CN113584379A - 一种低碳高硬度高韧性结合的模具钢及其生产工艺 - Google Patents

一种低碳高硬度高韧性结合的模具钢及其生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及模具钢技术领域，具体为一种低碳高硬度高韧性结合的模具钢及其生产工艺，其由如下重量百分比的成分组成：C:0.04～0.20％；Si：0.15～0.38％；Mn：1.95～2.55％；Cr：2.7～3.4％；Mo:0.20～0.35％；V：0.25～0.30％；Ni：0.85～1.20％；P≤0.01％；S≤0.003％；Cu≤0.10％；[H]≤1.5ppm；[O]≤18ppm；[N]≤140ppm；Fe余量；本发明优化了模具钢的原料配占比，使生产出来的模具钢不仅具有高硬度还具有高韧性，具有好的抗变形能力，避免制造的模具非正常失效，保证模具安全、可靠且比较长的使用寿命，本发明适合制造不同类型的塑胶模具，本发明的低硫含量及均匀的组织确保了良好的抛光性能，能降低抛光成本，可获得更好的抛光表面。

Description

一种低碳高硬度高韧性结合的模具钢及其生产工艺
技术领域
本发明涉及模具钢技术领域，具体为一种低碳高硬度高韧性结合的模具钢及其生产工艺。
背景技术
模具工业是先行工业，被称为工业之母，是发展其他工业的基础，是衡量一个国家工业水平的重要标志。模具钢是用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种，分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三类，用于锻造、冲压、挤压、压铸等。由于各种模具用途不同，工作条件复杂，因此需要模具钢具有高硬度和高韧性以满足不同工作条件的使用。
塑料模具是塑料成型加工工业的重要装备材料，需求量大，且品种规格多，在模具钢中占较大比例。塑料模具钢一般要求具有一定的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性，同时也要求具有良好的切削加工性能、抛光性能、蚀刻加工性能等。为了推出一种适合制造不同类型的塑胶模具的模具钢，本发明提出了一种低碳高硬度高韧性结合的模具钢及其生产工艺。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种低碳高硬度高韧性结合的模具钢及其生产工艺。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种低碳高硬度高韧性结合的模具钢，所述的模具钢由如下重量百分比的成分组成：C:0.04～0.20％；Si：0.15～0.38％；Mn：1.95～2.55％；Cr：2.7～3.4％；Mo:0.20～0.35％；V：0.25～0.30％；Ni：0.85～1.20％；P≤0.01％；S≤0.003％；Cu≤0.10％；[H]≤1.5ppm；[O]≤18ppm；[N]≤140ppm；Fe余量。
一种耐高温和高韧性的模具钢的生产工艺，包括以下步骤：
S1电炉冶炼、精炼、真空脱气、二次真空脱气：将重量百分比为C:0.04～0.20％；Si：0.15～0.38％；Mn：1.95～2.55％；Cr：2.7～3.4％；Mo:0.20～0.35％；V：0.25～0.30％；Ni：0.85～1.20％；P≤0.01％；S≤0.003％；Cu≤0.10％；[H]≤1.5ppm；[O]≤18ppm；[N]≤140ppm；Fe余量的钢料放入电炉中冶炼成钢水，再将制成的钢水放入精炼炉中精炼，最后在VD钢包精炼炉内对钢水进行真空脱气与二次真空脱气处理；
S2浇注Φ520mm(平均直径)自耗电极：将S1步骤中进行二次真空脱气处理后的钢水浇注到模具内，冷却成型后得到平均直径为520mm的自耗电极电极坯，浇注过程中采用氩气保护浇注并使用封闭式氩气保护罩；
S3退火：自耗电极电极坯再结晶退火；
S4锯切冒口：切割掉S3步骤中自耗电极电极坯的冒口和浇道制得自耗电极；
S5电极焊接：将S4步骤中的自耗电极抛光至见金属色，然后将假电极与自耗电极焊接；
S6电渣重熔Φ710mm(平均直径)锭：对自耗电极进行电渣重熔，得到钢锭；
S7高温锻造均质化：对S6步骤中的钢锭进行高温锻造加工，形成一均质化锻件；
S8锻后球化退火：对S7步骤中的锻件进行球化退火处理；
S9判切：对S8步骤中的锻件切割取样，用于检验；
S10超细化处理：对S8步骤中的锻件进行超细化处理；
S11精整、探伤、检验：对锻件进行表面精整加工后进行喷丸处理，通过UT检测锻件内部缺陷，最后对锻件进行理化检验和尺寸检验；
S12入库：检验合格后入库并登记。
优选的，所述S1的电炉冶炼步骤中：
S101在钢料的熔化期氧气压力控制在0.39～0.52MPa，保持温度≥1560℃，取样分析，并配[Ni]、[Mo]至下限；
S102氧化期氧气压力控制在0.55～0.76Mpa，吹氧氧化脱碳去磷；
S103当满足温度大于1650℃，磷含量≤0.001％的条件时，进行拉渣；
S104加稀薄渣料303kg CaO和82kg CaF2推渣化匀；
S105开出电炉炉体加FeCr；
S106吹氧化铬，要求氧压≥0.87MPa；
S107预还原：飘入Fe-Si粉2.75-5.25kg/t钢，至渣转色变稀，当满足温度大于1630℃，拉渣全部；
S108插入Al 0.56kg/t，补加稀薄渣料514kg CaO和107kg CaF2，推渣均匀加C-Si粉和C-Al粉各3.15-5.25kg/t还原造白渣；
S109调整[C]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[Ni]的含量；
S110当满足温度≥1620℃，渣况转白，合金加入时间≥9分钟，钢包中加Al1.25kg/t后出钢。
优选的，所述S1的精炼步骤中：
S111加热精炼炉，并加渣料513kg的CaO、86.5kg的CaF2和C-Si粉还原调整渣系，总体渣量按出钢量的5％控制；
S112当温度满足≥1570℃且渣白时，加入[V]调整成份，取样分析；
S113当温度满足≥1650℃，白渣时间≥31min时，加入火砖块2.5～3.5kg/t调整好炉渣流动性，喂AL线。
优选的，所述S1的真空脱气、二次真空脱气步骤中：VD钢包精炼炉逐级进泵，真空度达66.5Pa，保真空时间≥15分钟，[H]≤1.5ppm、[N]≤130ppm，二次真空脱气处理8分钟，二次真空脱气后镇静软吹氩时间≥18分钟。
优选的，所述假电极的直径为299mm，假电极与自耗电极之间的焊缝有效高度≥33mm，其采用ER50-6的焊丝焊接，所述焊缝的上下两端分别设有上引弧板和下引弧板，所述下引弧板采用外圆直径为820mm且厚为10mm的Q235板，所述上引弧板采用尺寸≥300*300mm且厚度≥15mm的一块与自耗电极同钢种钢板，引弧时间86min；自耗电极重量到达386kg时进入补缩，剩余41kg时结束熔炼，熔化率8kg/min，补缩时间75-90min；冷却：模冷80分钟，扣罩缓冷≤5.5天；冷却后脱罩割除引弧板。
优选的，所述S2中的液相线温度为1485℃，模具的模温控制在40～60℃，浇注过热度控制在45～55℃。
本发明的有益效果是：本发明在电炉冶炼、精炼、真空脱气和二次真空脱气步骤中，将C、Mn、Cr、Si、V、Mo以及Ni等元素的含量限制在精准的调控范围内，真空脱气和二次真空脱气进一步降低了钢液中H、O、N气体元素含量；本发明优化了模具钢的原料配占比，使生产出来的模具钢不仅具有高硬度还具有高韧性，具有好的抗变形能力，避免制造的模具非正常失效，保证模具安全、可靠且比较长的使用寿命，本发明适合制造不同类型的塑胶模具，本发明的低硫含量及均匀的组织确保了良好的抛光性能，能降低抛光成本，可获得更好的抛光表面。
附图说明
图1为本发明的生产工艺的流程框图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并说明对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1-3，其中模具钢由如下重量百分比的成分组成：C:0.04～0.20％；Si：0.15～0.38％；Mn：1.95～2.55％；Cr：2.7～3.4％；Mo:0.20～0.35％；V：0.25～0.30％；Ni：0.85～1.20％；P≤0.01％；S≤0.003％；Cu≤0.10％；[H]≤1.5ppm；[O]≤18ppm；[N]≤140ppm；Fe余量。
实施例1-3中材料组分如表1所示：
表1：材料组分
Figure BDA0003147192370000051
实施例1的生产工艺，包括以下步骤：
S1电炉冶炼、精炼、真空脱气、二次真空脱气：将表1中实施例1的材料组分的钢料放入电炉中冶炼成钢水，再将制成的钢水放入精炼炉中精炼，最后在VD钢包精炼炉内对钢水进行真空脱气与二次真空脱气处理；
电炉冶炼步骤中：S101在钢料的熔化期氧气压力控制在0.39～0.52MPa，保持温度≥1560℃，取样分析，并配[Ni]、[Mo]至下限；
S102氧化期氧气压力控制在0.55～0.76Mpa，吹氧氧化脱碳去磷；
S103当满足温度大于1650℃，磷含量≤0.001％的条件时，进行拉渣；
S104加稀薄渣料303kg CaO和82kg CaF2推渣化匀；
S105开出电炉炉体加FeCr；
S106吹氧化铬，要求氧压≥0.87MPa；
S107预还原：飘入Fe-Si粉2.75-5.25kg/t钢，至渣转色变稀，当满足温度大于1630℃，拉渣全部；
S108插入Al 0.56kg/t，补加稀薄渣料514kg CaO和107kg CaF2，推渣均匀加C-Si粉和C-Al粉各3.15-5.25kg/t还原造白渣；
S109调整[C]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[Ni]的含量；
S110当满足温度≥1620℃，渣况转白，合金加入时间≥9分钟，钢包中加Al1.25kg/t后出钢；
精炼步骤中：S111加热精炼炉，并加渣料513kg的CaO、86.5kg的CaF2和C-Si粉还原调整渣系，总体渣量按出钢量的5％控制；
S112当温度满足≥1570℃且渣白时，加入[V]调整成份，取样分析；
S113当温度满足≥1650℃，白渣时间≥31min时，加入火砖块2.5～3.5kg/t调整好炉渣流动性，喂AL线。
真空脱气、二次真空脱气步骤中：VD钢包精炼炉逐级进泵，真空度达66.5Pa，保真空时间≥15分钟，[H]≤1.5ppm、[N]≤130ppm，二次真空脱气处理8分钟，二次真空脱气后镇静软吹氩时间≥18分钟；
S2浇注Φ520mm(平均直径)自耗电极：将S1步骤中进行二次真空脱气处理后的钢水浇注到模具内，冷却成型后得到平均直径为520mm的自耗电极电极坯，浇注过程中采用氩气保护浇注并使用封闭式氩气保护罩；液相线温度为1485℃，模具的模温控制在40～60℃，浇注过热度控制在45～55℃；
S3退火：自耗电极电极坯再结晶退火；
S4锯切冒口：切割掉S3步骤中自耗电极电极坯的冒口和浇道制得自耗电极；
S5电极焊接：将S4步骤中的自耗电极抛光至见金属色，然后将假电极与自耗电极焊接；模具钢模具钢假电极的直径为299mm，假电极与自耗电极之间的焊缝有效高度≥33mm，其采用ER50-6的焊丝焊接，模具钢焊缝的上下两端分别设有上引弧板和下引弧板，模具钢下引弧板采用外圆直径为820mm且厚为10mm的Q235板，模具钢上引弧板采用尺寸≥300*300mm且厚度≥15mm的一块与自耗电极同钢种钢板，引弧时间86min；自耗电极重量到达386kg时进入补缩，剩余41kg时结束熔炼，熔化率8kg/min，补缩时间75-90min；冷却：模冷80分钟，扣罩缓冷≤5.5天；冷却后脱罩割除引弧板；
S6电渣重熔Φ710mm(平均直径)锭：对自耗电极进行电渣重熔，得到钢锭；
S7高温锻造均质化：对S6步骤中的钢锭进行高温锻造加工，形成一均质化锻件；
S8锻后球化退火：对S7步骤中的锻件进行球化退火处理；
S9判切：对S8步骤中的锻件切割取样，用于检验；
S10超细化处理：对S8步骤中的锻件进行超细化处理；
S11精整、探伤、检验：对锻件进行表面精整加工后进行喷丸处理，通过UT检测锻件内部缺陷，最后对锻件进行理化检验和尺寸检验；
S12入库：检验合格后入库并登记。
实施例2和实施例3的生产工艺类似于实施例1的生产工艺。
性能测试
取实施例1、实施例2、实施例3的模具钢样品做性能测试，样品取自截面尺寸为596*296mm的板料中心部分，结果如下：
表2：实施例1物理性能测试结果
温度 20℃ 200℃
密度(kg/m<sup>3</sup>) 7900 —
弹性模量(MPa) 205000 —
热膨胀系数/℃从20℃ — 12.4*10<sup>-6</sup>
热传导率(W/m℃) — 26
比热(J/kg℃) 460 —
表3：实施例1-3机械性能测试结果
Figure BDA0003147192370000081
表4：实施例1的氮化深度及表面硬度的近似值：
Figure BDA0003147192370000082
注：1不推荐2推荐
*氮化深度是指比基本硬度值高50HV0.2到表面的距离；
超过500℃和大于10h的氮化工艺不建议做，会显著降低硬度和韧性。
由上可知，本发明生产出来的模具钢不仅具有高硬度还具有高韧性，具有好的抗变形能力，避免制造的模具非正常失效，保证模具安全、可靠且比较长的使用寿命，适合制造不同类型的塑胶模具。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种低碳高硬度高韧性结合的模具钢，其特征在于，所述的模具钢由如下重量百分比的成分组成：C:0.04～0.20％；Si：0.15～0.38％；Mn：1.95～2.55％；Cr：2.7～3.4％；Mo:0.20～0.35％；V：0.25～0.30％；Ni：0.85～1.20％；P≤0.01％；S≤0.003％；Cu≤0.10％；[H]≤1.5ppm；[O]≤18ppm；[N]≤140ppm；Fe余量。
2.一种如权利要求书1所述的耐高温和高韧性的模具钢的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1电炉冶炼、精炼、真空脱气、二次真空脱气：将重量百分比为C:0.04～0.20％；Si：0.15～0.38％；Mn：1.95～2.55％；Cr：2.7～3.4％；Mo:0.20～0.35％；V：0.25～0.30％；Ni：0.85～1.20％；P≤0.01％；S≤0.003％；Cu≤0.10％；[H]≤1.5ppm；[O]≤18ppm；[N]≤140ppm；Fe余量的钢料放入电炉中冶炼成钢水，再将制成的钢水放入精炼炉中精炼，最后在VD钢包精炼炉内对钢水进行真空脱气与二次真空脱气处理；
S2浇注Φ520mm(平均直径)自耗电极：将S1步骤中进行二次真空脱气处理后的钢水浇注到模具内，冷却成型后得到平均直径为520mm的自耗电极电极坯，浇注过程中采用氩气保护浇注并使用封闭式氩气保护罩；
S3退火：自耗电极电极坯再结晶退火；
S4锯切冒口：切割掉S3步骤中自耗电极电极坯的冒口和浇道制得自耗电极；
S5电极焊接：将S4步骤中的自耗电极抛光至见金属色，然后将假电极与自耗电极焊接；
S6电渣重熔Φ710mm(平均直径)锭：对自耗电极进行电渣重熔，得到钢锭；
S7高温锻造均质化：对S6步骤中的钢锭进行高温锻造加工，形成一均质化锻件；
S8锻后球化退火：对S7步骤中的锻件进行球化退火处理；
S9判切：对S8步骤中的锻件切割取样，用于检验；
S10超细化处理：对S8步骤中的锻件进行超细化处理；
S11精整、探伤、检验：对锻件进行表面精整加工后进行喷丸处理，通过UT检测锻件内部缺陷，最后对锻件进行理化检验和尺寸检验；
S12入库：检验合格后入库并登记。
3.根据权利要求2所述的一种低碳高硬度高韧性结合的模具钢的生产工艺，其特征在于，所述S1的电炉冶炼步骤中：
S101在钢料的熔化期氧气压力控制在0.39～0.52MPa，保持温度≥1560℃，取样分析，并配[Ni]、[Mo]至下限；
S102氧化期氧气压力控制在0.55～0.76Mpa，吹氧氧化脱碳去磷；
S103当满足温度大于1650℃，磷含量≤0.001％的条件时，进行拉渣；
S104加稀薄渣料303kg CaO和82kg CaF2推渣化匀；
S105开出电炉炉体加FeCr；
S106吹氧化铬，要求氧压≥0.87MPa；
S107预还原：飘入Fe-Si粉2.75-5.25kg/t钢，至渣转色变稀，当满足温度大于1630℃，拉渣全部；
S108插入Al 0.56kg/t，补加稀薄渣料514kg CaO和107kg CaF2，推渣均匀加C-Si粉和C-Al粉各3.15-5.25kg/t还原造白渣；
S109调整[C]、[Mn]、[Cr]、[Mo]、[Ni]的含量；
S110当满足温度≥1620℃，渣况转白，合金加入时间≥9分钟，钢包中加Al 1.25kg/t后出钢。
4.根据权利要求2所述的一种低碳高硬度高韧性结合的模具钢的生产工艺，其特征在于，所述S1的精炼步骤中：
S111加热精炼炉，并加渣料513kg的CaO、86.5kg的CaF2和C-Si粉还原调整渣系，总体渣量按出钢量的5％控制；
S112当温度满足≥1570℃且渣白时，加入[V]调整成份，取样分析；
S113当温度满足≥1650℃，白渣时间≥31min时，加入火砖块2.5～3.5kg/t调整好炉渣流动性，喂AL线。
5.根据权利要求2所述的一种低碳高硬度高韧性结合的模具钢的生产工艺，其特征在于，所述S1的真空脱气、二次真空脱气步骤中：VD钢包精炼炉逐级进泵，真空度达66.5Pa，保真空时间≥15分钟，[H]≤1.5ppm、[N]≤130ppm，二次真空脱气处理8分钟，二次真空脱气后镇静软吹氩时间≥18分钟。
6.根据权利要求2所述的一种低碳高硬度高韧性结合的模具钢的生产工艺，其特征在于：所述假电极的直径为299mm，假电极与自耗电极之间的焊缝有效高度≥33mm，其采用ER50-6的焊丝焊接，所述焊缝的上下两端分别设有上引弧板和下引弧板，所述下引弧板采用外圆直径为820mm且厚为10mm的Q235板，所述上引弧板采用尺寸≥300*300mm且厚度≥15mm的一块与自耗电极同钢种钢板，引弧时间86min；自耗电极重量到达386kg时进入补缩，剩余41kg时结束熔炼，熔化率8kg/min，补缩时间75-90min；冷却：模冷80分钟，扣罩缓冷≤5.5天；冷却后脱罩割除引弧板。
7.根据权利要求2所述的一种低碳高硬度高韧性结合的模具钢的生产工艺，其特征在于：所述S2中的液相线温度为1485℃，模具的模温控制在40～60℃，浇注过热度控制在45～55℃。
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