CN113046641B - 一种低钒含氮热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种低钒含氮热作模具钢及其制备方法,成分按质量百分比含C 0.3~0.4%,Si 0.2~0.6%,Mn 0.2~0.5%,Cr 4.5~5.5%,Mo 1.1~1.7%,V 0.4~0.6%,N 0.02~0.07%,Ce 0.005~0.03%,Mg 0.001~0.006%,余量为Fe。方法为:(1)按设定成分熔炼钢水,采用气相渗氮法进行增氮,浇注;(2)1200~1250℃均质化;(3)锻造;(4)1000~1100℃正火;(5)球化退火;(6)1000~1050℃保温、油冷完成淬火;(7)两次530~620℃保温2~6h回火。本发明的成分降低钒、硅含量,添加适量的氮,协同添加微量稀土和镁,提高钢的洁净度,改善碳化物分布的效果,最终提高模具钢的性能。

Description

一种低钒含氮热作模具钢及其制备方法
技术领域
本发明属于材料与冶金技术领域,特别涉及一种低钒含氮热作模具钢及其制备方法。
背景技术
模具工业水平的高低已成为衡量国家制造业水平的重要标志之一;热作模具钢是消耗最快和要求最高的模具钢之一,主要用于制造固态金属或高温液态金属压制成型的模具,广泛应用于锤锻模具、热挤压模具和压铸模具。
为了提升热作模具钢的综合性能,延长模具的服役寿命,常见的合金化思路是通过提高钼、钒等贵合金元素含量,提高热作模具钢的抗摩擦磨损、抗冷热疲劳等性能,而高含量贵合金元素的添加势必会带来成本高和偏析倾向大的问题,制约其工业化推广;因此,开发低成本且服役性能优异的新型热作模具钢具有重要的工程意义和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种低钒含氮热作模具钢及其制备方法,通过降低钒含量和硅含量,增加氮元素,协同添加稀土和镁,减少偏析降低成本,配合短流程工艺,保证模具钢质量,延长模具钢寿命。
本发明的低钒含氮热作模具钢的成分按质量百分比含C 0.3~0.4%,Si 0.2~0.6%,Mn0.2~0.5%,Cr 4.5~5.5%,Mo 1.1~1.7%,V 0.4~0.6%,N 0.02~0.07%,Ce0.005~0.03%,Mg0.001~0.006%,余量为Fe。
上述的低钒含氮热作模具钢的的硬度为42~53HRC。
上述的低钒含氮热作模具钢的抗拉强度为1300~1800MPa,屈服强度为1050~1550MPa,冲击吸收功为20~45J。
本发明的低钒含氮热作模具钢的制备方法按以下步骤进行:
1、按设定成分熔炼钢水,熔炼过程中采用气相渗氮法进行增氮,熔炼完成后浇注成钢锭,其成分按质量百分比含C 0.3~0.4%,Si 0.2~0.6%,Mn 0.2~0.5%,Cr 4.5~5.5%,Mo 1.1~1.7%,V 0.4~0.6%,N 0.02~0.07%,Ce 0.005~0.03%,Mg 0.001~0.006%,余量为Fe;
2、将钢锭加热至1200~1250℃后保温8~12h,进行均质化,获得均质铸锭;
3、将均质铸锭去除后进行锻造,终锻温度900~950℃,空冷至常温,制成锻件;
4、将锻件加热至1000~1100℃后保温1~2h,空冷至常温完成正火,获得正火锻件;
5、将正火锻件加热至840~880℃后保温1~3小时,随炉冷却至720~760℃,再保温3~5小时,随炉冷却至常温完成球化退火,获得退火锻件;
6、将退火锻件加热至1000~1050℃后保温0.5~2小时,油冷至常温完成淬火,获得淬火锻件;
7、将淬火锻件进行两次回火,回火是将锻件加热至530~620℃后保温2~6h,空冷至常温;两次回火完成后获得低钒含氮热作模具钢。
上述的步骤1中,采用真空感应熔炼-模铸的方式制备钢锭,其步骤为:采用工业纯铁、钼棒、金属铬、石墨、工业硅、电解锰、金属钒和稀土镁合金作为原料;将工业纯铁、钼棒、金属铬和第一部分石墨置于合金料仓内,抽真空并开始升温,料仓内物料开始熔化前保持料仓内的真空度≤3Pa;料仓内物料开始熔化时控制真空度≤10Pa,停止抽真空并通入氩气,至料仓内的压力为30000~50000Pa;料仓内物料全部熔化后,控制料仓内温度保持物料熔化并≤1500℃,向料仓内加入第二部分石墨进行碳脱氧;然后抽真空至料仓内真空度≤20Pa,采用气相渗氮法充入N2进行增氮;最后向料仓内加入其他原料,加入按工业硅、电解锰、金属钒和稀土镁合金的顺序加入,待全部物料熔化后,控制料仓内钢水的温度为1540±10℃,浇注获得钢锭;所述的第一部分石墨占石墨总质量的55~65%,第二部分石墨占石墨总质量的35~45%。
上述的步骤1中,采用工业纯铁、钼棒、金属铬、石墨、工业硅、电解锰、金属钒和稀土镁合金作为原料;将工业纯铁、钼棒、金属铬、石墨、工业硅、电解锰和金属钒置于钢包内,采用EAF-LF-VD工序分别完成熔化、精炼、脱气和控温工序;在VD工序结束后,熔炼的钢包返回到LF工位,在钢包内熔体温度1550~1600℃时通入氮气进行气相渗氮;将渗氮完成后的钢包置于地坑中,采用天车将装有稀土镁合金的铁桶压入钢包内的熔体中,再采用底吹氩气的方式对钢液进行软吹,时间为15~20min;然后采用下注法浇注获得钢锭。
上述的步骤2中,将钢锭作为自耗电极,采用电渣重熔的方式,将自耗电极熔化形成液滴穿过渣池,利用渣金反应进行精炼提纯,获得重熔铸锭;然后将重熔铸锭进行均质化;其中电渣重熔采用的渣系按质量百分比含CaF2 70%,Al2O3 30%。
上述的步骤5中,锻造的锻造比为2~5。
本发明的成分设计原理为:(1)钒是热作模具钢中的重要合金元素,比如H13钢中含有质量分数为1%左右的钒,其成本受到钒价格波动的影响很大;本发明的首要目标就是降低钒含量,从而达到降低合金成本和抑制液析含钒碳化物的目的;(2)龟裂是热作模具钢的主要失效形式之一,据统计80%的压铸模具钢的失效都是龟裂所致;过高的硅会导致热作模具钢中碳化物团絮化,从而导致基体的韧性变差,很容易产生疲劳热裂纹,进而发生龟裂,因此本发明采用降低硅含量的方式以达到提高韧性的目的;(3)钒是形成MC相的核心元素,而MC相是热作模具钢中的主要析出强化相;钒含量的减少会降低热作模具钢的热强性,为了保证新型热作模具钢的强度和硬度不发生明显降低,向钢中添加适量的氮元素;氮既为钢中的固溶强化相,同时又可以替代部分碳,作为M(C,N)相的形成元素;与VC相比,V(C,N)的尺寸更小,且在高温下的粗化速率更低,从而能够起到更持久的析出强化效果;(4)通过协同添加微量稀土和镁,一方面通过稀土镁处理达到深脱氧和深脱硫的目的,去除钢中大尺寸夹杂物,提高钢的洁净度;另一方面发挥微量元素的合金化作用,实现改善碳化物分布的效果。基于稀土镁协同处理工艺,同时实现提高新型热作模具钢洁净度和改善碳化物分布的目的。
本发明的电渣重熔中,自耗电极熔化形成的液滴穿过渣池,利用渣-金反应对钢液进行精炼提纯,同时,由于金属熔池受到水冷结晶器的强制冷却,高的冷却速率可以抑制元素偏析,改善凝固组织。本发明的方法有显著的低成本优势,这得益于钒含量的降低,铸锭中液析碳化物较少且元素偏析程度较低,可以缩短高温均匀化处理时间进而降低热加工成本;本发明的产品具有优异的服役性能,这得益于洁净度的提高与碳化物分布的改善,工业试用表明,服役寿命明显高于企业正在使用的模具。
附图说明
图1是本发明实施例1中的均质化-锻造-正火-球化退火-淬火-回火流程示意图;
图2是本发明实施例1中的锻件退火后和回火后的显微组织图;图中,(a)退火态;(b)回火态;
图3是本发明实施例2~5的低钒含氮热作模具钢的性能曲线图;图中,回火温度530℃为实施例2,回火温度560℃为实施例3、回火温度590℃为实施例4、回火温度620℃为实施例5,(a)硬度曲线;(b)屈服强度曲线;(c)抗拉强度曲线;(d)冲击吸收功曲线;
图4是本发明实施例1中的低钒含氮热作模具钢制成的铝挤压用模具外观照片图。
具体实施方式
本发明实施例中,当钢锭直径大于500mm时,采用电渣重熔的方式获得重熔铸锭,然后进行均质化处理。
本发明实施例中当低钒含氮热作模具钢需要较高洁净度时,采用电渣重熔的方式获得重熔铸锭,然后进行均质化处理。
本发明实施例中的较高洁净度是指低钒含氮热作模具钢的有害杂质元素按质量百分比含S≤0.002%、P≤0.006%、O≤7ppm、Ti≤30ppm;A、B、C和D四类夹杂物总和≤3级;同时低倍组织的一般疏松≤1.5级,中心疏松≤1.5级,点状偏析≤2.0级。
本发明实施例中采用的工业纯铁、钼棒、金属铬、石墨、工业硅、电解锰、金属钒和稀土镁合金为市购产品。
本发明实施例中硬度测试采用的标准按GB/T 230.1-2018《金属材料洛氏硬度试验第一部分试验方法》。
本发明实施例中强度测试采用的标准按GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》。
本发明实施例中电渣重熔采用的渣系按质量百分比含CaF2 70%,Al2O3 30%。
本发明实施例中铸锭直径400~750mm。
下面结合实施例详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1
低钒含氮热作模具钢的成分按质量百分比含C 0.36%,Si 0.38%,Mn 0.23%,Cr5.02%,Mo 1.55%,V 0.52%,N 0.041%,Ce 0.0025%,Mg 0.003%,余量为Fe;硬度为51HRC,抗拉强度为1650MPa,屈服强度为1350MPa,冲击吸收功为24J;
制备方法为:
采用工业纯铁、钼棒、金属铬、石墨、工业硅、电解锰、金属钒和稀土镁合金作为原料;将工业纯铁、钼棒、金属铬和第一部分石墨置于合金料仓内,抽真空并开始升温,料仓内物料开始熔化前保持料仓内的真空度≤3Pa;料仓内物料开始熔化时控制真空度≤10Pa,停止抽真空并通入氩气,至料仓内的压力为40000Pa;料仓内物料全部熔化后,控制料仓内温度保持物料熔化并≤1500℃,向料仓内加入第二部分石墨进行碳脱氧;然后抽真空至料仓内真空度≤20Pa,采用气相渗氮法充入N2进行增氮;最后向料仓内加入其他原料,加入按工业硅、电解锰、金属钒和稀土镁合金的顺序加入,待全部物料熔化后,控制料仓内钢水的温度为1540±10℃,浇注获得钢锭;所述的第一部分石墨占石墨总质量的60%,第二部分石墨占石墨总质量的40%;
后续流程如图1所示;
将钢锭加热至1250℃后保温9h,进行均质化(均匀化退火),获得均质铸锭;
将均质铸锭去除后进行锻造,锻造比2,终锻温度950℃,空冷至常温,制成锻件;
将锻件加热至1050℃后保温2h,空冷至常温完成正火,获得正火锻件;
将正火锻件加热至880℃后保温2小时,随炉冷却至760℃,再保温4小时,随炉冷却至常温完成(等温)球化退火,获得退火锻件;退火锻件显微组织如图2(a)所示;
将退火锻件加热至1030℃后保温0.5小时,油冷至常温完成淬火,获得淬火锻件;
将淬火锻件进行两次回火,回火是将锻件加热至600℃后保温2h,空冷至常温;回火后显微组织如图2(b)所示,两次回火完成后获得低钒含氮热作模具钢;采用该模具钢制备的模具如图4所示。
实施例2
低钒含氮热作模具钢的成分按质量百分比含C 0.32%,Si 0.41%,Mn 0.31%,Cr4.95%,Mo 1.48%,V 0.5%,N 0.05%,Ce 0.007%,Mg 0.004%,余量为Fe;硬度为53HRC,抗拉强度为1800MPa,屈服强度为1550MPa,冲击吸收功为20J,性能如图3所示;
制备方法为:
采用工业纯铁、钼棒、金属铬、石墨、工业硅、电解锰、金属钒和稀土镁合金作为原料;将工业纯铁、钼棒、金属铬、石墨、工业硅、电解锰和金属钒置于钢包内,采用EAF-LF-VD工序分别完成熔化、精炼、脱气和控温工序;在VD工序结束后,熔炼的钢包返回到LF工位,在钢包内熔体温度1600℃时通入氮气进行气相渗氮;将渗氮完成后的钢包置于地坑中,采用天车将装有稀土镁合金的铁桶压入钢包内的熔体中,再采用底吹氩气的方式对钢液进行软吹,时间为15min;然后采用下注法浇注获得钢锭;
将钢锭加热至1200℃后保温12h,进行均质化,获得均质铸锭;
将均质铸锭去除后进行锻造,锻造比3,终锻温度900℃,空冷至常温,制成锻件;
将锻件加热至1100℃后保温1h,空冷至常温完成正火,获得正火锻件;
将正火锻件加热至870℃后保温3小时,随炉冷却至750℃,再保温5小时,随炉冷却至常温完成球化退火,获得退火锻件;
将退火锻件加热至1050℃后保温1小时,油冷至常温完成淬火,获得淬火锻件;
将淬火锻件进行两次回火,回火是将锻件加热至530℃后保温6h,空冷至常温;两次回火完成后获得低钒含氮热作模具钢。
实施例3
低钒含氮热作模具钢的成分按质量百分比含C 0.35%,Si 0.48%,Mn 0.42%,Cr5.24%,Mo 1.36%,V 0.46%,N 0.04%,Ce 0.013%,Mg 0.005%,余量为Fe;硬度为50HRC,抗拉强度为1690MPa,屈服强度为1400MPa,冲击吸收功为22J,性能如图3所示;
制备方法同实施例2,不同点在于:
(1)在钢包内熔体温度1550℃时通入氮气进行气相渗氮;
(2)软吹时间为20min;
(3)将钢锭作为自耗电极,采用电渣重熔的方式,将自耗电极熔化形成液滴穿过渣池,利用渣金反应进行精炼提纯,获得重熔铸锭;然后将重熔铸锭加热至1210℃后保温11h,进行均质化,获得均质铸锭;
(4)锻造的锻造比3,终锻温度910℃;
(5)锻件加热至1100℃后保温1h;
(6)正火锻件加热至860℃后保温1小时,随炉冷却至760℃,再保温3小时;
(7)退火锻件加热至1000℃后保温2小时;
(8)回火是将锻件加热至560℃后保温4h。
实施例4
低钒含氮热作模具钢的成分按质量百分比含C 0.4%,Si 0.22%,Mn 0.39%,Cr4.63%,Mo 1.22%,V 0.55%,N 0.066%,Ce 0.009%,Mg 0.002%,余量为Fe;硬度为48HRC,抗拉强度为1540MPa,屈服强度为1290MPa,冲击吸收功为25J,性能如图3所示;
制备方法同实施例1,不同点在于:
(1)通入氩气至料仓内的压力为50000Pa;第一部分石墨占石墨总质量的65%,第二部分石墨占石墨总质量的35%;
(2)将钢锭加热至1220℃后保温10h进行均质化;
(3)锻造比4,终锻温度920℃;
(4)将锻件加热至1000℃后保温1.5h;
(5)将正火锻件加热至850℃后保温3小时,随炉冷却至720℃,再保温5小时;
(6)将退火锻件加热至1020℃后保温2小时;
(7)回火是将锻件加热至590℃后保温3h。
实施例5
低钒含氮热作模具钢的成分按质量百分比含C 0.3%,Si 0.29%,Mn 0.38%,Cr4.97%,Mo 1.68%,V 0.41%,N 0.034%,Ce 0.008%,Mg 0.0015%,余量为Fe;硬度为42HRC,抗拉强度为1300MPa,屈服强度为1310MPa,冲击吸收功为45J,性能如图3所示;
制备方法同实施例1,不同点在于:
(1)通入氩气至料仓内的压力为30000Pa;第一部分石墨占石墨总质量的55%,第二部分石墨占石墨总质量的45%;
(2)将钢锭作为自耗电极,采用电渣重熔的方式,将自耗电极熔化形成液滴穿过渣池,利用渣金反应进行精炼提纯,获得重熔铸锭;然后将重熔铸锭加热至1230℃后保温9.5h,进行均质化,获得均质铸锭;
(3)锻造比5,终锻温度930℃;
(4)将锻件加热至1000℃后保温2h;
(5)将正火锻件加热至840℃后保温3小时,随炉冷却至730℃,再保温4.5小时;
(6)将退火锻件加热至140℃后保温1小时;
(7)回火是将锻件加热至620℃后保温2h。

Claims (7)

1.一种低钒含氮热作模具钢的制备方法,其特征在于按以下步骤进行:
(1)按设定成分熔炼钢水,熔炼过程中采用气相渗氮法进行增氮,熔炼完成后浇注成钢锭,其成分按质量百分比含C 0.3~0.4%,Si 0.2~0.6%,Mn 0.2~0.5%,Cr 4.5~5.5%,Mo 1.1~1.7%,V 0.4~0.6%,N 0.02~0.07%,Ce 0.005~0.03%,Mg 0.001~0.006%,余量为Fe;
(2)将钢锭加热至1200~1250℃后保温8~12h,进行均质化,获得均质铸锭;
(3)将均质铸锭去除后进行锻造,终锻温度900~950℃,空冷至常温,制成锻件;
(4)将锻件加热至1000~1100℃后保温1~2h,空冷至常温完成正火,获得正火锻件;
(5)将正火锻件加热至840~880℃后保温1~3小时,随炉冷却至720~760℃,再保温3~5小时,随炉冷却至常温完成球化退火,获得退火锻件;
(6)将退火锻件加热至1000~1050℃后保温0.5~2小时,油冷至常温完成淬火,获得淬火锻件;
(7)将淬火锻件进行两次回火,回火是将锻件加热至530~620℃后保温2~6h,空冷至常温;两次回火完成后获得低钒含氮热作模具钢。
2.根据权利要求1所述的一种低钒含氮热作模具钢的制备方法,其特征在于低钒含氮热作模具钢的硬度为42~53HRC。
3.根据权利要求1所述的一种低钒含氮热作模具钢的制备方法,其特征在于低钒含氮热作模具钢的抗拉强度为1300~1800MPa,屈服强度为1050~1550 MPa,冲击吸收功为20~45J。
4.根据权利要求1所述的一种低钒含氮热作模具钢的制备方法,其特征在于步骤(1)中,采用真空感应熔炼-模铸的方式制备钢锭,其步骤为:采用工业纯铁、钼棒、金属铬、石墨、工业硅、电解锰、金属钒和稀土镁合金作为原料;将工业纯铁、钼棒、金属铬和第一部分石墨置于合金料仓内,抽真空并开始升温,料仓内物料开始熔化前保持料仓内的真空度≤3Pa;料仓内物料开始熔化时控制真空度≤10 Pa,停止抽真空并通入氩气,至料仓内的压力为30000~50000 Pa;料仓内物料全部熔化后,控制料仓内温度保持物料熔化并≤1500℃,向料仓内加入第二部分石墨进行碳脱氧;然后抽真空至料仓内真空度≤20 Pa,采用气相渗氮法充入N2进行增氮;最后向料仓内加入其他原料,加入按工业硅、电解锰、金属钒和稀土镁合金的顺序加入,待全部物料熔化后,控制料仓内钢水的温度为1540±10℃,浇注获得钢锭;所述的第一部分石墨占石墨总质量的55~65%,第二部分石墨占石墨总质量的35~45%。
5.根据权利要求1所述的一种低钒含氮热作模具钢的制备方法,其特征在于步骤(1)中,采用工业纯铁、钼棒、金属铬、石墨、工业硅、电解锰、金属钒和稀土镁合金作为原料;将工业纯铁、钼棒、金属铬、石墨、工业硅、电解锰和金属钒置于钢包内,采用EAF-LF-VD工序分别完成熔化、精炼、脱气和控温工序;在VD工序结束后,熔炼的钢包返回到LF工位,在钢包内熔体温度1550~1600℃时通入氮气进行气相渗氮;将渗氮完成后的钢包置于地坑中,采用天车将装有稀土镁合金的铁桶压入钢包内的熔体中,再采用底吹氩气的方式对钢液进行软吹,时间为15~20 min;然后采用下注法浇注获得钢锭。
6.根据权利要求1所述的一种低钒含氮热作模具钢的制备方法,其特征在于步骤(2)中,将钢锭作为自耗电极,采用电渣重熔的方式,将自耗电极熔化形成液滴穿过渣池,利用渣金反应进行精炼提纯,获得重熔铸锭;然后将重熔铸锭进行均质化;其中电渣重熔采用的渣系按质量百分比含CaF2 70%,Al2O3 30%。
7.根据权利要求1所述的一种低钒含氮热作模具钢的制备方法,其特征在于步骤(3)中,锻造的锻造比为2~5。
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