CN116024500A - 一种热锻模用钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热锻模用钢及其制备方法，所述热锻模用钢以质量百分比计包括，0.30‑0.45％的C，0.30‑0.60％的Si，0.30‑0.55％的Mn，≤0.010％的P，≤0.001％的S，5.00‑5.50％的Cr，2.85‑3.15％的Mo，0.45‑0.65％的V，≤0.15％的Ni，≤0.20％的Cu，0.010‑0.030％的Nb，≤0.0120％的N，≤0.00015％的H，≤0.0020％的O，余量为铁及不可避免的杂质。本发明改进热锻模用钢的成分配比，采用中碳以保证淬硬性、韧性和导热性；高钼增加热红硬性能及蠕变破裂强度，同时细化晶粒、提高韧性和减少钢的回火脆性；硅降低到0.30％‑0.60％减轻带状偏析，提高冲击韧性，同时提高热传导性能；加钒细化组织和晶粒，钒和钼的加入，在回火时析出细小的碳化物，起到二次硬化的作用，保证钢具有高的硬度和耐磨性；加入铌提高高温硬度、抗软化能力和冷、热疲劳抗力。
Description
技术领域
本发明涉及合金冶炼技术领域，特别涉及一种热锻模用钢及其制备方法。
背景技术
热锻模作为重要的基础工业装备，主要用于再结晶温度以上的固态金属锻造成型。广泛应用于汽车工业、机械制造业领域。热锻模在锻造过程中受到复杂的热、机械载荷作用，其使用寿命普遍偏低，直接影响了锻件的生产成本和企业的经济效益。
目前，H13(4Cr5MoSiV1)钢是使用最广泛的热锻模具钢。随着锻模材料向长使用寿命、型腔尺寸要求严格的精密锻模方向发展的趋势，H13钢作为中耐热型热作模具钢，其高温红硬性差，耐磨性存在不足。
因此，需开发出高耐冷热疲劳、高耐磨性、高热稳定性钢种满足市场需求。
发明内容
为了提高热锻模具钢的性能，本发明提供了一种热锻模用钢，以质量份计包括。
0.30-0.45％的C，0.30-0.60％的Si，0.30-0.55％的Mn，≤0.010％的P，≤0.001％的S，5.00-5.50％的Cr，2.85-3.15％的Mo，0.45-0.65％的V，≤0.15％的Ni，≤0.20％的Cu，0.010-0.030％的Nb，≤0.0120％的N，≤0.00015％的H，≤0.0020％的O，余量为铁及不可避免的杂质。
本发明还提供了上述的热锻模用钢的制备方法，包括，
将热锻模用钢原料依次进行UHP炉冶炼、AOD炉冶炼、LF炉冶炼和VD精炼得到合金液，所述热锻模用钢原料包括废钢、生铁、高铬铁、钼铁、钒铁和铌铁；
将所述合金液浇注得到合金锭；
将所述合金锭依次进行一次退火、电渣重熔、模块锻造、二次退火以及细化组织和碳化物热处理得到热锻模用钢。
进一步地，所述UHP炉冶炼包括，
将废钢和生铁熔清得到钢液；
氧化期时，根据钢液中的P含量加入第一批石灰；
氧化期结束，钢液温度≥1630℃时，调整P含量≤0.005wt％和C含量≥0.06wt％，将钢液温度升至≥1680℃加入第一批硅铁后出钢。
进一步地，所述AOD炉冶炼包括，
将UHP炉冶炼所得钢液加入带有垫底石灰和增碳剂的AOD炉；
当钢液温度≥1520℃时，将第二批硅铁和第二批石灰加入AOD炉；
随后，当钢液温度为≥1630℃，将钼铁和第三批石灰加入AOD炉；
然后，当钢液温度为≥1640℃且钢液中C含量≥0.5wt％前，将高铬铁和第四批石灰加入AOD炉；
最后，将第三批硅铁和萤石加入AOD炉还原1-5min后加入钒铁和铝锭继续还原5-10min，控制渣量1200-1500kg出钢。
进一步地，所述LF炉冶炼包括，
钢液进入LF炉后以钢液质量的0.06％喂入铝线，根据精炼终渣成分控制要求向钢液中加入精炼渣和第五批石灰，以及分批加入钢渣友；
当钢液温度≥1620℃且S含量≤0.003wt％时，向钢液中加入铌铁和喂入钙硅线进行钙处理，钙处理结束后出钢。
进一步地，所述VD精炼包括，
钢液进入VD炉后除渣使渣厚为60-100mm；
在VD炉极限真空度≤67Pa保持15min或15min以上，在真空度≤1000Pa时以流量150-300L/min吹氩；
破空前1-2min，将氩气流量调整至20-50L/min，破空后，在钢液温度为1535-1545℃时出钢。
进一步地，所述浇注包括，
在保护气下，将所述合金液吊包浇注，控制合金液中气体含量。
进一步地，所述一次退火包括，
将所述合金锭在850-870℃保温13-17h，保温结束以降温速度≤40℃/h冷却至150-300℃。
进一步地，所述模块锻造包括，
在电渣重熔后的铸锭在1265-1285℃保温30-40h均质化处理后，钢锭进行3次模块锻造，出炉后镦粗到1/2高度+FM法组合的锻造开坯；开锻温度≥1160℃得到第一锻造锻坯；1170-1200℃回炉保温，保温时间≥2h，保温结束出炉拔长锻造得到第二锻造锻坯；1180-1190℃温度回炉再烧≥2.5h；最后一火次出炉直接拔长锻造模块，快锻终锻温度≥870℃，锻后模块水冷后空冷。
进一步地，所述二次退火包括，将模块锻造所得模块完成空冷后在860-880℃保温20-25h，随后降温至740-760℃保温25-30h；
所述细化组织和碳化物热处理包括，将完成二次退火的模块加热至1050-1080℃后出炉空冷至大面表面中心区温度为900-930℃；随后水冷至中心区温度为400-450℃；最后空冷至大面表面中心区温度为210-230℃得到冷却后模块；将冷却后模块入炉在860-880℃保温12-20h；随后降温至730-750℃保温15-25h；最后降温至320-360℃。
相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：
改进热锻模用钢的成分配比，采用中碳以保证淬硬性、韧性和导热性；高钼增加热红硬性能及蠕变破裂强度，同时细化晶粒、提高韧性和减少钢的回火脆性；硅降低到0.30％-0.60％减轻带状偏析，提高冲击韧性，同时提高热传导性能；加钒细化组织和晶粒，钒和钼的加入，在回火时析出细小的碳化物，起到二次硬化的作用，保证钢具有高的硬度和耐磨性；加入铌提高高温硬度、抗软化能力和冷、热疲劳抗力。同时，严格控制热锻模用钢制备的各项工艺，使用UHP炉冶炼、AOD炉冶炼、LF炉冶炼和VD精炼，采用合理的均质化处理和镦粗+FM法组合锻造开坯锻造工艺，使钢材中碳化物细小、均匀。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的步骤来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。
图1示出了本发明的热锻模用钢的制备方法流程图；
图2示出了实施例1制备的热锻模用钢的显微组织图；
图3示出了实施例2制备的热锻模用钢的显微组织图。
具体实施方式
本发明的设计构思在于，调整热锻模用钢的成分配比：采用中碳以保证淬硬性，同时还有较好的韧性和导热性；高铬提高钢材的淬透性、耐磨性和回火稳定性；高钼以增加热红硬性能及蠕变破裂强度，同时细化晶粒、提高韧性和减少钢的回火脆性；硅降低到0.30-0.60％减轻带状偏析，提高冲击韧性，同时提高热传导性能；加钒细化组织和晶粒；同时钼和钒的加入，能够在回火时析出细小的碳化物，起到二次硬化的作用，保证钢具有高的硬度和耐磨性。加入铌使合金有更高的高温硬度、抗软化能力和冷、热疲劳抗力。
基于此，本发明提供了一种热锻模用钢，以质量份计包括，
0.30-0.45％的C，0.30-0.60％的Si，0.30-0.55％的Mn，≤0.010％的P，≤0.001％的S，5.00-5.50％的Cr，2.85-3.15％的Mo，0.45-0.65％的V，≤0.15％的Ni，≤0.20％的Cu，0.010-0.030％的Nb，≤0.0120％的N，≤0.00015％的H，≤0.0020％的O，余量为铁及不可避免的杂质。
如图1所示，本发明也提供了上述的热锻模用钢的制备方法，包括以下的步骤，
S101、将热锻模用钢原料依次进行UHP炉冶炼、AOD炉冶炼、LF炉冶炼和VD精炼得到合金液，所述热锻模用钢原料包括废钢、生铁、高铬铁、钼铁、钒铁和铌铁。
在本发明的一个实施方式中，所述UHP炉冶炼包括，将废钢和生铁熔清得到钢液；氧化期时，根据钢液中的P含量加入第一批石灰；氧化期结束，钢液温度≥1630℃时，调整P含量≤0.005wt％和C含量≥0.06wt％，将钢液温度升至≥1680℃时出钢并加入第一批硅铁。
在本发明的一个实施方式中，所述AOD炉冶炼包括，将UHP炉冶炼所得钢液加入带有垫底石灰和增碳剂的AOD炉；当钢液温度≥1520℃时，将第二批硅铁和第二批石灰加入AOD炉；随后，当钢液温度为≥1630℃，将钼铁和第三批石灰加入AOD炉；然后，当钢液温度为≥1640℃且钢液中C含量≥0.5wt％前，将高铬铁和第四批石灰加入AOD炉；最后，将第三批硅铁和萤石加入AOD炉还原1-5min后加入钒铁和铝锭继续还原5-10min，控制渣量1200-1500kg出钢。
优选地，萤石加入量为按石灰总量的15-20％控制。
在本发明的一个实施方式中，所述LF炉冶炼包括，钢液进入LF炉后以钢液质量的0.06％喂入铝线，根据精炼终渣成分控制要求向钢液中加入精炼渣和第五批石灰，以及分批加入钢渣友；当钢液温度≥1620℃且S含量≤0.003wt％时，向钢液中加入铌铁和喂入钙硅线进行钙处理，钙处理结束后出钢。
在本发明的一个实施方式中，所述VD精炼包括，钢液进入VD炉后除渣使渣厚为60-100mm；在VD炉极限真空度≤67Pa保持15min或15min以上，在真空度≤1000Pa时以流量150-300L/min吹氩；破空前1-2min，将氩气流量调整至20-50L/min，破空后，在钢液温度为1535-1545℃时出钢。
S102、将所述合金液浇注得到合金锭。
在本发明的一个实施方式中，所述浇注包括，在保护气下，将所述合金液进行浇注，控制合金液中气体含量。
优选地，所述保护气包括氩气。
S103、将所述合金锭依次进行一次退火、电渣重熔、模块锻造、二次退火以及细化组织和碳化物热处理得到热锻模用钢。
在本发明中电渣重熔使用本领域常用的渣系和方法不做改进。
在本发明的一个实施方式中，所述一次退火包括，将所述合金锭在850-870℃保温13-17h，保温结束以降温速度≤40℃/h冷却至150-300℃。
在本发明的一个实施方式中，所述模块锻造包括，电渣重熔后的铸锭在1265-1285℃保温30-40h均质化处理后，钢锭进行3次模块锻造，出炉后镦粗到1/2高度+FM法组合的锻造开坯。开锻温度≥1160℃得到第一锻造锻坯；1170-1200℃回炉保温，保温时间≥2h，保温结束出炉拔长锻造得到第二锻造锻坯；1180-1190℃温度回炉再烧≥2.5h。最后一火次出炉直接拔长锻造模块，快锻终锻温度≥870℃，锻后模块水冷后空冷。
该钢合金含量高易发生偏析，Nb进一步加重偏析。钢锭在凝固过程中，由于选分结晶，存在枝晶偏析，尤其在凝固后期，枝晶偏析更严重。经锻造，热处理后呈贫碳合金区与富碳合金区交替分布带状组织。传统热锻模具钢退火态心部组织存在粗大的共晶碳化物和成分偏析，二次碳化物聚集在晶界处，并且在局部地方连成链状碳化物，共晶碳化物和二次碳化物在晶界聚集强烈影响锻模的冲击韧性。后续的热处理并不能消除液析碳化物，只有在低于固相线的温度作长时间的保温，使合金元素得到充分的扩散，液析碳化物才可以得到消除；由此本发明在锻造过程中进行了均质化处理，以期解决上述问题。进行均质化温度1265℃-1285℃加热30h-40h处理，解决一次碳化物和消除偏析。
在均质化处理完成后则快锻进行三次镦粗+FM法组合锻造开坯，使心部处于三向压状态，充分锻透心部。同时改变金属流线，提高等向性能。1170-1200℃回炉再烧时间≥2h，出炉直接拔长锻造锻坯。1180-1190℃温度回炉再烧≥2.5h。最后一火次出炉直接拔长锻造模块，快锻终锻温度≥870℃，锻后模块水冷后空冷。
所述快锻终锻温度和锻后冷却速度的控制直接影响晶界处二次碳化物的析出，冷却速度越慢，晶界处析出的二次碳化物越严重，一旦形成网状碳化物，将影响钢材的冲击韧性；所述快锻终锻温度≥870℃，锻后模块水冷后空冷。
均质化处理在解决一次碳化物和显微偏析的同时，易造成锻后组织粗晶；因此，本申请在锻造水冷之后进行等温球化退火，切断组织遗传，重新获得稳定的细晶组织，避免锻后粗晶对成品使用性能的不利影响。在本发明的一个实施方式中，所述二次退火包括，将锻造所得模块完成空冷后在860-880℃保温20-25h，随后降温至740-760℃保温25-30h。
在本发明的一个实施方式中，所述细化组织和碳化物处理包括，将完成二次退火的模块加热至1050-1080℃后出炉空冷至大面表面中心区温度为900-930℃；随后水冷至中心区温度为400-450℃；最后空冷至大面表面中心区温度为210-230℃得到冷却后模块；将冷却后模块入炉在860-880℃保温12-20h；随后降温至730-750℃保温15-25h；最后降温至320-360℃。
在本发明中得到热锻模用钢需要对其性能进行检验，检验项目包括：超声波探伤：表面质量检验：低倍、高倍、力学性能检验。
下面将结合本发明具体实施例和说明书附图，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。
实施例1
一种热锻模用钢的制备方法，包括以下的步骤，
1、配料
按热锻模用钢成分配好原辅料，所有原辅料使用前均进行烘烤。合金原料包括废钢、生铁、高铬铁、钼铁、钒铁和铌铁。辅料包括硅铁(既作为部分铁源，也被用来调整钢液成分，因此需要根据实际情况添加，包括第一批硅铁、第二批硅铁和第三批硅铁)、增碳剂、石灰、铝锭、钙硅线、铝线和萤石，其中，石灰包括第一批石灰、第二批石灰、第三批石灰、第四批石灰、第五批石灰和垫底石灰，总量为1800kg，除垫底石灰外其余根据实际情况选择加入量。
2、UHP炉冶炼
将废铁和生铁装入UHP炉后送电熔化，熔清得到钢液，钢液温度为1565℃时，取样全分析；氧化期时，根据P含量分析结果加入第一批石灰，做好低温脱磷；氧化期结束，钢液温度为1635℃时取样分析，调整电压和电流使得钢液中的P含量为0.005wt％、C含量为0.08wt％，将钢液温度升至1690℃时出钢并加入第一硅铁，出钢过程严禁下渣。
3、AOD炉冶炼
在兑钢前5min，按每炉钢钢水40t计，向AOD炉加入垫底石灰300kg和增碳剂1000kg；随后将步骤2所出钢液转移至AOD炉。当钢液温度1525℃时，将第二批硅铁和第二批石灰加入AOD炉以平衡钢液的碱度为2.2，待第二批硅铁和第二批石灰加完后，将冶炼模式切换为脱碳模式吹炼，采用全程吹氩气；随后，当钢液温度为1635℃，将钼铁和第三批石灰加入AOD炉；然后，当钢液温度为1645℃且钢液中C含量0.55wt％前，将高铬铁和第四批石灰加入AOD炉；之后，还原模式还原冶炼，将第三批硅铁和306kg萤石加入AOD炉还原2min后加入钒铁和铝锭继续还原6min，测温和取样全分析，全分析样结果送LF炉。AOD炉精确控制出炉渣量，出钢前适当流渣和扒渣，控制进入钢包渣量1200-1500kg。
4、LF炉冶炼
将步骤3出钢钢液吊包至LF工位，钢液进入LF炉后以钢液质量的0.06％喂入铝线，测渣厚，测温，向钢液中加入80精炼渣100kg，并加入第五批石灰进行调整。
LF炉送电，向钢液中加入首批钢渣友80kg，随后分批加入钢渣友(每批30-50kg，钢渣友总量200kg)，待渣白，钢液温度为1565℃取样全分析，根据结果调整成分，保持还原氛围并深度脱S。当钢液温度为1620℃且S含量为0.002wt％时，向钢液中加入铌铁和喂入钙硅线(230m/炉)进行钙处理，钙处理结束后出钢，吊包除渣至渣厚为80mm。
5、VD精炼
将步骤4吊包除渣后的钢液转移至VD精炼炉，测温、测渣厚，将渣厚调整至80mm。使钢液VD炉极限真空度30Pa保持25min，在真空度600Pa时以流量250L/min吹氩；破空前2min，将氩气流量调整至46L/min，破空后，测温和取样全分析，在钢液温度为1540℃时出钢。
6、浇注
采用狭缝式氩气保护装置及石棉保护套相结合的保护下，浇注得到合金锭，以减少二次氧，其中，氩气流量为30L/min。
7、一次退火
将步骤6所得合金锭转移至退火炉，加热3h升温至860℃保温15h，保温结束后经17h降温至260℃完成一次退火，一次退火结束后将一次退火过的合金锭磨光、平头。
8、电渣重熔
电渣重熔使用二元渣系CaF2和Al2O3，CaF2和Al2O3的质量比为70：30。电渣重熔的过程中结晶器出水温度为45℃，熔速为9.0kg/min；渣重为195kg，冶炼炉座为A14，充填时间为65min。将步骤7所得磨光、平头的一次退火过的合金锭经过电渣重熔得到电渣重熔后的铸锭。
9、模块锻造
将步骤8所得电渣重熔后的铸锭在1280℃保温36h均质化处理后，钢锭进行3次模块锻造，出炉后镦粗到1/2高度+FM法组合的锻造开坯；开锻温度1170℃得到第一锻造锻坯；1200℃回炉保温，保温时间2.5h，保温结束出炉拔长锻造得到第二锻造锻坯；1180℃温度回炉再烧3h。最后一火次出炉直接拔长锻造模块，快锻终锻温度875℃，锻后模块水冷后空冷得到冷却后模块。
10、二次退火
将步骤9所得模块出水冷后进行空冷，空冷至模块大面表面中心温度为280℃后转移至退火炉，在870℃保温25h，随后在4h降温至750℃保温30h，再以降温速率30℃/h降温至350℃出炉。
11、细化组织和碳化物处理
将完成二次退火的模块加热至1060℃后出炉空冷至中心区温度为910℃；随后水冷至中心区温度为420℃；最后空冷至大面表面中心区温度为225℃得到冷却后模块；将冷却后模块入炉在870℃保温15h；随后以降温速率30℃/h降温至750℃保温20h；最后以降温速率30℃/h降温至350℃出炉，得到热锻模用钢。
在本实施例制备的热锻模用钢命名为FHCTRD02-1，FHCTRD02-1的尺寸为202mm×590mm×2030mm，除铁及不可避免的杂质，热锻模用钢成分以质量百分比包括0.38％的C，0.46％的Si，0.4％的Mn，0.007％的P，0.0005％的S，5.09％的Cr，3.1％的Mo，0.57％的V，0.10％的Ni，0.11％的Cu，0.026％的Nb，0.0096％的N，0.00009％的H，0.0012％的O。
分析FHCTRD02-1中的非金属夹杂物的级别结果如表1所示。
表1FHCTRD02-1非金属夹杂物的级别结果
表1中FHCTRD02-1的每个结果有两个数值，表明两个试样的结果，在本发明中的其它表格中出现的两个或三个数值表明两个或三个试样的结果。从表1的结果中可以看出，FHCTRD02-1中的非金属夹杂物的级别满足压铸模具用特殊质量模具钢及其热处理验收标准NADCA#207-2016。非金属夹杂物会破坏了正常金属组织的连续性，导致热锻过程中应力集中和疲劳断裂，降低模具使用寿命，其级别越低越好，FHCTRD02-1也满足技术协议。
将FHCTRD02-1在500倍下检验退火显微组织，在50倍下检验显微不均匀性，并按NADCA#207-2016标准评级图评级。FHCTRD02-1的金相组织结果如表2所示。
表2 FHCTRD02-1的金相组织结果
图2示出了FHCTRD02-1的退火显微组织AS2的显微组织图。
FHCTRD02-1经过1030℃奥氏体化处理30min后油淬，610℃回火2次，每次回火2小时，每次回火之间空冷至室温，随后测试硬度和横向心部冲击韧性，结果如表3所示。
表3 FHCTRD02-1的硬度和横向心部冲击韧性
FHCTRD02-1的晶粒度测试，经1025℃±10℃保温30min，分级淬火至730℃±10℃保温30min，然后空冷至室温。按GB/T 6394金属平均晶粒度测定方法进行评级，结果如表4所示。
表4 FHCTRD02-1的晶粒度测试结果
这些测试结果表明，本实施例成功制备了高热稳定性的优质热锻模用钢。
实施例2
一种热锻模用钢的制备方法，包括以下的步骤，
1、配料
按热锻模用钢成分配好原辅料，所有原辅料使用前均进行烘烤。合金原料包括废钢、生铁、高铬铁、钼铁、钒铁和铌铁。辅料包括硅铁(既作为部分铁源，也被用来调整钢液成分，因此需要根据实际情况添加，包括第一批硅铁、第二硅铁和第三硅铁)、增碳剂、石灰、铝锭、钙硅线、铝线，其中，石灰包括第一批石灰、第二批石灰、第三批石灰、第四批石灰、第五批石灰和垫底石灰，总量为1850kg，除垫底石灰外其余根据实际情况选择加入量。
2、UHP炉冶炼
将废铁和生铁装入UHP炉后送电熔化，熔清得到钢液，钢液温度为1568℃时，取样全分析；氧化期时，根据P含量分析结果加入第一批石灰，做好低温脱磷；氧化期结束，钢液温度为1636℃时取样分析，调整电压和电流使得钢液中的P含量为0.004wt％、C含量为0.08wt％，将钢液温度升至1695℃时出钢并加入第一批硅铁，出钢过程严禁下渣。
3、AOD炉冶炼
在兑钢前5min，按每炉钢钢水40t计,向AOD炉加入垫底石灰300kg和增碳剂1000kg；随后将步骤2所出钢液转移至AOD炉。当钢液温度1525℃时，将第二批硅铁和第二批石灰加入AOD炉以平衡钢液的碱度为2.2，待第二批硅铁和第二批石灰加完后，将冶炼模式切换为脱碳模式吹炼，采用全程吹氩气；随后，当钢液温度为1637℃，将钼铁和第三批石灰加入AOD炉；然后，当钢液温度为1645℃且钢液中C含量0.50wt％前，将高铬铁和第四批石灰加入AOD炉；之后，还原模式冶炼，将第三批硅铁和333kg萤石加入AOD炉还原2min后加入钒铁和铝锭继续还原6min，测温和取样全分析，全分析样结果送LF炉。AOD炉精确控制出炉渣量，出钢前适当流渣和扒渣，控制进入钢包渣量1300kg。
4、LF炉冶炼
将步骤3出钢钢液吊包至LF工位，钢液进入LF炉后以钢液质量的0.06％喂入铝线，测渣厚，测温，向钢液中加入80精炼渣100kg，并加入第五批石灰进行调整。
LF炉送电，向钢液中加入首批钢渣友80kg，随后分批加入钢渣友(每批30-50kg，钢渣友总量200kg)，待渣白，钢液温度为1568℃取样全分析，根据结果调整成分，保持还原氛围并深度脱S。当钢液温度为1625℃且S含量为0.002wt％时，向钢液中加入铌铁和喂入钙硅线(230m/炉)进行钙处理，钙处理结束后出钢，吊包除渣至渣厚为80mm。
5、VD精炼
将步骤4吊包除渣后的钢液转移至VD精炼炉，测温、测渣厚，将渣厚调整至80mm。使钢液VD炉极限真空度30Pa保持25min，在真空度600Pa时以流量250L/min吹氩；破空前2min，将氩气流量调整至46L/min，破空后，测温和取样全分析，在钢液温度为1540℃时出钢。
6、浇注
采用狭缝式氩气保护装置及石棉保护套相结合的保护下，浇注得到合金锭，以减少二次氧化，其中，氩气流量为30L/min。
7、一次退火
将步骤6所得合金锭转移至退火炉，加热3h升温至860℃保温15h，保温结束后经17h降温至270℃完成一次退火，一次退火结束后将一次退火过的合金锭磨光、平头。
8、电渣重熔
电渣重熔使用二元渣系CaF2和Al2O3，CaF2和Al2O3的质量比为70：30。电渣重熔的过程中结晶器出水温度为45℃，熔速为9.0kg/min；渣重为195kg，冶炼炉座为A16，充填时间为60min。将步骤7所得磨光、平头的一次退火过的合金锭经过电渣重熔得到电渣重熔后的铸锭。
9、模块锻造
将步骤8所得电渣重熔后的铸锭在1280℃保温34h均质化处理后，钢锭进行3次模块锻造，出炉后镦粗到1/2高度+FM法组合的锻造开坯；开锻温度1170℃得到第一锻造锻坯；1190℃回炉保温，保温时间2.5h，保温结束出炉拔长锻造得到第二锻造锻坯；1180℃温度回炉再烧2.5h。最后一火次出炉直接拔长锻造模块，快锻终锻温度880℃，锻后锻坯水冷后空冷得到冷却后模块。
10、二次退火
将步骤9所得模块移出水冷后进行空冷，空冷至模块大面表面中心温度为285℃后转移至退火炉，在870℃保温25h，随后在4h降温至750℃保温30h，再以降温速率30℃/h降温至350℃出炉。
11、细化组织和碳化物处理
将完成二次退火的模块加热至1070℃后出炉空冷至大面表面中心区温度为915℃；随后水冷至中心区温度为420℃；最后空冷至大面表面中心区温度为215℃得到冷却后模块；将冷却后模块入炉在870℃保温15h；随后以降温速率30℃/h降温至750℃保温20h；最后以降温速率30℃/h降温至350℃出炉，得到热锻模用钢。
在本实施例制备的热锻模用钢命名为FHCTRD02-2，FHCTRD02-2的尺寸为153mm×590mm×2030mm，除铁及不可避免的杂质，热锻模用钢成分以质量百分比包括0.38％的C，0.45％的Si，0.38％的Mn，0.008％的P，0.0005％的S，5.13％的Cr，3.05％的Mo，0.59％的V，0.13％的Ni，0.11％的Cu，0.025％的Nb，0.0098％的N，0.00009％的H，0.0015％的O。
分析FHCTRD02-2中的非金属夹杂物的级别结果如表5所示。
表5FHCTRD02-2非金属夹杂物的级别结果
从表5的结果中可以看出，FHCTRD02-2中的非金属夹杂物的级别满足压铸模具用特殊质量模具钢及其热处理验收标准NADCA#207-2016，非金属夹杂物会破坏了正常金属组织的连续性，导致热锻过程中应力集中和疲劳断裂，降低模具使用寿命，其级别越低越好，FHCTRD02-2也满足技术协议。
将FHCTRD02-2在500倍下检验退火显微组织，在50倍下检验退火不均匀性，并按NADCA#207-2016标准评级图评级。FHCTRD02-2的金相组织结果如表6所示。
表6FHCTRD02-2的金相组织结果
图3示出了FHCTRD02-2的退火显微组织AS3的显微组织图。
FHCTRD02-2经过1030℃奥氏体化处理30min后油淬，610℃回火2次，每次回火2小时，每次回火之间空冷至室温，随后测试硬度和横向心部冲击韧性，结果如表7所示。
表7FHCTRD02-2的硬度和横向心部冲击韧性
FHCTRD02-2的晶粒度测试，经1025℃±10℃保温30min，分级淬火至730℃±10℃保温30min，然后空冷至室温。按GB/T 6394金属平均晶粒度测定方法进行评级，结果如表8所示。
表8FHCTRD02-2的晶粒度测试结果
这些测试结果表明，本实施例成功制备了高热稳定性的优质热锻模用钢。
综上所述，本发明调整热锻模用钢的成分配比，采用中碳以保证淬硬性，同时还有较好的韧性和导热性；高铬提高钢材的淬透性、耐磨性和回火稳定性；高钼以增加热红硬性能及蠕变破裂强度，同时细化晶粒、提高韧性和减少钢的回火脆性；硅降低到0.30-0.60％减轻带状偏析，提高冲击韧性，同时提高热传导性能；加钒细化组织和晶粒；同时钼和钒的加入，能够在回火时析出细小的碳化物，起到二次硬化的作用，保证钢具有高的硬度和耐磨性；加入铌使合金有更高的高温硬度、抗软化能力和冷、热疲劳抗力。同时，严格控制热锻模用钢制备的各项工艺，使用UHP炉冶炼、AOD炉冶炼、LF炉冶炼和VD精炼，采用合理的固溶处理条件和多段锻造工艺，使钢材中碳化物细小、均匀。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (10)
1.一种热锻模用钢，以质量百分比计包括，
0.30-0.45％的C，0.30-0.60％的Si，0.30-0.55％的Mn，≤0.010％的P，≤0.001％的S，5.00-5.50％的Cr，2.85-3.15％的Mo，0.45-0.65％的V，≤0.15％的Ni，≤0.20％的Cu，0.010-0.030％的Nb，≤0.0120％的N，≤0.00015％的H，≤0.0020％的O，余量为铁及不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述的热锻模用钢的制备方法，其特征在于，包括，
将热锻模用钢原料依次进行UHP炉冶炼、AOD炉冶炼、LF炉冶炼和VD精炼得到合金液，所述热锻模用钢原料包括废钢、生铁、高铬铁、钼铁、钒铁和铌铁；
将所述合金液浇注得到合金锭；
将所述合金锭依次进行一次退火、电渣重熔、模块锻造、二次退火以及细化组织和碳化物热处理得到热锻模用钢。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述UHP炉冶炼包括，
将废钢和生铁熔清得到钢液；
氧化期时，根据钢液中的P含量加入第一批石灰；
氧化期结束，钢液温度≥1630℃时，调整P含量≤0.005wt％和C含量≥0.06wt％，将钢液温度升至≥1680℃加入第一批硅铁后出钢。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述AOD炉冶炼包括，
将UHP炉冶炼所得钢液加入带有垫底石灰和增碳剂的AOD炉；
当钢液温度≥1520℃时，将第二批硅铁和第二批石灰加入AOD炉；
随后，当钢液温度为≥1630℃，将钼铁和第三批石灰加入AOD炉；
然后，当钢液温度为≥1640℃且钢液中C含量≥0.5wt％前，将高铬铁和第四批石灰加入AOD炉；
最后，将第三批硅铁和萤石加入AOD炉还原1-5min后加入钒铁和铝锭继续还原5-10min，控制渣量1200-1500kg出钢。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述LF炉冶炼包括，
钢液进入LF炉后以钢液质量的0.06％喂入铝线，根据精炼终渣成分控制要求向钢液中加入精炼渣和第五批石灰，以及分批加入钢渣友；
当钢液温度≥1620℃且S含量≤0.003wt％时，向钢液中加入铌铁和喂入钙硅线进行钙处理，钙处理结束后出钢。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述VD精炼包括，
钢液进入VD炉后除渣使渣厚为60-100mm；
在VD炉极限真空度≤67Pa保持15min或15min以上，在真空度≤1000Pa时以流量150-300L/min吹氩；
破空前1-2min，将氩气流量调整至20-50L/min，破空后，在钢液温度为1535-1545℃时出钢。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述浇注包括，
在保护气下，将所述合金液吊包浇注，控制合金液中气体含量。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一次退火包括，
将所述合金锭在850-870℃保温13-17h，保温结束以降温速度≤40℃/h冷却至150-300℃。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述模块锻造包括，
在电渣重熔后的铸锭在1265-1285℃保温30-40h均质化处理后，钢锭进行3次模块锻造，出炉后镦粗到1/2高度+FM法组合的锻造开坯；开锻温度≥1160℃得到第一锻造锻坯；1170-1200℃回炉保温，保温时间≥2h，保温结束出炉拔长锻造得到第二锻造锻坯；1180-1190℃温度回炉再烧≥2.5h；最后一火次出炉直接拔长锻造模块，快锻终锻温度≥870℃，锻后模块水冷后空冷。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述二次退火包括，将模块锻造所得模块完成空冷后在860-880℃保温20-25h，随后降温至740-760℃保温25-30h；
所述细化组织和碳化物热处理包括，将完成二次退火的模块加热至1050-1080℃后出炉空冷至大面表面中心区温度为900-930℃；随后水冷至中心区温度为400-450℃；最后空冷至大面表面中心区温度为210-230℃得到冷却后模块；将冷却后模块入炉在860-880℃保温12-20h；随后降温至730-750℃保温15-25h；最后降温至320-360℃。
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| CN113699446A (zh) * | 2021-08-20 | 2021-11-26 | 天津钢研海德科技有限公司 | 一种超细化型高韧性模具钢及其制备方法 |
-
2023
- 2023-02-10 CN CN202310120187.8A patent/CN116024500A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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