CN113249547A - 一种h13热作模具钢中细化夹杂物的冶炼方法 - Google Patents

Abstract

一种H13热作模具钢中细化夹杂物的冶炼方法，具体涉及一种H13热作模具钢中细化夹杂物的冶炼方法。通过向熔体中以不同区域少量供给的方法喂入铁皮包裹Al‑Si粉的复合粉体在钢液中形成大量球状纳米级Al₂O₃‑SiO₂类夹杂物，同时采用底吹氩气的方式使熔体中形成流场，最终获得组织均匀且性能优良的高级优质H13热作模具钢铸锭（夹杂物等级A+B+C+D+DS级≤2.5）。本发明铸造工期短，成本低廉，能大批量生产，对产品复杂程度限制少，大大地提高了金属材料强度和塑性，制备的具有纳米尺寸夹杂物的H13热作模具钢模具钢铸锭，抗拉强度和韧性都得到了很大的提升，达到北美NADCA对高级优质模具钢的性能要求。

Description

一种H13热作模具钢中细化夹杂物的冶炼方法

技术领域

本发明属于模具钢中夹杂物细化的技术领域，具体涉及一种H13热作模具钢中细化夹杂物的冶炼方法。

背景技术

4Cr5MoSiV1（H13）热作模具钢作为铬系空冷硬化型热作模具钢，广泛用于热锻模具、热挤压模具和大型压铸模具材料，有的场合还可用于制造塑料模具，是目前世界上用量最大的热作模具钢种之一。H13热作模具钢在工业生产中工作条件一般都非常严苛，在工作过程中常需要承受高温高压、强磨损、热疲劳以及应力腐蚀等影响，同时还要承受高温合金金属液的反复热冲击和机械冲击，这些都要求H13热作模具钢具有高硬度、耐腐蚀，优秀的抗热疲劳性能等等。

对于以疲劳破坏为主的H13热作模具钢而言，其组织中存在的夹杂物对其使用寿命有着极大的影响，尤其是一些存在于钢基体中容易形成强烈应力集中的脆性夹杂物和不规则夹杂物等。Tridello等人的实验研究表明，H13热作模具钢中夹杂物的尺寸对其使用过程中疲劳极限的影响作用很大，通过对H13热作模具钢中夹杂物尺寸对钢材疲劳极限的影响研究，发现H13钢中夹杂物尺寸最大为31um时使H13热作模具钢的疲劳极限下降了21%[A.Tridello et al. VHCF strength decrement in large H13 steel specimenssubjected to ESR process[J]. Procedia Structural Integrity, 2016, 2 : 1117-1124.]。刘建华等人分析了H13热作模具钢钢锭中夹杂物的分布情况发现，钢锭中夹杂物种类主要为近球形的CaO-Al₂O₃-SiO₂夹杂物，不规则形状的MgO-Al₂O₃夹杂物，块状TiN-VN夹杂物以及沿着晶界分布的条状的VC-CrC-MoC夹杂物和少量的CaS-MnS夹杂物等，研究发现大尺寸的条状CaO-Al₂O₃-SiO₂夹杂物对H13热作模具钢的韧性影响很大[Hao Wang et al.Formation and Evolution of Non-Metallic Inclusions in Calcium Treatment H13Steel during Electroslag Remelting Process[J]. ISIJ International, 2019, 59(5) : 828-838.]，因此需要在熔炼时对其尺寸进行控制。另外研究还发现钢锭中头部中心附近夹杂物数量少，而中部和尾部夹杂物数量较多，且心部和头部组织的总氧量相差极大，组织中夹杂物分布不均匀，且大尺寸夹杂物数量较多[Jian-hua Liu et al.InclusionVariations of Hot Working Die Steel H13 in Refining Process[J].Journal ofIron and Steel Research International,2012,19(11):1-7.]。黄宇等人对H13热作模具钢采用氩气保护和大气下电渣重熔进行了实验研究并分析了制得钢锭的夹杂物，发现使用保护气氛电渣重熔工艺生产的H13热作模具钢中氧含量较低，其质量分数仅为0.0015%，氧化物夹杂主要是MgO-Al₂O₃-SiO₂夹杂，其中尺寸在1～3um的小尺寸D类氧化夹杂物占总夹杂物的62.5%，相比之下未采用保护气氛制得的H13热作模具钢中氧质量分数较高，为0.0024%[黄宇,谢有,成国光,陈列,张燕东,严清忠.H13钢中Mg-Al-O系夹杂物的形成机理及控制[J].钢铁,2017,52(06):34-39.]。国外进口的H13热作模具钢中含有大量细小的Al₂O₃-SiO₂系夹杂物且尺寸均小于1.5um，且存在大量纳米级夹杂物，研究表明组织中呈弥散分布的纳米级Al₂O₃-SiO₂系夹杂物对H13热作模具钢的疲劳性能基本没有影响；目前国内生产H13热作模具钢主要采用电渣重熔工艺以及真空熔炼工艺，然而经过电渣重熔或是真空熔炼工艺熔炼得到的H13热作模具钢中D类Al₂O₃-SiO₂系夹杂物尺寸大部分集中在2～3um，且有少量Al₂O₃-SiO₂系夹杂物尺寸可达5um，仍然为微米级夹杂物，夹杂物等级A+B+C+D+DS级≤4，其微米级尺寸对H13热作模具钢的疲劳性能仍有较大影响，在一些工作要求十分严苛的环境中难以使用。另外H13热作模具钢组织中夹杂物形状对于模具钢性能也有极大影响，用夹杂物纵横比来对夹杂物形状进行定义，夹杂物的纵横比是指从夹杂物质心穿过的最长轴和垂直于它的短轴的比值，纵横比越小则代表着夹杂物形状越接近球状，纵横比越大则代表着夹杂物越接近长条状，试验表明长条状CaO-Al₂O₃-SiO₂夹杂物会极大降低H13热作模具钢的韧性。H13热作模具钢中Al₂O₃-SiO₂系夹杂物占夹杂物总量的绝大部分，因此如何将H13热作模具钢中如CaO-Al₂O₃-SiO₂等夹杂物的尺寸进行进一步控制，获得纳米级Al₂O₃-SiO₂系夹杂物占比较多、仅含有少量微米级夹杂物的H13热作模具钢；目前北美NADCA压铸协会规定优质H13热作模具钢中夹杂物等级A+B+C+D+DS级≤4.5，高级优质H13热作模具钢中夹杂物等级A+B+C+D+DS级≤3，夹杂物尺寸对H13热作模具钢性能影响十分显著，因此如何降低H13钢中Al₂O₃-SiO₂系夹杂物的纵横比且减小钢中夹杂物尺寸从而提升H13热作模具钢的性能是H13热作模具钢冶炼工艺的研究重点之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种H13热作模具钢细化夹杂物至纳米级的冶炼方法，通过多点区域微量供给的方式向钢液中喂入铁皮包裹Al-Si复合粉体配合底吹氩气的方法来制备具有大量纳米级和极少量微米级Al₂O₃-SiO₂类夹杂物且分布均匀的H13热作模具钢铸锭，其夹杂物等级A+B+C+D+DS≤2.5，从而解决H13热作模具钢在铸造过程中铸锭组织中存在大尺寸Al₂O₃-SiO₂夹杂物且数量较多的问题，大大提高H13热作模具钢铸锭的性能；

根据本发明的第一个方面，采用“多点区域微量供给”的方式向钢液中添加纳米相夹杂物形成元素Al和Si，从多个区域同时向钢液中喂入Al-Si复合粉体，极细的Al-Si粉体在钢液中与O结合形成大量纳米级和极少量微米级纳米相，多个区域同时喂入粉体可以使纳米相在钢液中均匀形成且弥散分布，结合低吹氩气避免纳米相聚集长大，减小了H13热作模具钢中D类夹杂物的尺寸，最终获得组织均匀且性能优良的高级优质H13热作模具钢铸锭。

根据本发明的第二方面，提供一种H13热作模具钢中细化夹杂物的冶炼方法，采用底吹氩气的方式在钢液中形成流场和力场，使铁皮包裹的Al-Si粉在铁皮熔化后与钢液中氧结合形成大量纳米相后，在流场和力场的作用下使形成的纳米相弥散分布在钢液中，避免纳米相聚集长大，所述方法包括如下步骤：

步骤1：按照预先定好的元素成分重量百分比进行化学材料的配置，放置金属料时遵循放料区域中间高、四周低、下半部放料致密、上半部放料疏松的放料原则；

步骤2：采用真空电弧炉熔炼加热的熔炼方式，进行H13热作模具钢钢液的制备工作并进行合金化操作；

步骤3：在LF炉精炼操作结束后，将铁皮包裹Al-Si粉的复合粉体采用多点区域微量供给的方式向钢液中喂入；

步骤4：向熔体中喂入粉体后进行氧浓度测定，当自由氧的浓度在10ppm左右时进行VD真空精炼操作；

步骤5：向熔体中采用底吹氩气的方式在熔体中形成流场，使铁皮熔化后包裹于其中的粉体均匀地分布在钢液中；

步骤6：将制备好的H13热作模具钢钢液浇入铸型中均匀凝固，分析铸锭组织中夹杂物存在的大小、形态、成分及数量与分布等。

进一步地，本发明中所述模具钢钢种的化学成分重量百分比为：C:0.32-0.45wt.％、Si:0.80-1.20wt.％、Mn:0.20-0.50wt.％、V:0.80-1.20wt.％、Cr:4.75-5.50wt.％、Mo:1.10-1.75wt.％、P≤0.03wt.％、S≤0.03wt.％,余量为Fe。

进一步的，步骤2中的所述利用电弧炉熔炼加热方式，在出钢前，可采用高位料仓向熔池内加入200-400kg石灰、10-30kg碳粉进行预脱氧及放渣操作，操作完毕即可出钢。步骤2中的所述利用电弧炉熔炼加热方式，制备钢液并进行合金化操作包括：利用真空熔炼加热方式，将合金加热熔化成钢液，钢液全部熔化后，进行合金化操作，再过热升温50～100℃，待钢液面稳定。

进一步的，步骤3中的所述采用铁皮包裹Al-Si粉的喂丝工艺，由于需要铁皮包裹的复合粉体在钢液深部熔化，因此要保证粉体喂入深度＞300mm；为了保证铁皮包裹Al-Si的粉体制成的丝喂入钢液底部时铁皮能够及时熔化释放内部的Al- Si粉体，并且粉体在钢水中能够与钢液充分接触，需要控制铁皮厚度约为0.1～0.2mm，进而使铁皮熔化时间为1～1.5s，从而提高效率。

进一步的，步骤3中的所述喂入Al-Si复合粉体主要由目的而定，喂入铁皮包裹Al-Si粉的复合粉体主要是为了改善钢液中的内部质量，取代传统的将铝块和硅片直接与其余金属材料一起熔炼的冶炼方式，采用多点区域微量供给的方法向钢液不同区域同时喂入铁皮包裹Al-Si粉的复合粉体，从而在钢液中形成大量纳米级夹杂物，尤其使Al₂O₃-SiO₂类夹杂物不再以条状存在于钢材之中，而是以球状纳米级夹杂物存在，从而改善钢液内部质量。

进一步的，步骤5中的所述将氩气吹入钢液中，在钢液中形成由于浮力作用自下而上运动的气泡，气泡在钢液中上浮这一过程中会将钢液抽引并使钢液中产生由下向上的流动；当气泡上浮至液面后开始向水平方向移动并移向容器壁，气泡如此往复流动在钢液中形成环流；在这一过程中特大尺寸夹杂物和氧化物会在气泡上浮时被牵引上浮至顶渣从而除去；同时气泡会将钢液中原本存在的气泡融合后带出钢液，从而改善后续凝固时可能会存在的缩孔和疏松缺陷；另外通入氩气在钢液中形成流场和力场，可以使步骤3中喂入的粉体均匀地分布在钢液中，且不易聚集形成大尺寸的Al₂O₃-SiO₂类夹杂物。

本发明的提供一种H13热作模具钢中细化夹杂物的冶炼方法的优点在于：

1. 本发明提供的一种H13热作模具钢中细化夹杂物的冶炼方法相比于传统的真空熔炼方法制备得到的H13热作模具钢铸锭具有优越的铸锭组织和综合性能，组织中Al₂O₃-SiO₂类夹杂物尺寸细化至纳米级，且以球状形态均匀地存在于铸锭之中，夹杂物纵横比明显减小；研究分析表明本发明制得的H13钢铸锭组织中大尺寸Al₂O₃-SiO₂类夹杂物数量大大减少，纳米级球状Al₂O₃-SiO₂类夹杂物数量增多，分布也更加均匀，从而大大提高了H13热作模具钢的使用寿命。

2. 本发明提供的一种H13热作模具钢夹杂物细化的冶炼方法，采用底吹氩气使熔体中产生气泡，气泡在钢液中往复流动形成流场，不仅能通过控制气体进入量来调整钢液中的流场强度达到搅拌效果，使钢液中纳米级Al₂O₃-SiO₂类夹杂物分布更加均匀，还可以吸收钢液中原本存在的气体，并且牵引钢液中存在的特大尺寸夹杂物进入顶渣中，从而达到细化夹杂物的目的。

3. 本发明所使用的H13热作模具钢生产制备方法并不需要投入过多生产成本，其制备方法简便易操作，并且用此方法制备得到的H13热作模具钢铸态组织其夹杂物尺寸小且分布均匀。另外本发明的冶炼方法使用范围广，并不限于H13热作模具钢，适用于各种材质的钢锭、铸件的制备，因而有很大的发展前景。

附图说明

通过下面结合附图关于本发明的具体实施方式的详细描述，将有助于更清楚完整地理解本发明的其它特征、细节和优点。

图1为本发明实施例中H13热作模具钢细化夹杂物的熔炼装置图。1-铁皮包裹Al-Si粉的复合粉体；2-磁场加热装置；3-渣池；4-钢液；5-透气砖；6-氩气通入口。

图2为本发明实施例中多点区域微量供给示意图。7-坩埚；4-钢液；1-铁皮包裹Al-Si粉的复合粉体。

图3为本发明实施例中铁皮包裹Al-Si粉的复合粉体示意图。10-Al-Si粉复合粉体；11-铁皮。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1和2所示，本发明实施例提供了一种H13热作模具钢中细化Al₂O₃-SiO₂类夹杂物的冶炼方法，适用于H13热作模具钢冶炼的过程中，有效减少铸锭内部大尺寸Al₂O₃-SiO₂夹杂物的数量，提高坩埚7中钢液4的纯净度。根据在凝固过程中夹杂物生长的动力学以及热力学理论，采用电弧炉初炼及炉外精炼冶炼工艺，并通过采用多点区域微量供给的方式喂入直径为1mm的铁皮包裹Al-Si粉的复合粉体1实现减小钢中Al₂O₃-SiO₂系夹杂物尺寸及减少钢中局部氧浓度的目的。如图3所示，铁皮包裹Al-Si粉的复合粉体1包括铁皮11和Al-Si粉复合粉体。

本发明的炼钢生产工艺包括：电弧炉初炼、LF炉精炼、喂铝线、VD真空精炼及底部吹氩、浇铸。根据预设化学成分重量百分比选取化学材料。预设化学成分重量百分比为：C:0.36wt.％、Si:1.03wt.％、Mn：0.45wt.％、P≤0 .002wt.％、S≤0 .007wt.％、V：1.01wt.％、Cr:4.88wt.％、Mo：1.31wt.％，余量为Fe。在此过程中，专人配料，炉料装入量为20t，生铁的装入量为18t。特别注意在装料时为了保护炉底需要对炉底采用铺钢板或者铺切屑的保护措施，在装料时若炉内无金属残渣，则应先装部分轻废钢或者切屑保护炉底，再向炉中装较重的废钢。放料时应遵循中间高、四周低、上部疏松、下部致密的原则。

开启电弧炉并进行送电，通过磁场加热装置2进行加热，冶炼过程包括熔化、氧化、出钢及脱氧合金化。熔化阶段第一次加料前应分3-5批次加入氧化铁白皮和白灰各0.4t左右；熔化初期，当炉门现红时，启动炉门氧枪吹氧，并逐步从低氧调至高氧。熔清后熔池温度控制在1550℃左右，开始取样分析钢中元素含量并降低电压级数，当P浓度达不到工艺要求时可继续向炉中加入氧化铁白皮和白灰并控制好温度进一步脱P处理。在熔化过程中利用氧气、白灰、氧化铁皮控制熔渣流动性。在氧化过程中，氧气流量控制按照低氧到中氧再到高氧的顺序依次打开氧枪，每个档次之间的时间间隔为2-3分钟，吹氧时间为10-15分钟，待钢水温度、C及P含量符合工艺要求后即可出钢。出钢前可采用高位料仓向熔池内加入80-160kg石灰、4-12kg碳粉进行预脱氧及放渣操作，随后即可出钢。出钢前渣池3内的熔渣及钢液4要求S≤0.007%,P≤0.002%，钢水温度≥1680℃。出钢过程中，按操作要求加入脱氧剂。

随后进行LF精炼处理，通过透气砖5下的氩气通入口6通入氩气，设定完毕通入舱体的氩气流量后，进行测氧、取样操作，自由氧浓度在30-100ppm。当熔体温度≥1600℃，直接进行真空除氧。如果温度＜1600℃，则加入120kg精炼渣和适量石灰来快速造渣，升温至1630℃以上进行真空除氧操作。

精炼完毕后进行喂丝处理，所用丝为厚度为0.1mm的铁皮11包裹Al-Si粉制成的复合粉体1。喂丝速度为3-4mm/s，喂丝深度为300mm。喂线之前保证机器状态满足要求，若渣面结壳可以破渣后，向多个区域同时进行喂线；喂丝同时开启底吹氩气装置，向熔体中通入氩气在熔体中形成流场。喂线完成后测氧浓度，氧浓度达标后即可进行VD精炼操作。

将钢液浇铸到铸模中进行凝固得到组织均匀且性能优良的H13热作模具钢铸锭，经过后续轧制及热处理后，其抗拉强度≥1760Mpa，室温V口冲击试验冲击功≥14.7J/cm²，满足北美NADCA压铸协会对高级优质H13热作模具钢的性能要求。

Claims (5)

1.一种H13热作模具钢细化夹杂物的冶炼方法，其特征在于冶炼过程中采用多点区域微量供给的方法向钢液中喂入铁皮包裹Al-Si粉的复合粉体，与钢液中的氧结合形成大量纳米级Al₂O₃-SiO₂系夹杂物；在冶炼时采用底吹氩气的方式，夹杂物等级A+B+C+D+DS级≤2.5，最终获得高级优质H13热作模具钢铸锭。

2.如权利要求1所述的一种H13热作模具钢细化夹杂物的冶炼方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤1：按照预先定好的H13热作模具钢元素成分重量百分比进行化学材料的配置，放置化学材料时遵循放料区域中间高、四周低、下半部放料致密、上半部放料疏松的放料原则；

步骤2：采用真空电弧炉熔炼加热的熔炼方式，进行H13热作模具钢钢液的制备工作并进行合金化操作；

步骤3：在合金化操作后，将铁皮包裹Al-Si粉的复合粉体采用多点区域微量供给的方式向钢液中喂入；

步骤4：向熔体中喂入粉体后进行氧浓度测定，当自由氧的浓度在10ppm左右时进行VD真空精炼操作；

步骤5：向熔体中采用底吹氩气的方式在熔体中形成流场，使铁皮熔化后包裹于其中的粉体均匀地分布在钢液中；

步骤6：将制备好的H13热作模具钢钢液浇入铸型中均匀凝固，分析铸锭组织中夹杂物存在的大小、形态、成分及数量与分布。

3.如权利要求1所述的一种H13热作模具钢细化夹杂物的冶炼方法，其特征在于，所述热作模具钢的化学成分重量百分比为：C:0.32-0.45wt.％、Si:0.80-1.20wt.％、Mn:0.20-0.50wt.％、V:0.80-1.20wt.％、Cr:4.75-5.50wt.％、Mo:1.10-1.75wt.％、P≤0.03wt.％、S≤0.03wt.％,余量为Fe。

4.如权利要求2所述的一种H13热作模具钢细化夹杂物的冶炼方法，其特征在于，步骤2中的所述真空电弧炉熔炼加热的熔炼方式，在出钢前，采用高位料仓向熔池内加入200-400kg石灰、10-30kg碳粉进行预脱氧及放渣操作，操作完毕即可出钢；步骤2中的所述真空电弧炉熔炼加热的熔炼方式，制备钢液并进行合金化操作包括：利用真空熔炼加热方式，将合金加热熔化成钢液，钢液全部熔化后，进行合金化操作，再过热升温50～100℃，待钢液面稳定。

5.如权利要求2所述的一种H13热作模具钢细化夹杂物的冶炼方法，其特征在于，步骤3中的将铁皮包裹Al-Si粉的复合粉体采用多点区域微量供给的方式向钢液中喂入，粉体喂入深度＞300mm；铁皮厚度为0.1～0.2mm，铁皮熔化时间为1～1.5s。

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