℃，830℃等温球化退火。
水空交替淬水程序和钢材温度统计见表6。
表6水空交替淬水程序和钢材温度统计
Figure BDA0002758085780000063
⑸成品材Ф685mm按NADCA#207标准检验，横截面心部带状偏析组织合格；横截面心部退火显微组织合格级别AS6级；横截面心部冲击韧性7mm×10mm试样，三个试样冲击韧性值(J)197/221/235，达到NADCA#207标准优质级质量水平。
实施例3
生产成品尺寸外形为圆钢Ф785mm。
⑴采用EAF+LF+VD+ESR方法冶炼，LF炉采用白渣时间为34min；VD真空度不大于0.67mbar，保持10min，浇注φ700mm圆电极棒，浇注温度为1533℃，电极棒红送退火。电渣重熔时采用二元渣系CaF2:Al2O3＝70:30，恒熔速电渣炉重熔电压控制在62V～74V，重熔电流控制在15000A～20000A，重熔熔速控制在13.5kg/min,电渣重熔锭型为φ1100mm电渣锭，电渣锭温送下步工序。电渣锭化学成分分析结果见表7。
表7化学成分分析结果
Figure BDA0002758085780000071
⑵φ1100mm电渣锭锻造前进行高温扩散处理，扩散温度1240℃～1250℃扩散时间45h。
⑶φ1100mm电渣锭采用6火次锻造成材，共分为四个步骤：第一步镦粗轴向锻造，前3火次采用上下镦粗盘对电渣锭进行三次镦粗，道次变形量43.0％～54.5％，终锻温度为902℃～937℃。第二步对称变形径向锻造，第四火次采用上下等宽平砧对中间坯进行重压下，道次变形量26.7％，终锻温度961℃。第三步不对称变形径向锻造：第五火次采用上宽平砧、下宽凸型砧对中间坯进行重压下，该工序每道次变形量39.6％，终锻温度933℃。第四步成品径向锻造，第六火次中间坯采用圆孔型砧精整成形Ф785mm，道次变形量12.3％，终锻温度910℃。
变形量和终锻温度统计见表8。
表8变形量和终锻温度统计
Figure BDA0002758085780000072
⑷成品材Ф785mm锻后利用余热直接水空交替淬水到385℃，830℃等温球化退火。
水空交替淬水程序和钢材温度统计见表9。
表9水空交替淬水程序和钢材温度统计
Figure BDA0002758085780000073
Figure BDA0002758085780000081
⑸成品材Ф685mm按NADCA#207标准检验，横截面心部带状偏析组织合格；横截面心部退火显微组织合格级别AS9级；横截面心部冲击韧性7mm×10mm试样，三个试样冲击韧性值(J)190/197/211，达到NADCA#207标准优质级质量水平。

Claims (4)

1.一种超细化铬钼系热作模具钢锻造圆钢工艺，其特征在于，所述工艺；
⑴热作模具钢的化学成分：碳：0.37％～0.42％、锰：0.30％～0.50％、硅：0.90％～1.20％、硫不大于0.005％、磷不大于0.020％、铬：5.00％～5.50％、钼：1.20％～1.50％、钒：0.90％～1.20％、氧含量不大于0.0015％、氮含量不大于0.0130％,其余为铁；
⑵所述热作模具钢采用EAF+LF+VD+ESR方法冶炼：①采用EAF+LF+VD工艺生产φ700mm电极棒时，LF炉精炼用白渣法，在LF炉到位喂铝线，VD炉脱气，控制钢水氧含量不大于0.0015％；②在电渣重熔生产大型电渣锭φ1100mm中，采用恒熔速电渣炉，φ700mm电极坯重熔熔速控制在12kg/min～15kg/min；
⑶φ1100mm大型电渣锭锻造前进行高温扩散，1240℃～1250℃高温扩散40h～50h；
⑷采用多火次、多方向锻造，分为四个步骤:①镦粗轴向锻造：加热温度1180℃～1200℃，再烧保温时间3h～4h，采用上下镦粗盘对电渣锭进行镦粗，该工序变形量40％～55％，终锻温度为不低于900℃；②对称变形径向锻造：加热温度1180℃～1200℃，再烧保温时间3h～4h，采用上下等宽平砧对中间坯进行重压，该工序道次变形量25％～55％，终锻温度为不低于900℃；③不对称变形径向锻造：加热温度1180℃～1200℃，再烧保温时间3h～4h，采用上宽平砧、下宽凸型砧对中间坯进行重压，该工序每道次变形量35％～40％，终锻温度为不低于900℃；④成品径向锻造:加热温度1170℃～1190℃，将中间坯采用圆孔型砧精整成形，该工序每道次变形量10％～15％，终锻温度为不低于900℃；
⑸成品材锻后利用余热直接水空交替淬水到350℃～400℃，830℃等温球化退火。
2.根据权利要求1所述一种超细化铬钼系热作模具钢锻造圆钢工艺，其特征在于，所述工艺；
⑴采用EAF+LF+VD+ESR方法冶炼，LF炉采用白渣时间为32min；VD真空度不大于0.67mbar，保持10min，浇注φ700mm圆电极棒，浇注温度为1537℃，电极棒红送退火。电渣重熔时采用二元渣系CaF2:Al2O3＝70:30，恒熔速电渣炉重熔电压控制在62V～74V，重熔电流控制在15000A～20000A，重熔熔速控制在13.5kg/min,电渣重熔锭型为φ1100mm电渣锭，电渣锭温送下步工序；
⑵φ1100mm电渣锭锻造前进行高温扩散处理，扩散温度1240℃～1250℃扩散时间45h；
⑶φ1100mm电渣锭采用5火次锻造成材，共分为四个步骤：第一步镦粗轴向锻造，前2火次采用上下镦粗盘对电渣锭进行两次镦粗，道次变形量41.3％～53.2％，终锻温度为928℃～945℃。第二步对称变形径向锻造，第三火次采用上下等宽平砧对中间坯进行重压下，道次变形量50.9％，终锻温度916℃。第三步不对称变形径向锻造：第4火次采用上宽平砧、下宽凸型砧对中间坯进行重压下，该工序每道次变形量39.5％，终锻温度923℃。第四步成品径向锻造，第5火次中间坯采用圆孔型砧精整成形Ф635mm，道次变形量14.3％，终锻温度912℃；
⑷成品材Ф635mm锻后利用余热直接水空交替淬水到376℃，830℃等温球化退火；
1道次，水冷480s，钢材温度525℃；
2道次，空冷480s，钢材温度611℃；
3道次，水冷360s，钢材温度443℃；
4道次，空冷360s，钢材温度497℃；
5道次，水冷240s，钢材温度,376℃。
3.根据权利要求1所述一种超细化铬钼系热作模具钢锻造圆钢工艺，其特征在于，所述工艺；
⑴采用EAF+LF+VD+ESR方法冶炼，LF炉采用白渣时间为31min；VD真空度不大于0.67mbar，保持10min，浇注φ700mm圆电极棒，浇注温度为1541℃，电极棒红送退火。电渣重熔时采用二元渣系CaF2:Al2O3＝70:30，恒熔速电渣炉重熔电压控制在62V～74V，重熔电流控制在15000A～20000A，重熔熔速控制在13.5kg/min,电渣重熔锭型为φ1100mm电渣锭，电渣锭温送下步工序；
⑵φ1100mm电渣锭锻造前进行高温扩散处理，扩散温度1240℃～1250℃扩散时间45h；
⑶φ1100mm电渣锭采用5火次锻造成材，共分为四个步骤：第一步镦粗轴向锻造，前2火次采用上下镦粗盘对电渣锭进行两次镦粗，道次变形量41.7％～53.5％，终锻温度为925℃～941℃。第二步对称变形径向锻造，第三火次采用上下等宽平砧对中间坯进行重压下，道次变形量45.5％，终锻温度927℃。第三步不对称变形径向锻造：第4火次采用上宽平砧、下宽凸型砧对中间坯进行重压下，该工序每道次变形量36.6％，终锻温度923℃。第四步成品径向锻造，第5火次中间坯采用圆孔型砧精整成形Ф685mm，道次变形量14.1％，终锻温度917℃。
⑷成品材Ф685mm锻后利用余热直接水空交替淬水到384℃，830℃等温球化退火：
1道次，水冷480s，钢材温度529℃；
2道次，空冷480s，钢材温度632℃；
3道次，水冷420s，钢材温度448℃；
4道次，空冷420s，钢材温度487℃；
5道次，水冷240s，钢材温度,384℃。
4.根据权利要求1所述一种超细化铬钼系热作模具钢锻造圆钢工艺，其特征在于，所述工艺；
⑴采用EAF+LF+VD+ESR方法冶炼，LF炉采用白渣时间为34min；VD真空度不大于0.67mbar，保持10min，浇注φ700mm圆电极棒，浇注温度为1533℃，电极棒红送退火。电渣重熔时采用二元渣系CaF2:Al2O3＝70:30，恒熔速电渣炉重熔电压控制在62V～74V，重熔电流控制在15000A～20000A，重熔熔速控制在13.5kg/min,电渣重熔锭型为φ1100mm电渣锭，电渣锭温送下步工序；
⑵φ1100mm电渣锭锻造前进行高温扩散处理，扩散温度1240℃～1250℃扩散时间45h；
⑶φ1100mm电渣锭采用6火次锻造成材，共分为四个步骤：第一步镦粗轴向锻造，前3火次采用上下镦粗盘对电渣锭进行三次镦粗，道次变形量43.0％～54.5％，终锻温度为902℃～937℃。第二步对称变形径向锻造，第4火次采用上下等宽平砧对中间坯进行重压下，道次变形量26.7％，终锻温度961℃。第三步不对称变形径向锻造：第5火次采用上宽平砧、下宽凸型砧对中间坯进行重压下，该工序每道次变形量39.6％，终锻温度933℃。第四步成品径向锻造，第6火次中间坯采用圆孔型砧精整成形Ф785mm，道次变形量12.3％，终锻温度910℃；
⑷成品材Ф785mm锻后利用余热直接水空交替淬水到385℃，830℃等温球化退火：
1道次，水冷540s，钢材温度511℃；
2道次，空冷480s，钢材温度627℃；
3道次，水冷420s，钢材温度453℃；
4道次，空冷420s，钢材温度470℃；
5道次，水冷240s，钢材温度385℃。
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