CN116083697A - 一种中碳热作模具钢的生产方法 - Google Patents

一种中碳热作模具钢的生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于特殊钢冶金技术领域，具体涉及一种中碳热作模具钢的生产方法。所述方法依次包括以下步骤：(1)锻造：先对钢锭进行高温扩散，然后冷却至锻造起始温度进行锻造；(2)在线快冷：将步骤(1)中锻造后的未经冷却的钢坯直接进行水冷；(3)球化退火：对步骤(2)中经过快冷的钢坯进行球化退火，制得所述中碳热作模具钢。本发明提供的生产方法，能够简化目前中碳热作模具钢在锻后，必须依次进行退火、固溶和球化退火处理的热处理方法。本发明的生产方法在保证中碳热作模具钢高强韧性的同时，简化了生产工艺，降低了成本，缩短了生产周期。

Description

一种中碳热作模具钢的生产方法
技术领域
本发明属于特殊钢冶金技术领域，具体涉及一种中碳热作模具钢的生产方法。
背景技术
现代工业中模具行业的生产制造水平已引起制造行业的高度关注，工业水平的高低已成为衡量国家制造业水平的重要标志之一。热作模具钢在模具行业中应用最为广泛，其中热作模具钢中的主流钢种是H13、SKD61和A348钢。均匀的退火组织是保证热作模具钢高强韧性的重要前提。中碳热作模具钢锻后，通常先要经炉冷/退火(防止应力裂纹)，冷却到室温后再进行固溶处理(升温到一定温度、保温一定时间然后入快冷池快冷)，再经球化退火处理才能获得合格的退火组织、带网状及机械性能。
中碳热作模具钢常要求对退火组织(按NADCA#207-90谱评定，合格级别A1～5、B1～4、C1～2、D1～2、E1)及带状(按GB/T18254第八级别图评级，合格级别≤3级)、网状碳化物(按GB/T1299第二级别图评级，合格级别2级)进行评级，为此，此类品种在球化退火处理前需要增加“锻后炉冷/退火+固溶处理”工艺以满足标准要求，导致现有技术中，能够满足相应评级标注的中碳热作模具钢的生产周期长、成本高，因此，提供一种高效低成本的中碳热作模具钢热处理方法具有非常重要的产业价值。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种中碳热作模具钢的生产方法，所述方法简化了现有技术中中碳热作模具钢的热处理方法，缩短生产周期约一周，降低工艺成本约600元/吨。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种中碳热作模具钢的生产方法，所述方法依次包括以下步骤：
(1)锻造：先对钢锭进行高温扩散，然后冷却至锻造起始温度进行锻造；
(2)在线快冷：将步骤(1)中锻造后的未经冷却的钢坯直接进行水冷；
(3)球化退火：对步骤(2)中经过快冷的钢坯进行球化退火，制得所述中碳热作模具钢。
本发明的优选实施方式中，在锻造冷床旁边设置快冷池，利用钢坯自身的锻后余热，将钢坯置于快冷池中快速冷却，以达到高温淬火的目的。也就是说，锻造完的钢坯不经过冷却直接放入快冷池中进行冷却，进入快冷池时钢坯的表面温度为800～950℃。
在上述中碳热作模具钢的生产方法中，作为一种优选实施方式，步骤(1)中，所述高温扩散的温度为1220～1270℃(例如1230℃、1240℃、1250℃、1260℃)；优选地，所述高温扩散的时间大于10小时(例如15h、20h、25h、30h、35h)。
在上述中碳热作模具钢的生产方法中，作为一种优选实施方式，步骤(1)中，锻造起始温度为1180～1220℃(例如1185℃、1190℃、1195℃、1200℃、1210℃)；优选地，终锻温度大于等于950℃(例如975℃、1000℃、1025℃、1050℃、1075℃、1100℃、1200℃、1300℃)；优选地，所述冷却的方式为炉冷；优选地，所述锻造的锻造比为＞5。
在上述中碳热作模具钢的生产方法中，作为一种优选实施方式，步骤(2)中，所述水冷是将锻造后的钢坯浸没于冷却水中，优选地，所述冷却水的温度小于30℃(例如10℃、15℃、20℃、25℃)。
在上述中碳热作模具钢的生产方法中，作为一种优选实施方式，步骤(2)中，所述水冷的冷却速度为70～100℃/min(例如75℃/min、80℃/min、85℃/min、90℃/min、95℃/min)；优选地，所述钢坯水冷至表面温度为180～250℃(例如190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃)时出水。
本发明中，在冷却水中将钢坯冷却至表面温度为180～250℃时出水，可以控制出水后所述钢坯表面回温不超过300℃。
在上述中碳热作模具钢的生产方法中，作为一种优选实施方式，步骤(3)中，所述球化退火依次包括入炉、加热、一次保温、一次冷却、二次保温、二次冷却和出炉冷却工序。
在上述中碳热作模具钢的生产方法中，作为一种优选实施方式，步骤(3)中，先将步骤(2)中经过快冷的钢坯冷却到入炉温度再进行退火，所述入炉温度为50～200℃(例如60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃)；优选地，所述冷却方式为空冷。
在上述中碳热作模具钢的生产方法中，作为一种优选实施方式，步骤(3)中，所述加热是以40～60℃/h(例如45℃/h、50℃/h、55℃/h)的速度将钢坯加热至一次保温的温度；优选地，所述一次保温的温度为850～870℃(例如855℃、860℃、865℃)；优选地，所述一次保温的时间为16～30h(例如20h、22.5h、25h、27.5h)；优选地，所述一次冷却是以10～30℃/h(例如15℃/h、20℃/h、25℃/h)的速度将钢坯冷却至二次保温的温度；优选地，所述二次保温的温度为730～750℃(例如735℃、740℃、745℃)；优选地，所述二次保温的时间为20～30h(例如22h、24h、26h、28h)；优选地，所述二次冷却是以10～30℃/h(例如15℃/h、20℃/h、25℃/h)的速度将钢坯冷却至出炉温度；优选地，所述二次冷却时钢坯的出炉温度为小于等于250℃；优选地，所述出炉冷却为出炉空冷。
在上述中碳热作模具钢的生产方法中，作为一种优选实施方式，步骤(1)中，所述钢锭型号为H13、SKD61或A348；
优选地，所述H13的化学成分为：C:0.32～0.45wt％、Si:0.80～1.2wt％、Mn:0.25～0.50wt％、P≤0.020wt％、S≤0.01wt％、Cr:4.75～5.50wt％、Mo:1.20～1.75wt％、V:0.85～1.2wt％；Cu≤0.20wt％，其余为铁及不可避免的杂质；
优选地，所述SKD61的化学成分为：C:0.37～0.42wt％、Si:0.80～1.2wt％、Mn:0.25～0.50wt％、P≤0.015wt％、S≤0.003wt％、Cr:5.00～5.50wt％，Mo:1.30～1.50wt％、V:0.80～1.00wt％、Ni≤0.20wt％、Cu≤0.20wt％、Ti≤0.010wt％，其余为铁及不可避免的杂质；
优选地，所述A348的化学成分为：C:0.35～0.40wt％、Si:0.10～0.30wt％、Mn:0.30～0.60wt％、P≤0.015wt％、S≤0.005wt％、Cr：5.20～5.50wt％、Mo:2.40～2.60wt％、V:0.85～1.2wt％、Ni≤0.15wt％、Cu≤0.20wt％，其余为铁及不可避免的杂质。
第二方面，本发明提供通过上述中碳热作模具钢的生产方法制得的中碳热作模具钢。
相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：
本发明的生产方法能够改善中碳热作模具钢成分偏析、均匀组织、细化晶粒以最终获得均匀的退火组织及良好的机械性能。具体而言是利用锻造中碳热作模具钢的锻后余热，将经过锻造后的钢坯直接置于冷水中进行快冷，以达到高温淬火的目的，以此取代传统的“锻后炉冷/退火+固溶处理”，实现工艺降本(降低工艺成本约600元/吨)、缩短生产周期约一周、减轻工人劳动强度并保证产品质量的一种工艺技术。
通过本发明生产方法制得的中碳热作模具钢的退火组织(按NADCA#207-2011图谱评定，合格级别A1～5、B1～4、C1～2、D1～2、E1)与带状(按GB/T18254第八级别图评级，合格级别≤3级)、网状碳化物(按GB/T1299第二级别图评级，合格级别≤2级)及机械性能分别满足标准要求。
2022年03月，锻造厂对中碳热作模具钢推行“在线快冷”取代传统的离线“炉冷/退火+固溶处理”工艺以来，所生产的约1000吨/月中碳热作模具钢质量全部合格，克服了离线“炉冷/退火+固溶处理”生产周期长、成本高及工人劳动强度大等问题，月降低成本、创效60余万元。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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
一种中碳热作模具钢的生产方法，本实施例制得的模具钢型号为：H13的高品质热作模具钢，尺寸规格为φ280mm×9500mm(直径×长度)。
(1)5.0t钢锭在台车式燃气炉中加热进行高温扩散，高温扩散温度为1250±10℃，扩散时间为15h；高温扩散后将钢锭温度降至1190±10℃开始锻造，锻造采用“墩-拔”工艺锻造至φ280mm规格，总锻造比为5.94，终锻温度为950℃；
(2)锻造完成后，直接将锻造后的钢坯转入冷水池快冷。钢坯入水前，钢坯温度为880±50℃，水温控制在30℃以下，钢坯表面温度冷却至220±30℃后出水。出水5分钟钢坯表面复温不超过300℃。
(3)对经过快冷的钢坯进行球化退火，球化退火依次包括入炉、加热、一次保温、一次冷却、二次保温、二次冷却和出炉冷却工序。
将经过快冷的钢坯进一步冷却至120±60℃后，装入退火炉中加热，加热的速度为50±10℃/h，加热至一次保温温度860±10℃后进行一次保温，保温时间20h。然后以20±10℃/h的冷却速度进行一次冷却，冷却至二次保温温度740±10℃后进行二次保温，保温时间20h，接着以20±10℃/h的冷却速度进行二次冷却，冷却至250℃后出炉空冷，制得所述中碳热作模具钢。
按照北美压铸协会优质模具钢及压铸模热处理验收规范NADCA#207-2011图谱检测本实施例制得的中碳热作模具钢退火组织为AS4，按照GB/T18254检测本实施例制得的中碳热作模具钢带状组织3级；按照德国热作工具钢显微检验SEP1614-1996图谱检测本实施例制得的中碳热作模具钢带状组织为SA2；按照GB/T1299检测本实施例制得的中碳热作模具钢：无碳化物液析和网状碳化物，满足标准要求。
实施例2
一种中碳铬钼钒系热作模具钢的生产方法，本实施例制得的模具钢型号为：SKD61锻制圆钢，尺寸规格为φ400mm×9000mm(直径×长度)。
(1)10.0t钢锭在台车式燃气炉中加热进行高温扩散，高温扩散温度为1250±10℃，高温扩散时间为24h；高温扩散后将钢锭温度降至1190±10℃开始锻造至φ400mm，锻打采用“墩-拔”工艺，总锻造比为6.3，终锻温度为950℃；
(2)锻造完成后，利用钢坯的锻后余热进水池快冷，钢坯入水前，钢坯温度880±50℃、冷却水温度为控制在30℃以下，测得钢坯表面温度冷却至220±30℃后出水，出水5分钟钢坯表面复温不超过300℃；
(3)对经过快冷的钢坯进行球化退火，球化退火依次包括入炉、加热、一次保温、一次冷却、二次保温、二次冷却和出炉冷却工序。
将经过快冷的钢坯进一步空冷至120±60℃后，装入退火炉中加热，加热的速度为50±10℃/h，加热至一次保温温度860±10℃后进行一次保温，保温时间20h。然后，以20±10℃/h的冷却速度进行一次冷却，冷却至二次保温温度740±10℃后进行二次保温，保温时间20h，接着以20±10℃/h的冷却速度进行二次冷却，冷却至250℃后出炉空冷，制得所述中碳热作模具钢。
按照北美压铸协会优质模具钢及压铸模热处理验收规范NADCA#207-2011谱检测本实施例制得的中碳热作模具钢退火组织为AS3，按照德国热作工具钢显微检验SEP1614-1996图谱检测本实施例制得的中碳热作模具钢带状组织为SA3。按照GB/T18254检测本实施例制得的中碳热作模具钢带状组织3级；按照GB/T1299检测本实施例制得的中碳热作模具钢：无碳化物液析和网状碳化物，满足标准要求。
实施例3
一种中碳铬钼钒系热作模具钢的生产方法，本实施例制得的模具钢型号为：A348，尺寸规格为300mm(厚度)×700mm(宽度)×2000mm(长度)。
(1)10t钢锭在台车式燃气炉中加热进行高温扩散，高温扩散温度为1260±10℃，高温扩散时间为22h；高温扩散后将钢锭温度降至1210±10℃开始锻造，锻打采用“墩-拔”工艺，总锻造比为6.69，终锻温度控制在950℃；
(2)锻造完成后，利用钢坯的锻后余热进水池快冷。钢坯入水前，钢坯温度为880±50℃、冷却水温度控制在30℃以下，测得钢坯冷却至220±30℃后出水。出水5分钟钢坯表面复温不超过300℃；
(3)对经过快冷的钢坯进行球化退火，球化退火依次包括入炉、加热、一次保温、一次冷却、二次保温、二次冷却和出炉冷却工序。
将经过快冷的钢坯进一步空冷至120±60℃后，装入退火炉中加热，加热的速度为50±10℃/h，加热至一次保温温度860±10℃后进行一次保温，保温时间20h。然后，以20±10℃/h的冷却速度进行一次冷却，冷却至二次保温温度740±10℃后进行二次保温，保温时间20h，接着以20±10℃/h的冷却速度进行二次冷却，冷却至250℃后出炉空冷，制得所述中碳热作模具钢。
按照北美压铸协会优质模具钢及压铸模热处理验收规范NADCA#207-2011谱检测本实施例制得的中碳热作模具钢退火组织为AS3，按照德国热作工具钢显微检验SEP1614-1996图谱检测本实施例制得的中碳热作模具钢带状组织为SA3。按照GB/T18254本实施例制得的中碳热作模具钢带状组织3级；按照GB/T1299检测本实施例制得的中碳热作模具钢：无碳化物液析和网状碳化物，满足标准要求。
对比例1
一种中碳铬钼钒系热作模具钢的生产方法，本实施例制得的模具钢型号为：A348，尺寸：300mm(厚度)×700mm(宽度)×2000mm(长度)，采用“锻后+退火+固溶+球化退火”制备工艺。
(1)锻造：10.0t钢锭在台车式燃气炉中加热，高温扩散温度1260±10℃，高温扩散时间22h，高温扩散后将钢锭炉冷至1210±10℃开始锻造，锻打采用“墩-拔”工艺锻造至300mm(厚度)×700mm(宽度)×2000mm(长度)，总锻造比为6.69；终锻温度控制在950℃；
(2)退火：锻造完成后将所得钢坯风冷至350℃，再空冷至250±10℃后进入退火炉进行软化退火。软化退火工艺为：以70±10℃/h的加热速度，将钢坯加热至780±10℃，保温12h后，以20±10℃/h的冷却速度进行冷却，冷却至400℃后出炉空冷；
(3)固溶处理：
3.1将软化退火后的钢坯在台车式燃气炉中进行加热保温：以50±10℃/h的加热速度，将钢坯加热至850±10℃，保温3～5h；接着以70±10℃/h的加热速度，将钢坯加热至1060±10℃进行固溶，保温6h后出炉空冷，空冷至大表面中心温度900℃；
3.2水冷：经过固溶处理后的钢坯进行水冷，钢坯入水前，钢坯温度为880±50℃、冷却水温度控制在30℃以下，测得钢坯冷却至220±30℃后出水。出水5分钟钢坯表面复温不超过300℃。
(5)球化退火：对经过快冷的钢坯进行球化退火，球化退火包括入炉、加热、一次保温、一次冷却、二次保温、二次冷却和出炉冷却工序。
将经过快冷的钢坯进一步空冷至120±60℃后，装入退火炉中加热，加热速度为50±10℃/h，加热至一次保温温度860±10℃后进行一次保温，保温时间20h。然后，以20±10℃/h的冷却速度进行一次冷却，冷却至二次保温温度740±10℃后进行二次保温，保温时间20h，接着以20±10℃/h的冷却速度进行二次冷却，冷却至250℃后出炉空冷，制得所述中碳铬钼钒系热作模具钢。
按照北美压铸协会优质模具钢及压铸模热处理验收规范NADCA#207-2011谱检测本对比例制得的中碳热作模具钢退火组织为AS3，按照德国热作工具钢显微检验SEP1614-1996图谱检测本对比例制得的中碳热作模具钢带状组织为SA3。按照GB/T18254检测本对比例制得的中碳热作模具钢带状组织3级；按照GB/T1299检测本对比例制得的中碳热作模具钢：无碳化物液析和网状碳化物，满足标准要求。
实施例3中采用本发明的生产方法(锻造、在线快冷、球化退火)与对比例1中采用“锻造+锻后退火+固溶+球化退火”制备工艺得到的产品质量中退火组织、带状组织、碳化物液析、网状碳化物以及机械性能基本一致，克服了离线“炉冷/退火+固溶处理+球化处理”生产周期长、成本高及工人劳动强度大等问题，工艺降本成果显著。
最后应说明的是，以上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，但是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)

1.一种中碳热作模具钢的生产方法，其特征在于，所述方法依次包括以下步骤：
(1)锻造：先对钢锭进行高温扩散，然后冷却至锻造起始温度进行锻造；
(2)在线快冷：将步骤(1)中锻造后的未经冷却的钢坯直接进行水冷；
(3)球化退火：对步骤(2)中经过快冷的钢坯进行球化退火，制得所述中碳热作模具钢。
2.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，步骤(1)中，所述高温扩散的温度为1220～1270℃；
和/或，步骤(1)中，所述高温扩散的时间大于10小时；
和/或，步骤(1)中，锻造的起始温度为1180～1220℃；
和/或，步骤(1)中，锻造的终锻温度大于等于950℃；
和/或，步骤(1)中，所述冷却的方式为炉冷；
和/或，步骤(1)中，所述锻造的锻造比为＞5。
3.如权利要求1或2所述的生产方法，其特征在于，步骤(2)中，所述水冷是将锻造后的钢坯浸没于冷却水中；
和/或，步骤(2)中，所述水冷使用的冷却水的温度小于30℃；
和/或，步骤(2)中，所述水冷的冷却速度为70～100℃/min；
和/或，步骤(2)中，将钢坯水冷至表面温度为180～250℃时出水。
4.如权利要求1-3任一项所述的生产方法，其特征在于，步骤(3)中，所述球化退火依次包括入炉、加热、一次保温、一次冷却、二次保温、二次冷却和出炉冷却工序；
和/或，步骤(3)中，先将步骤(2)中经过快冷的钢坯冷却到入炉温度再进行退火，所述入炉温度为50～200℃。
5.如权利要求4所述的生产方法，其特征在于，步骤(3)中，所述加热是以40～60℃/h的速度将钢坯加热至一次保温的温度；
和/或，步骤(3)中，所述一次保温的温度为850～870℃；
和/或，步骤(3)中，所述一次保温的时间为16～30h；
和/或，步骤(3)中，所述一次冷却是以10～30℃/h的速度将钢坯冷却至二次保温的温度；
和/或，步骤(3)中，所述二次保温的温度为730～750℃；
和/或，步骤(3)中，所述二次保温的时间为20～30h；
和/或，步骤(3)中，所述二次冷却是以10～30℃/h的速度将钢坯冷却至出炉温度；
和/或，步骤(3)中，所述钢坯的出炉温度小于等于250℃；
和/或，步骤(3)中，所述出炉冷却为出炉空冷。
6.如权利要求1-5任一项所述的生产方法，其特征在于，步骤(1)中，所述钢锭型号为H13、SKD61或A348。
7.如权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述H13的化学成分为：C:0.32～0.45wt％、Si:0.80～1.2wt％、Mn:0.25～0.50wt％、P≤0.020wt％、S≤0.01wt％、Cr:4.75～5.50wt％、Mo:1.20～1.75wt％、V:0.85～1.2wt％；Cu≤0.20wt％，其余为铁及不可避免的杂质。
8.如权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述SKD61的化学成分为：C:0.37～0.42wt％、Si:0.80～1.2wt％、Mn:0.25～0.50wt％、P≤0.015wt％、S≤0.003wt％、Cr:5.00～5.50wt％，Mo:1.30～1.50wt％、V:0.80～1.00wt％、Ni≤0.20wt％、Cu≤0.20wt％、Ti≤0.010wt％，其余为铁及不可避免的杂质。
9.如权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述A348的化学成分为：C:0.35～0.40wt％、Si:0.10～0.30wt％、Mn:0.30～0.60wt％、P≤0.015wt％、S≤0.005wt％、Cr：5.20～5.50wt％、Mo:2.40～2.60wt％、V:0.85～1.2wt％、Ni≤0.15wt％、Cu≤0.20wt％，其余为铁及不可避免的杂质。
10.权利要求1-9任一项所述的生产方法制得的中碳热作模具钢。
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