CN115821147A - 一种改善镜面模具钢纯净度及组织均匀性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善镜面模具钢纯净度及组织的方法，其是先采用非真空感应炉+LF炉+VD炉进行一次冶炼，再采用保护气氛电渣炉进行二次重熔，然后采用真空自耗炉进行三次重熔，获得均匀且纯净度非常高的钢锭，最后通过高温均质化、降温锻造、锻后水冷以及超细化以获得组织均匀纯净度非常高的4T大模块。该钢的纯净度极高、组织均匀性好，组织级别按SEP1614热作模具钢显微检测评定标准评级图显微检验方法进行取样及检验可以达到SA1级，网状级别按照GB/T1299合金工具钢标准评级图显微检验方法进行取样及检验可以达到1级，晶粒度级别按照GB/T6394‑2002金属平均晶粒度测定方法进行评级可以达到10级。
Description
技术领域
本发明属于模具钢材料技术领域，涉及一种镜面模具钢的生产工艺，具体涉及一种改善镜面模具钢(4Cr13系列大模块)纯净度及组织均匀性的方法，如车灯用镜面模具钢。
背景技术
随着我国塑料工业的快速发展和专业模具制造技术的逐渐成熟，工业上对塑料产品成型的需求越来越大，对塑料模具钢的质量要求也越来越高。
传统塑料模具钢越来越无法满足结构复杂、尺寸精度高、耐腐蚀性高、抛光率高等高质量要求。特别是对于高档镜面塑料模具钢而言，目前的生产能力有限，产品质量参差不齐，抛光性能和使用寿命仍有待进一步提高；同时，抛光成本占了模具成本的5～30％，导致该钢种的生产成本一直居高不下。因此，发展高镜等高端模具钢的新技术、新工艺、新品种势在必行。
镜面模具钢的使用寿命主要与其表面质量密切相关。在镜面模具钢的生产过程中，模具的故障主要与其抛光性能有关，故障形式主要包括疤痕缺陷、麻点、孔、橙皮等。相关研究表明，在镜面塑料模具钢的抛光过程中，模具表面的疤痕凸起缺陷与钢内部有关TiN夹杂及其复合夹杂，CaO-SiO2-Al2O局部偏聚三类夹杂，P和S有害元素的丰富与不均匀的成分等均密切相关，这些因素导致了模具表面出现早期故障。麻点和孔的存在导致了模具表面抛光质量和耐腐蚀性的下降，这是由于大型硅酸盐夹杂物、残留氧化物和严重的局部脱碳。
然而，现有的生产工艺虽然有了较大改进，但仍然无法很好解决镜面模具钢纯净度较低，组织均匀性容易受到影响的缺陷。因此，如何提升镜面模具钢的纯净度和组织均匀性，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明目的就在于为了解决上述技术问题，从而提供一种改善镜面模具钢纯净度及组织均匀性的方法，以满足在高端模具钢产品领域的使用要求。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案来实现：
一种改善镜面模具钢纯净度及组织均匀性的方法，所述镜面模具钢的元素组成按重量百分比计包括：C：0.35～0.40％、Mn：0.30～0.80％、Si：0.70～1.00％、S：≤0.003％、P：≤0.025％、Cr：13.00～14.00％、Ni：≤0.50％、Mo：≤0.50％、V：0.25～0.35％、Cu：≤0.20％、Al：≤0.03％，余量为铁及不可避免的残余元素；
其中，所述改善镜面模具钢纯净度及组织均匀性的方法包括以下步骤：
(1)按上述元素组成配制合金，通过非真空感应炉熔炼，熔炼温度为1510～1520℃，熔炼过程中添加渣料进行脱氧脱硫，待料化清后除渣≥90％，然后重新加渣料造渣，并加入Al粉进行扩散脱氧，升温至1560～1580℃取样分析，进一步升温至1620℃以上，出钢进LF炉；
(2)座包入LF工位后升温调渣，根据取样结果调节成分，并加入碳粉、Al粉、Si-Ca粉扩散脱氧保持还原气氛，渣白取样，升温至1670～1690℃除渣≥60％，出钢进VD工位；
(3)VD炉抽空前置稀土0.5Kg/T于包内，总抽空时间≥30min，极限真空≤133Pa，保持时间≥10min，破空后测温，静吹氩气≥10min，测温1525～1530℃，出钢浇注；
(4)电极棒浇注4小时后脱模，缓冷至200～300℃装炉退火，退火完成后电极棒两端平头、表面磨光处理；
(5)将电极棒作为电极置于保护气氛电渣重熔炉内进行二次重熔净化，形成电渣锭；
(6)电渣锭脱罩后24小时内装炉退火，退火后电渣锭两端平头、表面磨光处理；
(7)将电渣锭作为电极置于真空自耗重熔炉内进行再次重熔净化、脱气，形成自耗锭；
(8)自耗锭出罩空冷至150～250℃装炉退火，退火完成后表面车光；
(9)将处理好的钢锭置于加热炉内，以≤80℃/h升温至500℃保温4小时，再以≤100℃/h升温至850℃保温6小时，最后以≤150℃/h升温至1280℃保温35小时，之后开炉门降温至1180℃保温1小时再出炉锻造；
(10)锻造完成进行水冷，结束后模块先返温至550℃，然后空冷，至表面温度为250～350℃装炉退火，退火后进行探伤、平头、修磨处理；
(11)将步骤(10)处理好的模块进行超细化处理，制备得到纯净度高及组织均匀性好的镜面模具钢。
本发明提供的上述方法，先采用非真空感应炉+LF炉+VD炉进行一次冶炼，再采用保护气氛电渣炉进行二次重熔，然后采用真空自耗炉进行三次重熔，获得均匀且纯净度非常高的钢锭，最后通过高温均质化、降温锻造、锻后水冷以及超细化以获得组织均匀纯净度非常高的4T大模块，其夹杂物级别按ASTM E45钢种非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验方法进行取样及检验发现，该钢的纯净度极高，组织均匀性好，其组织级别按SEP1614热作模具钢显微检测评定标准评级图显微检验方法进行取样及检验可以达到SA1级，其网状级别按照GB/T1299合金工具钢标准评级图显微检验方法进行取样及检验可以达到1级，其晶粒度级别按照GB/T 6394-2002金属平均晶粒度测定方法进行评级可以达到10级。
进一步的是，所述残余元素包括：Ti：≤0.008％，Nb：≤0.01％、H：≤0.0001％、O：≤0.0015％、N：≤0.01％。
进一步的是，步骤(1)中，熔炼钢水在20T非真空感应炉内进行，并利用3T炉混冲进行预造渣。
进一步的是，步骤(2)中，LF炉精炼期白渣保持时间≥30min。
进一步的是，步骤(4)中，退火温度为700～750℃，保温时间≥20h，并且以≤30℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
进一步的是，步骤(5)中，保护气氛电渣重熔使用66#预熔渣，熔速为7.0～6.5Kg/min，电渣结束，炉冷≥90min后罩冷，罩冷时间≥72h。
进一步的是，步骤(6)和步骤(8)中，退火温度为700～750℃，保温时间≥24h，并且以≤30℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
进一步的是，步骤(7)中，真空自耗重熔过程中起弧最高电流为15000±1000A，熔化速率为7.0～6.7Kg/min。
进一步的是，步骤(9)中，锻造工艺为一墩一拔两火成型，且开锻温度≥1050℃，终锻温度800～850℃；步骤(11)中，超细化工艺为经过一次淬火和一次回火处理。
进一步的是，步骤(10)中，水冷时间以模块厚度4min/100mm计算，且水冷前空冷3min；退火温度为700～750℃，保温时间≥24h，并且以≤30℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的方法制备得到的模具钢材料纯净度极高，通过本发明方法生产的模具钢材料其夹杂物级别按ASTM E45钢种非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验方法进行取样及检验可以达到以下程度：非金属夹杂物A类、B类、C类和DS类均为0，D类中粗粒为0，细粒为0.5；
(2)本发明方法获得的模具钢组织均匀性好，其组织级别按SEP1614热作模具钢显微检测评定标准评级图显微检验方法进行取样及检验可以达到SA1级；其网状级别按照GB/T1299合金工具钢标准评级图显微检验方法进行取样及检验可以达到1级；其晶粒度级别按照GB/T 6394-2002金属平均晶粒度测定方法进行评级可以达到10级；
(3)本发明方法生产的模具钢材料在高端镜面模具钢市场有良好的经济效益和社会效益，适合推广使用。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
按照下表1中各元素组成的重量百分占比配制模具钢的合金原料：
实施例1
样品一的制备方法步骤如下：
步骤A、按上述元素成分配比配制合金，通过非真空感应炉熔炼均匀化，熔炼温度为1510℃，在熔炼过程中需要不断添加渣料进行脱氧脱硫，待料化清后除渣90％，重新加渣料造渣，并加适量Al粉进行扩散脱氧，充分搅拌升温至1560℃取样分析，再升温至1620℃，出钢进LF炉；
步骤B、座包入LF工位后升温调渣，根据步骤A取样结果调成分，并加入碳粉、Al粉、Si-Ca粉扩散脱氧保持还原气氛，渣白取样，升温至1670℃除渣60％出钢进VD工位；
步骤C、VD炉抽空前置稀土0.5Kg/T于包内，总抽空时间30min，极限真空133Pa，保持时间10min，破空后测温，静吹氩10min，测温1525℃出钢浇注；
步骤D、电极棒浇注4小时后脱模，缓冷至200℃立即装炉退火，退火完成后电极棒两端平头、表面磨光处理；
步骤E、将步骤D处理好的电极棒作为电极置于保护气氛电渣重熔炉内进行二次重熔净化，形成电渣锭；
步骤F、电渣锭脱罩后24小时内装炉退火，退火后电渣锭两端平头、表面磨光处理；
步骤G、将步骤F处理好的电渣锭作为电极置于真空自耗重熔炉内进行再次重熔净化、脱气，形成自耗锭；
步骤H、自耗锭出罩空冷至150℃立即装炉退火，退火完成后表面车光转下一生产工序；
步骤I、将步骤H处理好的钢锭置于加热炉内，以80℃/h升温至500℃保温4小时，再以100℃/h升温至850℃保温6小时，最后以150℃/h升温至1280℃保温35小时，之后开炉门降温至1180℃保温1小时再出炉锻造；
步骤J、锻造完成后入水处理，水冷结束后模块先返温至550℃，后空冷至表面温度至250℃立即装炉退火，退火后进行探伤、平头、修磨处理；
步骤K、将步骤J处理好的模块进行超细化处理制得所需材料。
其中，步骤A中，熔炼钢水在20T非真空感应炉内进行，并且利用3T炉混冲进行预造渣。
其中，步骤B中，LF炉精炼期白渣保持时间30min。
其中，步骤C中，VD炉破空后需要测氢。
其中，步骤D中，退火温度为700℃，保温时间20h，并且以30℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
其中，步骤E中，保护气氛电渣重熔使用66#预熔渣，熔速为7.0Kg/min，电渣结束，炉冷90min后罩冷，罩冷时间72h。
其中，步骤F中，退火温度为700℃，保温时间24h，并且以30℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
其中，步骤G中，真空自耗重熔过程中起弧允许最高电流15000±1000A，熔化速率为7.0Kg/min。
其中，步骤H中，退火温度为700℃，保温时间24h，并且以30℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
其中，步骤I中，锻造工艺为一墩一拔两火成型，且开锻温度1050℃，终锻温度800℃。
其中，步骤J中，水冷时间以模块厚度4min/100mm计算，且水冷前空冷3min；退火温度为700℃，保温时间24h，并且以30℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
其中，步骤K中，超细化工艺为一次淬火+回火。
实施例2
样品二的制备方法步骤如下：
步骤A、按上述元素成分配比配制合金，通过非真空感应炉熔炼均匀化，熔炼温度为1520℃，在熔炼过程中需要不断添加渣料进行脱氧脱硫，待料化清后除渣92％，重新加渣料造渣，并加适量Al粉进行扩散脱氧，充分搅拌升温至1580℃取样分析，再升温至1630℃，出钢进LF炉；
步骤B、座包入LF工位后升温调渣，根据步骤A取样结果调成分，并加入碳粉、Al粉、Si-Ca粉扩散脱氧保持还原气氛，渣白取样，升温至1690℃除渣65％出钢进VD工位；
步骤C、VD炉抽空前置稀土0.5Kg/T于包内，总抽空时间35min，极限真空130Pa，保持时间12min，破空后测温，静吹氩15min，测温1530℃出钢浇注；
步骤D、电极棒浇注4小时后脱模，缓冷至300℃立即装炉退火，退火完成后电极棒两端平头、表面磨光处理；
步骤E、将步骤D处理好的电极棒作为电极置于保护气氛电渣重熔炉内进行二次重熔净化，形成电渣锭；
步骤F、电渣锭脱罩后24小时内装炉退火，退火后电渣锭两端平头、表面磨光处理；
步骤G、将步骤F处理好的电渣锭作为电极置于真空自耗重熔炉内进行再次重熔净化、脱气，形成自耗锭；
步骤H、自耗锭出罩空冷至250℃立即装炉退火，退火完成后表面车光转下一生产工序；
步骤I、将步骤H处理好的钢锭置于加热炉内，以82℃/h升温至500℃保温4小时，再以105℃/h升温至850℃保温6小时，最后以152℃/h升温至1280℃保温35小时，之后开炉门降温至1180℃保温1小时再出炉锻造；
步骤J、锻造完成后入水处理，水冷结束后模块先返温至550℃，后空冷至表面温度至350℃立即装炉退火，退火后进行探伤、平头、修磨处理；
步骤K、将步骤J处理好的模块进行超细化处理制得所需材料。
其中，步骤A中，熔炼钢水在20T非真空感应炉内进行，并且利用3T炉混冲进行预造渣。
其中，步骤B中，LF炉精炼期白渣保持时间32min。
其中，步骤C中，VD炉破空后需要测氢。
其中，步骤D中，退火温度为750℃，保温时间22h，并且以28℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
其中，步骤E中，保护气氛电渣重熔使用66#预熔渣，熔速为6.5Kg/min，电渣结束，炉冷92min后罩冷，罩冷时间73h。
其中，步骤F中，退火温度为750℃，保温时间24h，并且以28℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
其中，步骤G中，真空自耗重熔过程中起弧允许最高电流15000±1000A，熔化速率为6.7Kg/min。
其中，步骤H中，退火温度为750℃，保温时间28h，并且以28℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
其中，步骤I中，锻造工艺为一墩一拔两火成型，且开锻温度1052℃，终锻温度850℃。
其中，步骤J中，水冷时间以模块厚度4min/100mm计算，且水冷前空冷3min；退火温度为750℃，保温时间25h，并且以28℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
其中，步骤K中，超细化工艺为一次淬火+回火。
实施例3
样品三的制备方法步骤如下：
步骤A、按上述元素成分配比配制合金，通过非真空感应炉熔炼均匀化，熔炼温度为1515℃，在熔炼过程中需要不断添加渣料进行脱氧脱硫，待料化清后除渣94％，重新加渣料造渣，并加适量Al粉进行扩散脱氧，充分搅拌升温至1570℃取样分析，再升温至1625℃，出钢进LF炉；
步骤B、座包入LF工位后升温调渣，根据步骤A取样结果调成分，并加入碳粉、Al粉、Si-Ca粉扩散脱氧保持还原气氛，渣白取样，升温至1680℃除渣70％出钢进VD工位；
步骤C、VD炉抽空前置稀土0.5Kg/T于包内，总抽空时间38min，极限真空130Pa，保持时间20min，破空后测温，静吹氩18min，测温1528℃出钢浇注；
步骤D、电极棒浇注4小时后脱模，缓冷至250℃立即装炉退火，退火完成后电极棒两端平头、表面磨光处理；
步骤E、将步骤D处理好的电极棒作为电极置于保护气氛电渣重熔炉内进行二次重熔净化，形成电渣锭；
步骤F、电渣锭脱罩后24小时内装炉退火，退火后电渣锭两端平头、表面磨光处理；
步骤G、将步骤F处理好的电渣锭作为电极置于真空自耗重熔炉内进行再次重熔净化、脱气，形成自耗锭；
步骤H、自耗锭出罩空冷至220℃立即装炉退火，退火完成后表面车光转下一生产工序；
步骤I、将步骤H处理好的钢锭置于加热炉内，以75℃/h升温至500℃保温4小时，再以95℃/h升温至850℃保温6小时，最后以145℃/h升温至1280℃保温35小时，之后开炉门降温至1180℃保温1小时再出炉锻造；
步骤J、锻造完成后入水处理，水冷结束后模块先返温至550℃，后空冷至表面温度至305℃立即装炉退火，退火后进行探伤、平头、修磨处理；
步骤K、将步骤J处理好的模块进行超细化处理制得所需材料。
其中，步骤A中，熔炼钢水在20T非真空感应炉内进行，并且利用3T炉混冲进行预造渣。
其中，步骤B中，LF炉精炼期白渣保持时间38min。
其中，步骤C中，VD炉破空后需要测氢。
其中，步骤D中，退火温度为730℃，保温时间25h，并且以25℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
其中，步骤E中，保护气氛电渣重熔使用66#预熔渣，熔速为6.8Kg/min，电渣结束，炉冷100min后罩冷，罩冷时间76h。
其中，步骤F中，退火温度为740℃，保温时间30h，并且以25℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
其中，步骤G中，真空自耗重熔过程中起弧允许最高电流15000±1000A，熔化速率为6.8Kg/min。
其中，步骤H中，退火温度为730℃，保温时间25h，并且以25℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
其中，步骤I中，锻造工艺为一墩一拔两火成型，且开锻温度1060℃，终锻温度840℃。
其中，步骤J中，水冷时间以模块厚度4min/100mm计算，且水冷前空冷3min；退火温度为730℃，保温时间25h，并且以25℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
其中，步骤K中，超细化工艺为一次淬火+回火。
测试例
对本发明实施例1-3生产的模具钢材料的夹杂物级别按ASTM E45钢种非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验方法进行取样及检验，发明实施例1-3的样品均可以达到以下表2的程度：
表2
对所得模具钢的组织级别按SEP1614热作模具钢显微检测评定标准评级图显微检验方法进行取样及检验，发现均可以达到SA1级，其网状级别按照GB/T1299合金工具钢标准评级图显微检验方法进行取样及检验，发现均可以达到1级，其晶粒度级别按照GB/T6394-2002金属平均晶粒度测定方法进行评级，发现均可以达到10级。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他方式。
Claims (10)
1.一种改善镜面模具钢纯净度及组织均匀性的方法，其特征在于，所述镜面模具钢的元素组成按重量百分比计包括：C：0.35～0.40％、Mn：0.30～0.80％、Si：0.70～1.00％、S：≤0.003％、P：≤0.025％、Cr：13.00～14.00％、Ni：≤0.50％、Mo：≤0.50％、V：0.25～0.35％、Cu：≤0.20％、Al：≤0.03％，余量为铁及不可避免的残余元素；
所述方法包括以下步骤：
(1)按上述元素组成配制合金，通过非真空感应炉熔炼，熔炼温度为1510～1520℃，熔炼过程中添加渣料进行脱氧脱硫，待料化清后除渣≥90％，然后重新加渣料造渣，并加入Al粉进行扩散脱氧，升温至1560～1580℃取样分析，进一步升温至1620℃以上，出钢进LF炉；
(2)座包入LF工位后升温调渣，根据取样结果调节成分，并加入碳粉、Al粉、Si-Ca粉扩散脱氧保持还原气氛，渣白取样，升温至1670～1690℃除渣≥60％，出钢进VD工位；
(3)VD炉抽空前置稀土0.5Kg/T于包内，总抽空时间≥30min，极限真空≤133Pa，保持时间≥10min，破空后测温，静吹氩气≥10min，测温1525～1530℃，出钢浇注；
(4)电极棒浇注4小时后脱模，缓冷至200～300℃装炉退火，退火完成后电极棒两端平头、表面磨光处理；
(5)将电极棒作为电极置于保护气氛电渣重熔炉内进行二次重熔净化，形成电渣锭；
(6)电渣锭脱罩后24小时内装炉退火，退火后电渣锭两端平头、表面磨光处理；
(7)将电渣锭作为电极置于真空自耗重熔炉内进行再次重熔净化、脱气，形成自耗锭；
(8)自耗锭出罩空冷至150～250℃装炉退火，退火完成后表面车光；
(9)将处理好的钢锭置于加热炉内，以≤80℃/h升温至500℃保温4小时，再以≤100℃/h升温至850℃保温6小时，最后以≤150℃/h升温至1280℃保温35小时，之后开炉门降温至1180℃保温1小时再出炉锻造；
(10)锻造完成进行水冷，结束后模块先返温至550℃，然后空冷，至表面温度为250～350℃装炉退火，退火后进行探伤、平头、修磨处理；
(11)将步骤(10)处理好的模块进行超细化处理，制备得到纯净度高及组织均匀性好的镜面模具钢。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述残余元素包括：Ti：≤0.008％，Nb：≤0.01％、H：≤0.0001％、O：≤0.0015％、N：≤0.01％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，熔炼钢水在20T非真空感应炉内进行，并利用3T炉混冲进行预造渣。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，LF炉精炼期白渣保持时间≥30min。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(4)中，退火温度为700～750℃，保温时间≥20h，并且以≤30℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(5)中，保护气氛电渣重熔使用66#预熔渣，熔速为7.0～6.5Kg/min，电渣结束，炉冷≥90min后罩冷，罩冷时间≥72h。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(6)和步骤(8)中，退火温度为700～750℃，保温时间≥24h，并且以≤30℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(7)中，真空自耗重熔过程中起弧最高电流为15000±1000A，熔化速率为7.0～6.7Kg/min。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(9)中，锻造工艺为一墩一拔两火成型，且开锻温度≥1050℃，终锻温度800～850℃；步骤(11)中，超细化工艺为经过一次淬火和一次回火处理。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(10)中，水冷时间以模块厚度4min/100mm计算，且水冷前空冷3min；退火温度为700～750℃，保温时间≥24h，并且以≤30℃/h炉冷至500℃出炉空冷。
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2022
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