CN114645216B - 模具钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及模具钢技术领域，具体而言，涉及模具钢及其制备方法；本发明的模具钢通过成分配比的调整提高强度、耐磨性和耐热性，并改善模具钢的表面质量；本发明的模具钢的制备方法根据不同的铸坯温度采用缓冷的步骤或应力退火的步骤，以便于准确、可靠地控制冷却过程，进而改善在冷却过程中形成大的组织应力和热应力导致铸坯开裂问题；而且，还能够在加热和轧制时，根据不同的Cr、Mo和V的含量配比、以及轧制的圆钢直径，调整相应的加热温度和时间，以使合金含量、轧制的规格与加热步骤可靠地适配，以确保可靠地控制表面裂纹，进而改善钢材表面失效的问题。

Description

模具钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及模具钢技术领域，具体而言，涉及模具钢及其制备方法。
背景技术
模具钢通常用于制造冷冲模、热锻模压铸模等模具的钢种。
模具钢属于高合金钢类，对表面质量非常敏感，在生产过程中容易开裂，导致钢材表面失效。
发明内容
本发明的目的在于提供模具钢及其制备方法，制得的模具钢强度高、耐磨性和耐热性佳，并改善了模具钢的表面质量。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种模具钢，按重量百分比计算，包括以下成分：
C：0.37-0.42％，
Si：0.90-1.20％，
Mn：0.30-0.50％，
S≤0.004％，
P≤0.012％，
Cr：5.20-5.45％，
Cu≤0.05％，
V：1.05-1.30％，
Mo：1.45-1.60％，
Ni：0.05-0.20％，
Al≤0.015％，
N：60-120ppm，
O≤15ppm，
余量为Fe和残余元素。
在可选的实施方式中，按重量百分比计算C为0.39-0.41％，Si为0.92-0.98％，Mn为0.40-0.48％；Σ(Cr+Mo+V)为7.90-8.10％，其中，
Mo为1.48-1.58％，Ni为0.10-0.19％。
在可选的实施方式中，残余元素包括As、Sn、Pb、Bi和Sb，ResiΣ(As+Sn+Pb+Bi+Sb)≤0.030％，其中，As为0.001-0.012％，Cu≤0.025％，N为61-85ppm。
第二方面，本发明提供如前述实施方式的模具钢的制备方法，包括：
连铸；
缓冷或应力退火，其中，当铸坯温度≥650℃时，进行缓冷的步骤，当铸坯温度＜650℃时，进行应力退火的步骤，且经过应力退火的步骤，轧制的圆钢的直径≤40mm；
除鳞；
加热和轧制，加热包括预热段、一加热段、二加热段和均热段四段步骤，二加热段和均热段为高温段，其中，
当Σ(Cr+Mo+V)为7.90-8.10％，且轧制的圆钢直径为20-70mm时，高温段的温度为1220±10℃，高温段的时间为200-300min，
当Σ(Cr+Mo+V)为7.90-8.10％，且轧制的圆钢直径大于70mm时，高温段的温度为1235±10℃，高温段的时间为260-360min，
当Σ(Cr+Mo+V)大于8.10％，且轧制的圆钢直径为20-110mm，高温段的温度为1245±10℃，且高温段的时间为180-250min；
球化退火。
在可选的实施方式中，铸坯温度＜650℃时，进行应力退火的步骤，包括：
在生产铸坯24h内进行应力退火；
升温加热段：在4-8h内升温至750±10℃；
保温段：在720±5℃保温至少8h；
冷却段：至少在8h降温至600±10℃；
冷却到温度≤150℃，出炉空冷。
在可选的实施方式中，铸坯温度＜650℃时，进行应力退火的步骤，退火的总时间满足：0.11≤Ta/H≤0.15，其中，Ta为退火时间h；H为铸坯厚度mm。
在可选的实施方式中，当铸坯温度≥650℃时，进行缓冷的步骤，包括：连铸坯入坑缓冷，入坑时间≥72h，出坑温度≤200℃。
在可选的实施方式中，一加热段的步骤中，控制铸坯的上表面和下表面的温度差≤50℃，高温段的步骤中，控制铸坯的上表面和下表面的温度差≤30℃。
在可选的实施方式中，连铸的过程中，使用含有质量百分比为6±1％的Al2O3、以及含有质量百分比为67±3％的(SiO2+CaO)的保护渣。
在可选的实施方式中，除鳞的步骤中，水压设置为19MPa，且粗轧机第一机架冷却水关闭。
本发明具有以下有益效果：
本发明实施例提供的模具钢，其能够通过成分配比的调整提高强度、耐磨性和耐热性，并改善模具钢的表面质量。
本发明实施例提供的模具钢的制备方法，其能够根据不同的铸坯温度采用缓冷的步骤或应力退火的步骤，以便于准确、可靠地控制冷却过程，进而改善在冷却过程中形成大的组织应力和热应力导致铸坯开裂问题；而且，还能够在加热和轧制时，根据不同的Cr、Mo和V的含量配比、以及轧制的圆钢直径，调整相应的加热温度和时间，以使合金含量、轧制的规格与加热步骤可靠地适配，以确保可靠地控制表面裂纹，进而改善钢材表面失效的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1的圆钢的表面形貌；
图2为本发明对比例1中轧制过程的表面形貌；
图3为本发明对比例2的圆钢的表面形貌。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明提供一种模具钢，按重量百分比计算，包括以下成分：
C：0.37-0.42％(例如：0.38％、0.385％、0.39％、0.40％、0.41％等)，Si：0.90-1.20％(例如：0.92％、0.95％、1.00％、1.02％、1.05％、1.11％、1.18％等)，Mn：0.30-0.50％(例如：0.35％、0.38％、0.40％、0.42％、0.48％等)，S≤0.004％(例如：0.003％、0.002％、0.001％等)，P≤0.012％(例如：0.011％、0.009％、0.007％、0.005％、0.004％等)，Cr：5.20-5.45％(例如：5.22％、5.26％、5.30％、5.35％、5.38％、5.40％、5.42％等)，Cu≤0.05％(例如：0.048％、0.045％、0.04％、0.038％、0.030％、0.025％、0.020％等)，V：1.05-1.30％(例如：1.08％、1.10％、1.16％、1.20％、1.22％、1.27％、)，Mo：1.45-1.60％(例如：1.48％、1.50％、1.52％、1.55％、1.58％等)，Ni：0.05-0.20％(例如：0.08％、0.10％、0.11％、0.13％、0.15％、0.18％等)，Al≤0.015％(例如：0.014％、0.012％、0.010％、0.008％、0.005％等)，N：60-120ppm(例如：65ppm、70ppm、80ppm、83ppm、90ppm、97ppm、110ppm、115ppm、118ppm等)，O≤15ppm(例如：14ppm、13ppm、12ppm、11ppm等)，余量为Fe和残余元素。
通过模具钢成分配比的调整提高强度、耐磨性和耐热性，并改善模具钢的表面质量。
需要说明的是，N这种成分可以与V形成V(CN)析出，虽然可能会增大模具钢表面质量的控制难度，但可以提高模具钢的强度和耐磨性；本发明通过模具钢的成分配比调整和工艺参数的调整，确保了模具钢的强度和耐磨性的同时，改善了因V(CN)析出可能导致模具钢表面质量控制难度大的问题，以使模具钢具有良好的表面质量。
在一些实施方式中，按重量百分比计算C为0.39-0.41％，Si为0.92-0.98％，Mn为0.40-0.48％；Σ(Cr+Mo+V)为7.90-8.10％，其中，Mo为1.48-1.58％，通过Mo的含量控制能够提高模具钢的高温强度，而且，通过Cr、Mo和V的含量配比的控制，能够使模具钢的强度、耐磨性得到更好的控制，而且便于根据Cr、Mo和V三者的含量配置来调节相应的加热工艺，以通过更加适配的工艺，可靠地控制表面裂纹，进而改善钢材表面失效的问题；Ni为0.10-0.19％，虽然Ni这种成分可能会增加模具钢表面开裂倾向，但是通过Ni的含量控制可以增加模具钢的耐热性；而本发明通过模具钢的整体成分配比和工艺参数的调整，能够改善了因Ni导致的表面开裂的倾向，使得模具钢具有良好的耐热性的同时，具有良好的表面质量。
为了抑制铸坯和圆钢的脆性，还需要对残余元素、Cu和N进行控制，残余元素包括As、Sn、Pb、Bi和Sb，ResiΣ(As+Sn+Pb+Bi+Sb)≤0.030％，其中，As为0.001-0.012％，Cu≤0.025％，N为61-85ppm。
本发明还提供一种制备上述模具钢的制备方法，该制备方法主要包括：连铸、缓冷或应力退火、除鳞、加热和轧制、球化退火。
由于模具钢为高合金钢，变形抗力较差，在浇铸过程容易改变结晶器保护渣性能，影响保护渣效果，增加铸坯开裂的风险；故在连铸的浇铸过程中使用含有质量百分比为6±1％的Al2O3、以及含有质量百分比为67±3％的(SiO2+CaO)的保护渣有利于改善铸坯开裂的风险。而且，在连铸时，可以采用少量、多次的原则不断补加保护渣，有效地改善铸坯开裂的风险。
在后续的生产中，可以根据铸坯的温度不同，确保铸坯进行缓冷或者应力退火。当铸坯温度≥650℃时，进行缓冷的步骤，当铸坯温度＜650℃时，进行应力退火的步骤。
需要说明的是，温度≥650℃的铸坯在缓冷工艺后，可以根据需要轧制成不同的规格，例如：直径为20-110mm的圆钢。
在模具钢的生产中，通常会因为生产是否顺利等影响导致铸坯的温度不同；在相关技术中，铸坯的温度＜650℃的话，需要按照异常坯管控，这类异常坯，如果进行缓冷工艺的话，容易因组织应力和热应力导致铸坯开裂。
缓冷的步骤，包括：连铸坯入坑缓冷，入坑温度≥650℃，入坑时间≥72h，出坑温度≤200℃。如此，即可有效地控制冷却速率，防止冷却过程形成大的组织应力和热应力导致铸坯开裂。
应力退火的步骤，包括：在生产铸坯24h内进行应力退火；
升温加热段的温度：750±10℃，且升温时间4-8h，即升温加热段：在4-8h内升温至750±10℃；
保温段的温度：720±5℃，且保温时间≥8h，即保温段：在720±5℃保温至少8h；
冷却段的温度：600±10℃，且冷取时间≥8h，即冷却段：至少在8h降温至600±10℃，也即降温至600±10℃的时间不低于8h；
冷却到温度≤150℃，出炉空冷。
退火总时间由铸坯厚度确定，退火的总时间满足：0.11≤Ta/H≤0.15，其中，Ta为退火时间h(小时)；H为铸坯厚度mm(毫米)；通常铸坯的厚度为280mm，但是也可以根据需要设置其他厚度，例如：250mm、300mm等，在此不作具体限定。
需要说明的是，应力退火可以消除铸坯冷却异常形成的热应力，抑制铸坯加热过程开裂；上述退火的方式可以控制加热速率，防止加热过快，产生热应力，导致表面开裂；而且，因为热应力大的原因，可以定向的轧制成直径≤40mm的圆钢，以确保这类模具钢也能具有良好的表面质量。
连铸坯加热会形成一层氧化铁，采用除鳞的工艺，即可除掉氧化铁，以防止后续轧制时将氧化铁压入钢的表面，形成缺陷。
连铸坯出炉后除鳞的水压设置为19MPa，且可以将粗轧第一机架的冷却水关闭，以减小开轧开裂几率。
本发明中可以根据成分和轧制规格采用不同的加热工艺控制，加热总的来说都分为四段控制：预热段、一加热段、二加热段和均热段，二加热段和均热段为高温段，其中，
当Σ(Cr+Mo+V)为7.90-8.10％，且轧制的圆钢直径为20-70mm时，高温段的温度为1220±10℃，高温段的时间为200-300min；
当Σ(Cr+Mo+V)为7.90-8.10％，且轧制的圆钢直径大于70mm时，高温段的温度为1235±10℃，高温段的时间为260-360min；
当Σ(Cr+Mo+V)大于8.10％，且轧制的圆钢直径为20-110mm，高温段的温度为1245±10℃，且高温段的时间为180-250min。
当Cr、Mo、V合金含量大时，加热时合金固溶难度大，而更高的温度，会导致表面裂纹倾向性增加；采用高温短时，则可以有效地改善模具钢表面裂纹倾向性增加的问题。当Cr、Mo、V合金含量小时，温度可控制低些，通过延长保温时间促进合金固溶，同时降低表面裂纹倾向性。与此同时，轧制规格大时，稍微提高温度和延长时间，促进铸坯内部温度均匀，防止轧制时产生大的热应力。
需要说明的是，预热段和一加热段对于模具钢表面质量的影响较小，只需要使铸坯的温度升高，以使确保后续高温段的温度能够满足上述工艺参数即可，在此不对预热段和一加热段的加热参数做具体限定，例如：预热段的温度可以在850℃左右，一加热段的温度可以在850-1200℃左右。
在一加热段的步骤中，控制铸坯的上表面和下表面的温度差≤50℃；在高温段的步骤中，控制铸坯的上表面和下表面的温度差≤30℃。通过铸坯上表面和下表面的温度差的控制，可以改善因铸坯温差大，而导致铸坯产生较大的热应力，并导致铸坯表面形成微裂纹。
需要说明的是，高合金钢裂纹敏感性强，对温度敏感，在温度越高的情况下，如果铸坯表面温差大，容易产生大的热应力，导致表面开裂；故加热工艺从一加热段到高温段，温度升高，反而降低铸坯上表面和下表面之间的温度差，能够改善模具钢的表面质量。
轧制后快速转至热处理炉进行球化退火处理，以使阻止均匀化；冷却后对钢材逐支进行矫直。
可选地，在制备完成后，可以按0.30mm缺陷深度进行表面漏磁探伤检查钢材表面质量。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
按照表1和表2的成分和工艺参数完成实施例1-3和对比例1-3，并对漏磁合格率和缺陷情况进行比较，比较结果见表3。
表1实施例和对比例的成分
Figure BDA0003564766670000091
表2制备工艺参数
Figure BDA0003564766670000101
表3漏磁合格率和缺陷情况
Figure BDA0003564766670000102
Figure BDA0003564766670000111
注：小缺陷是指深度为0.30-0.70mm的缺陷，大缺陷是指深度＞0.70mm的缺陷。
从图1-图3能够看出，对比例1的轧制过程导致表面烂钢，实施例1的圆钢表面呈小缺陷形貌，对比例2的圆钢表面呈大缺陷形貌。
根据实施例1-3和对比例1-3的比较结果可知，在Σ(Cr+Mo+V)满足7.90-8.10％，且加热时高温段的温度和时间满足本发明提供的加热工艺参数时，制备的模具钢的漏磁合格率高，能够稳定的≥90％，且轧制过程表面无开裂，仅有一些小缺陷，基本没有大缺陷。
对于入坑温度＜650℃的铸坯进行应力退火的工艺，能够确保漏磁合格率，且轧制过程表面无开裂，仅有一些小缺陷，基本没有大缺陷。
采用含Al2O3：6±1％，(SiO2+CaO)：67±3％的保护渣，一加热段的步骤中，控制铸坯的上表面和下表面的温度差≤50℃；高温段的步骤中，控制铸坯的上表面和下表面的温度差≤30℃；除鳞水压控制在19MPa，能够确保漏磁合格率，且轧制过程表面无开裂，仅有一些小缺陷，基本没有大缺陷。
按照表4和表5进行实施例4-9
表4
Figure BDA0003564766670000112
Figure BDA0003564766670000121
表5
Figure BDA0003564766670000122
Figure BDA0003564766670000131
实施例10-12
实施例10-12的成分与实施例4一致，仅参照表6的工艺进行处理
表6
Figure BDA0003564766670000132
综上所述，本发明的模具钢的强度高、耐磨性和耐热性佳，并具有良好的表面质量。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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 (7)

1.一种模具钢的制备方法，其特征在于，包括：
所述模具钢按重量百分比计算，包括以下成分：
C：0.37-0.42％，Si：0.90-1.20％，Mn：0.30-0.50％，S≤0.004％，P≤0.012％，Cr：5.20-5.45％，Cu≤0.05％，V：1.05-1.30％，Mo：1.45-1.60％，Ni：0.05-0.20％，Al≤0.015％，N：60-120ppm，O≤15ppm，余量为Fe和残余元素；
所述模具钢的制备方法包括：
连铸；
缓冷或应力退火，其中，当铸坯温度≥650℃时，进行所述缓冷的步骤，当铸坯温度＜650℃时，进行所述应力退火的步骤，且经过所述应力退火的步骤，轧制的圆钢的直径≤40mm；
除鳞；
加热和轧制，所述加热包括预热段、一加热段、二加热段和均热段四段步骤，所述二加热段和所述均热段为高温段，其中，
当Σ(Cr+Mo+V)为7.90-8.10％，且轧制的圆钢直径为20-70mm时，所述高温段的温度为1220±10℃，所述高温段的时间为200-300min，
当Σ(Cr+Mo+V)为7.90-8.10％，且轧制的圆钢直径大于70mm时，所述高温段的温度为1235±10℃，所述高温段的时间为260-360min，
当Σ(Cr+Mo+V)大于8.10％，且轧制的圆钢直径为20-110mm，所述高温段的温度为1245±10℃，且所述高温段的时间为180-250min；
球化退火。
2.根据权利要求1所述的模具钢的制备方法，其特征在于，所述铸坯温度＜650℃时，进行所述应力退火的步骤，包括：
在生产铸坯24h内进行应力退火；
升温加热段：在4-8h内升温至750±10℃；
保温段：在720±5℃保温至少8h；
冷却段：至少在8h降温至600±10℃；
冷却到温度≤150℃，出炉空冷。
3.根据权利要求2所述的模具钢的制备方法，其特征在于，所述铸坯温度＜650℃时，进行所述应力退火的步骤，退火的总时间满足：0.11≤Ta/H≤0.15，其中，Ta为退火时间h；H为铸坯厚度mm。
4.根据权利要求1所述的模具钢的制备方法，其特征在于，所述当铸坯温度≥650℃时，进行所述缓冷的步骤，包括：连铸坯入坑缓冷，入坑时间≥72h，出坑温度≤200℃。
5.根据权利要求1所述的模具钢的制备方法，其特征在于，所述一加热段的步骤中，控制铸坯的上表面和下表面的温度差≤50℃；所述高温段的步骤中，控制铸坯的上表面和下表面的温度差≤30℃。
6.根据权利要求1所述的模具钢的制备方法，其特征在于，所述连铸的过程中，使用含有质量百分比为6±1％的Al2O3、以及含有质量百分比为67±3％的(SiO2+CaO)的保护渣。
7.根据权利要求1所述的模具钢的制备方法，其特征在于，所述除鳞的步骤中，水压设置为19MPa，且粗轧机第一机架冷却水关闭。
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