CN115491571A - 热作模具钢的制备方法及热作模具钢 - Google Patents

热作模具钢的制备方法及热作模具钢 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种热作模具钢的制备方法以及热作模具钢，所述热作模具钢的制备方法包括以下步骤：制备钢水，浇注电极棒，电磁震荡抽锭电渣重熔，液芯三方向锻造，均质化处理，成材锻造，水空交替冷却。本发明通过采用电磁震荡抽锭电渣重熔，能够降低液析碳化物的含量同时细化晶粒减少工序流程；液芯三方向锻造可以使枝晶和固相碳化物破碎；均质化处理可以使合金内部的结晶组织得到改善，消除铸造应力，减少偏析，使液析碳化物溶解到基体中；水空交替冷却可以使钢坯的组织更细密。采用本发明的方法制备的热作模具钢具有高硬度，耐热疲劳，使用过程中不易发生热疲劳裂纹，可以提高锻造模具、冲压模具的寿命。

Description

热作模具钢的制备方法及热作模具钢
技术领域
本发明涉及钢合金领域，特别涉及一种热作模具钢的制备方法，同时本发明还涉及一种采用上述方法制备的热作模具钢。
背景技术
热作模具钢是指适宜于制作对金属进行热变形加工的模具用的合金工具钢，如热锻模、热挤压模、压铸模、热镦模等。由于热作模具长时间处于高温高压条件下工作，因此，要求模具材料具有高的强度、硬度及热稳定性，特别是应有高热强性、热疲劳性、韧性和耐磨性。
热作模具钢通常含有Cr、Mo、V、W等提高钢材高热性、高热稳定性的合金元素，在钢锭凝固过程中产生液析碳化物在热加工后由于冷却温度低析出二次碳化物，这种现象在大截面钢锭和大截面钢材中心尤其严重。液析碳化物和二次析出的碳化物使得钢材的韧性和各向同向性大大降低。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种热作模具钢的制备方法，以降低钢坯中的液析碳化物和二次析出的碳化物含量，获得高韧性、高热稳定性的热作模具钢。
一种热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：制备钢水，浇注电极棒，电磁震荡抽锭电渣重熔，液芯三方向锻造，均质化处理，成材锻造，水空交替冷却。
本发明的热作模具钢的制备方法，通过采用电磁震荡抽锭电渣重熔，能够降低液析碳化物的含量，同时细化晶粒减少工序流程；液芯三方向锻造可以使枝晶和固相碳化物破碎；均质化处理可以使合金内部的结晶组织得到改善，消除铸造应力，减少偏析，使液析碳化物溶解到基体中；水空交替冷却可以使钢坯的组织更细密。采用本发明的方法制备的热作模具钢具有高硬度，耐热疲劳，使用过程中不易发生热疲劳裂纹，可以提高锻造模具、冲压模具的寿命。
进一步的，所述电磁震荡抽锭电渣重熔包括：将电极棒钢锭脱模后进行双极串联电渣重熔，选用抽锭式电渣炉，抽锭过程中对钢锭喷淋冷却，冷却同时进行磁场震荡。
进一步的，所述液芯三方向锻造包括：控制始锻温度1120-1180℃，终锻温度770-870℃，每个方向的镦粗变形率为50％以上，每道次的压下率在30％以上；所述均匀化处理包括：对钢坯进行均质化加热，均质化加热温度为1255-1285℃。
进一步的，所述钢水的化学组分按质量百分比计包括：C：0.50-0.60％，Si：0.25-0.35％，Mn：0.45-0.65％，Cr：4.00-4.40％，W：1.50-2.00％，Mo：1.80-2.30％，V：0.80-1.20％，Co：1.00-1.30％，Nb：0.04-0.10％，余量为Fe和杂质。
进一步的，所述杂质包括P，P：≤0.02％。
进一步的，所述杂质包括S,S：≤0.010％。
进一步的，所述杂质包括N,N：≤0.008％。
进一步的，所述杂质包括Ti，Ti：≤0.006％。
本发明的热作模具钢的制备方法，优选采用上述元素构成的钢水。其中C元素的作用，C元素是碳化物的组成元素之一，部分元素固溶于基体，提高基体强度。C元素含量不高于0.60％，以保证钢水在凝固过程中少产生或不产生液析碳化物；C元素不低于0.50％，以保证热处理后达到合适的硬度。
W元素的作用，W元素是中碳化物形成元素，与碳元素形成M6C碳化物，该碳化物阻止晶粒的长大，提高钢的高温硬度及耐磨性。W元素含量不高于2.00％。以保证钢水在凝固过程中少产生M6C骨骼状的莱氏体组织，防止后期热加工难以破碎，影响钢的塑性；W元素不低于1.50％，以保证形成足够的碳化物，提高钢的耐磨性以及红硬性。
Mo元素的作用，Mo元素是中碳化物形成元素，在非平衡冷却情况下，Mo元素形成的碳化物发生相变，产生亚稳态的M2C碳化物，呈片状的、扇形分布的M2C在凝固后冷却后进行锻造加热、保温时分解为细小的M6C+MC，并使其易于分布均匀，增加钢的韧性并提高其热塑性。提高碳化物的稳定性以及钢的强度耐磨性，本发明Mo含量为1.80-2.30％。
Cr元素的作用，Cr元素不低于4.00以保证极大减少珠光体中碳的浓度及奥氏体中碳的极限溶解度，促进了碳化物的析出，提高钢的强度与硬度，减缓奥氏体分解速率，显著提高钢的淬透性；Cr元素不高于4.40％以保证大颗粒M23C6碳化物的含量小于7％，以保证钢的韧性。
V元素的作用，V元素是强碳化物形成元素，在钢中与C元素结合形成高硬度、高强度的MC碳化物，是钢耐磨性的决定性组织因素。溶解的V元素能大大加强钢的二次硬化，而保留的碳化物VC则可大大增加钢的耐磨性。因此本发明设计V元素的含量为0.80～1.20％。V元素的含量不低于0.80％，以保证能够形成足够数量的MC碳化物，当V的含量低于0.80％时，MC碳化物的数量相应减少，使钢的耐磨性降低。V的最大含量不高于1.20％，以保证模具在使用过程中不产生因液析碳化物产生的开裂。
Si元素强化铁素体，增强钢热处理的二次硬化能力，降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。本发明Si控制在0.25-0.35％。
Mn元素提高钢的韧性、强度、硬度和耐磨性，本发明Mn控制在0.45-0.65％。
Co元素和铁形成连续固溶体，Co在使用过程中阻抑、延缓其他元素碳化物的析出和聚集，明显提升钢的热强性和高温硬度。本发明Co控制在1.00-1.30％。
Nb元素的作用，Nb元素与钢种C元素的结合能力比V强，在凝固过程中会形成先共晶MC碳化物，碳化物颗粒细小，能够细化晶粒，含量过高时，已生产铁素体δ相或其他脆性相。本发明为细化晶粒，微合金化，Nb含量控制在0.04-0.10％，采用此用量范围的Nb有助于形成NbC，有显著的微合金化作用，增强材料的高温机械性能。
P是合金中有害元素，增加合金的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏，因此本发明优选的P含量≤0.02％。
S是非金属夹杂物形成元素，为改善消除S与Fe等其它元素形成低熔点非金属夹杂的危害，控制适量Mn与S形成MnS，但MnS在压延方向延伸分布，使压延方向的韧性降低，希望S含量越低越好，本发明优选的要求S≤0.010％。
N元素的作用，N元素与钢中V元素的结合能力比C强，它部分置换MC中的C原子，形成M(CN)型碳氮化物，氮的融入使先共晶碳化物析出温度提高，△T值增大，从而使液析碳化物尺寸增大。本发明为减小液析碳化物颗粒尺寸，优选的要求N≤0.008％。
Ti元素的作用，Ti元素与钢种C元素的结合能力比V强，在凝固过程中会使先共晶MC碳化物粗化，使液析碳化物颗粒长大。本发明为减小MC碳化物颗粒尺寸，优选的要求Ti≤0.006％。
本发明通过优化C、W、Mo等元素含量，添加Co和Nb元素，综合考虑不同元素第二相在淬火过程中溶入奥氏体的规律与其细化晶粒的作用，采用专用工艺制备，具有高硬度，硬度，耐热疲劳，使用过程中不易发生热疲劳裂纹，提高锻造模具、冲压模具的寿命。
同时，本发明还提出了一种根据上述的热作模具钢的制备方法所制备的热作模具钢。
进一步的，所述热作模具钢的液析碳化物≤0.13体积％，一次碳化物含量1.8-2.3体积％。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例一所述的热作模具钢的金相检测液析碳化物图片；
图2为本发明实施例二所述的热作模具钢的金相检测液析碳化物图片。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。另外，除本实施例特别说明之外，本实施例中所涉及的各术语及工艺依照现有技术中的一般认知及常规方法进行理解即可。
本发明涉及一种热作模具钢的制备方法，该制备方法包括以下步骤：制备钢水，浇注电极棒，电磁震荡抽锭电渣重熔，液芯三方向锻造，均质化处理，成材锻造，水空交替冷却。
具体来说，其中制备钢水时采用中性坩埚将合金和废钢熔化倒入钢包冶炼形成钢水。
然后浇注电极棒，上述钢水倒入中间包经过LF(Ladle Furnace)炉外精炼和VD(Vacuum Degasser)真空脱气倒入浇注包。使上述钢水直接浇注为电极棒钢锭，浇注过程全程惰性气体(如氩气)保护，防止浇注过程中N含量升高，形成TiN、TiCN液析碳化物形核核心。
电极棒钢锭脱模后进行双极串联电渣重熔，选用抽锭式电渣炉，抽速度20-30mm/min，抽锭过程中钢锭周围有喷淋装置冷却，冷却水速度1-2m3/h,冷却时间为60min，喷淋装置上有磁感应线圈装置进行磁场震荡，频率5-15HZ，电流110-130mA，得到电渣锭，液相率在25-35％。
将上述电渣锭在加热炉进行加热1120-1180℃，保温3小时，出炉后在快锻机对钢锭进行三方向锻造，终锻温度在770-870℃。始锻温度1120-1180℃，保证钢坯处于锻造热加工区，在动态再结晶温度以上。终锻温度770-870℃，可以防止温度过低超出热加工区产生开裂。锻造时每个方向的镦粗变形率在50％以上，每道次的压下率在30％以上，使得每道次凝固的枝晶完全破碎，每道次固相形成的碳化物完全破碎，开坯锻造结束后，中心液相完全凝固。
然后对钢坯进行均质化加热，均质化加热温度1255-1285℃，时间根据钢坯形状而定，若是方钢则加热0.3X(直径/最大边长)/10(小时)，若是圆钢则加热0.3X(直径/最大边长)/10(小时)，均质化加热可以将产生的少量液析碳化物溶解到基体中。
对均质化后的钢坯进行成材锻造，如拔长终锻，锻造时控制始锻温度1120-1180℃，终锻温度770-870℃。
成材锻造后，进行水空交替冷却，使二次锻造的钢坯组织细化。具体的可以对钢锭加热至1030-1080℃，保温2.5小时，水空交替冷却，水冷时间1-3min，空冷时间1-3min，且最后一次空冷至90-120℃，且使锻后不产生珠光体和贝氏体。在加热到奥氏体化温度以上30-50℃，保温6-9小时，降温至760-780℃，使钢坯达到共析转变温度，保温7-8小时，随炉缓冷到500℃以下出炉。
为使制备的热作模具钢的综合性能好，本发明优选钢水的化学组分按质量百分比计包括：C：0.50-0.60％，Si：0.25-0.35％，Mn：0.45-0.65％，Cr：4.00-4.40％，W：1.50-2.00％，Mo：1.80-2.30％，V：0.80-1.20％，Co：1.00-1.30％，Nb：0.04-0.10％，余量为Fe和杂质。进一步的，所述杂质包括P，S，N，Ti中的至少一种，其中优选的P：≤0.02％，S：≤0.010％，N：≤0.008％，Ti：≤0.006％。
本发明进一步还提出了一种根据上述方法所制备的热作模具钢。通过采用上述方法，本发明的热作模具液析碳化物(NbC)≤0.13体积％，一次碳化物(VC)含量1.8-2.3体积％，M6C含量2.1-2.6体积％，M23C6含量6.9-7.2体积％,M7C3含量≤0.8体积％，具有高硬度，耐热疲劳，使用过程中不易发生热疲劳裂纹，可以提高锻造模具、冲压模具的寿命。
下面对本发明的具体实现方案做详细的描述。
实施例一
本实施例涉及一种热作模具钢，包括以下质量百分比的组分：C：0.60％，Si：0.30％，Mn：0.50％，P：0.015％，S：0.010％，Cr：4.40％，W：2.00％，Mo：2.30％，V：1.00％，N：0.008％，Co：1.20％，Nb：0.07％，Ti：0.0060％，余量为铁和不可避免的杂质。其制备方法包括以下步骤：
采用中性坩埚将合金和废钢熔化倒入钢包冶炼形成钢水，钢水倒入中间包经过LF钢包精炼炉炉外精炼和VD真空精炼炉真空脱气倒入浇注包。钢水直接浇注为R150电极棒，R150电极棒脱模后进行双极串联电渣重熔，选用抽锭式电渣炉，抽锭速度25mm/min，抽锭过程中钢锭周围有喷淋装置冷却，喷淋装置上有磁感应线圈装置进行磁场震荡，频率10HZ，电流120mA，冷却水速度1m3/h,冷却时间为60min，最终得到Φ450电渣锭。。
将上述电渣锭在加热炉进行1170℃加热，保温3小时，提高电渣锭表面温度到始锻温度。出炉后在快锻机对钢锭进行三方向锻造，形成140方钢坯，控制终锻温度在800℃。每个方向的镦粗变形率在50％，每道次的压下率在30％以上。对三方向锻造的140方钢坯进行均质化，均质化温度1260℃，时间4.2小时，对均质化的钢坯进行拔长终锻，始锻温度1170℃，终锻温度820℃。
对二次锻造的钢坯进行组织细化，1050℃加热2.5小时，水空交替冷却三次，第一次入水时间1min，第一次出水空中停留时间1.5min，第二次入水时间1.5min，第二次空中停留时间2min，第三次入水时间2min。最后一次冷却至97℃。在加热到920℃，保温6-9小时，降温至720℃范围保温7-8小时，随炉缓冷到500℃出炉，经金相检测液析碳化物为0级。
本实施例所制备的产品经1100℃油淬，550℃回火3次，回火后硬度达到58HRC，晶粒度达到10.5级，冲击韧性为220J。
实施例二
本实施例涉及一种热作模具钢，包括以下质量百分比的组分：C：0.50％，Si：0.32％，Mn：0.45％，P：0.020％，S：0.010％，Cr：4.00％，W：1.50％，Mo：1.80％，V：0.80％，N：0.005％，Co：1.30％，Nb：0.10％，Ti：0.0060％，余量为铁和不可避免的杂质。其制备方法包括以下步骤：
采用中性坩埚将合金和废钢熔化倒入钢包冶炼形成钢水，钢水倒入中间包经过LF钢包精炼炉炉外精炼和VD真空精炼炉真空脱气倒入浇注包。钢水直接浇注为R150电极棒，R150电极棒脱模后进行双极串联电渣重熔，选用抽锭式电渣炉，抽锭速度25mm/min，抽锭过程中钢锭周围有喷淋装置冷却，喷淋装置上有磁感应线圈装置进行磁场震荡，频率10HZ，电流120mA，冷却水速度1.5m3/h,冷却时间为60min，最终得到Φ450电渣锭。
将上述电渣锭在加热炉进行1150℃加热，保温3小时，提高电渣锭表面温度到始锻温度。出炉后在快锻机对钢锭进行三方向锻造，形成140方钢坯，控制终锻温度在800℃以上。每个方向的镦粗变形率在50％，每道次的压下率在30％以上。对三方向锻造的140方钢坯进行均质化，均质化温度1285℃，时间4.2小时.
对均质化的钢坯进行拔长终锻，始锻温度1150℃，终锻温度820℃。
对二次锻造的钢坯进行组织细化，1050℃加热2.5小时，水空交替冷却三次，第一次入水时间1min，第一次出水空中停留时间1.5min，第二次入水时间1.5min，第二次空中停留时间2min，第三次入水时间2min。最后一次冷却至97℃。在加热到920℃，保温6-9小时，降温至720℃范围保温7-8小时，随炉缓冷到500℃出炉，经金相检测液析碳化物为0级。
本实施例所制备的产品经1100℃油淬，550℃回火3次，回火后硬度达到56HRC，晶粒度达到10.5级，冲击韧性为240J。
实施例三
本实施例涉及一种热作模具钢，包括以下质量百分比的组分：C：0.60％，Si：0.30％，Mn：0.50％，P：0.015％，S：0.010％，Cr：4.40％，W：2.00％，Mo：2.30％，V：1.00％，N：0.008％，Co：1.00％，Nb：0.30％，Ti：0.01％，余量为铁和不可避免的杂质。其制备方法与实施例一相同。
本实施例所制备的产品经1100℃油淬，550℃回火3次，回火后硬度达到59HRC，晶粒度达到10.5级，冲击韧性为210J。
通过比较实施例一和实施例三热作模具钢的性能，表明：Ti含量≤0.006％，可以有效防止在钢水凝固过程中，形成Ti(NC)碳化物。N含量≤0.008％，可以防止以Ti(NC)碳化物为核心形成MC复合大颗粒液析碳化物。Nb含量≤0.10％，可以防止Nb元素对材料液固相线产生影响，导致液析碳化物形成时间延长进而长大；Nb含量≥0.04％，可以细化晶粒，微合金化，提高材料机械性能。
对比例一
本实施例涉及一种热作模具钢，各元素含量与实施例一相同，其制备方法包括以下步骤：
采用中性坩埚将合金和废钢熔化倒入钢包冶炼形成钢水。钢水浇注为R150电极棒，电极棒经过双极串联电渣重溶为φ400电渣锭，钢锭退火后经1165℃加热快锻拔长为钢坯，钢坯加热到奥氏体化温度以上30-50℃，保温6-9小时，降温至共析转变温度范围保温7-8小时，随炉缓冷到500℃出炉。经金相检测液析碳化物为2级。
本实施例所制备的产品经1100℃油淬，550℃回火3次，回火后硬度达到59HRC，晶粒度达到8.5级，冲击韧性为180J。
对比例二
本实施例涉及一种热作模具钢，各元素含量与实施例一相同，其制备方法包括以下步骤：
采用中性坩埚将合金和废钢熔化倒入钢包冶炼形成钢水。钢水导入中间包经ESH电渣加热炼钢法炉外精炼，喷射成形为φ500钢锭。
对钢锭进行均质化加热，均质化温度1260℃，时间15小时。出炉后在快锻机对钢锭进行三方向锻造，终锻温度在850℃以上。每个方向的镦粗变形率在50％，每道次的压下率在30％以上。
对锻造后的钢坯进行组织细化。1050℃加热2.5小时，水空交替冷却三次，第一次入水6min，空中3min，第二次入水4min，空中4min，入水2min，最后一次冷却至90-120℃，在加热到奥氏体化温度以上30-50℃，保温6-9小时，降温至共析转变温度范围保温7-8小时，随炉缓冷到500℃出炉。经金相检测液析碳化物为0级。
本对比例所制备的产品经1100℃油淬，550℃回火3次，回火后硬度达到59HRC，晶粒度达到10.5级，冲击韧性为190J。
通过比较实施例一和对比例一至对比例二的热作模具钢的性能，表明：实施例的冲击韧性显著优于对比例。
通过比较实施例一与对比例一说明：采用的喷射成形、三方向锻造、均质化加热、水空交替冷能够降低液析碳化物的含量同时细化晶粒。
通过比较实施例一与对比例二说明：采用的抽锭电渣电磁震荡和液芯锻造工艺能够降低液析碳化物的含量同时细化晶粒减少工序流程。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种热作模具钢的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：制备钢水，浇注电极棒，电磁震荡抽锭电渣重熔，液芯三方向锻造，均质化处理，成材锻造，水空交替冷却。
2.根据权利要求1所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于：
所述电磁震荡抽锭电渣重熔包括：将电极棒钢锭脱模后进行双极串联电渣重熔，选用抽锭式电渣炉，抽锭过程中对钢锭喷淋冷却，冷却同时进行磁场震荡。
3.根据权利要求1所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于：
所述液芯三方向锻造包括：控制始锻温度1120-1180℃，终锻温度770-870℃，每个方向的镦粗变形率为50％以上，每道次的压下率在30％以上；
所述均匀化处理包括：对钢坯进行均质化加热，均质化加热温度为1255-1285℃。
4.根据权利要求1-3任一项所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于：
所述钢水的化学组分按质量百分比计包括：C：0.50-0.60％，Si：0.25-0.35％，Mn：0.45-0.65％，Cr：4.00-4.40％，W：1.50-2.00％，Mo：1.80-2.30％，V：0.80-1.20％，Co：1.00-1.30％，Nb：0.04-0.10％，余量为Fe和杂质。
5.根据权利要求4所述的热作模具钢的制备方法，所述杂质包括P，P：≤0.02％。
6.根据权利要求4所述的热作模具钢的制备方法，所述杂质包括S,S：≤0.010％。
7.根据权利要求4所述的热作模具钢的制备方法，所述杂质包括N,N：≤0.008％。
8.根据权利要求4所述的热作模具钢的制备方法，所述杂质包括Ti，Ti：≤0.006％。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的热作模具钢的制备方法所制备的热作模具钢。
10.根据权利要求9所述的热作模具钢，其特征在于：所述热作模具钢的液析碳化物≤0.13体积％，一次碳化物含量1.8-2.3体积％。
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