CN114540699B - 一种高性能热作模具钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高性能热作模具钢的制备方法，在H13钢成分基础上，采用低C、低Si高Mo并复合Ni微合金化的成分设计思路进行合金成分优化，同时对生产过程进行严格把控，具体工艺路线如下：同时采用电炉冶炼、钢包精炼炉精炼、真空精炼炉精炼、惰性气体保护电极坯浇铸、保护气氛恒熔速电渣炉重熔、高温均质化处理、多向锻造、锻后预处理、超细化处理生产工艺。本发明还涉及一种高性能热作模具钢,该产品退火态显微组织结构均匀，有较好的球化组织及细小均匀的晶粒分布，淬回火组织均匀，Mo、Cr、V碳化物的细小析出相在使用过程中起着弥散强化作用，同时适量的Ni元素可增加淬透性，细化晶粒，起到增加钢的韧性和抗疲性。
Description
技术领域
本发明涉及一种模具钢及其制备方法，特别是一种高韧性、高延展性、高抗热龟裂性能热作模具钢及其制备方法。
背景技术
随着现代化工业的发展，模具的应用越来越广泛，在汽车、电子、仪器仪表、家电、航空航天、建材、电机和通讯器材等产品中，约60％-80％的零部件都要依靠模具加工成型，因此被称为“工业之母”。据估计，模具可带动相关产业的比例大约是1:100即模具发展1亿元，可带动相关产业100亿元。
世界模具行业工业总产值保持持续增长，目前我国模具钢材料生产总量已位居世界前列，模具钢材料生产企业众多。但模具钢材料的品种和质量水平在总体上要比德、美等国家落后，具体表现为：技术含量和附加值低的模具钢材料已供过于求，国内厂商间处于白热化竞争阶段。而技术和附加值含量较高的中、高档模具钢材料还远不能适应我国国民经济发展的需要，不能用于制作诸如大型、精密、复杂、高寿命的发动机、电机等压铸模具、新能源汽车车体、电池盒、轿车覆盖件模具等。大部分仍需要从国外进口，年进口量超过10万吨。但从国外进口模具钢材料存在成本高、制作周期长等不足，为了满足行业发展和客户使用的需求，急需设计并生产出一种新型热作模具钢在满足客户使用条件下逐步替代进口材料，为客户实现利益最大化。
我公司以常用热作模具钢H13为基础，采用低C、低Si高Mo并复合Ni微合金化的成分设计理念来进行成分设计，并附加特殊的冶炼、锻造、热处理工艺，使得制备后的产品有优异的纯净度、组织均匀性和力学性能。以此材料制作的模具能够更好地适应现代工业生产对高端模具的要求。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供高性能热作模具钢的制备方法，通过合理的合金成分设计及匹配相应的生产工艺，使产品在退火态、调质态下检测具有高的纯净度、均匀细小的奥氏体晶粒和显微球化组织，高的无缺口冲击性能和夏比V型缺口冲击功。使材料具有高韧性、高延展性、高热强性，最终使得所制成的模具具有高的止裂能力及搞得热强性。
为达到上述发明的目的，高性能热作模具钢的制备方法，主要步骤如下：
S1、电炉冶炼：
根据冶炼钢种的化学组分含量预先进行废钢和合金料的配料准备，在电炉首先根据熔炼重量分批次进行废钢冶炼，钢水温度≥1630℃氧化扒渣，扒渣后加入合金料、石灰和萤石调节化学成分并脱磷，出钢温度≥1620℃，出钢过程中加铝丝进行脱氧；
其中，化学组分含量质量百分比，C 0.34％～0.39％、Mn 0.35％～0.55％、Si0.20％～0.35％、 S≤0.001％、P≤0.008％、Cr 4.90％～5.10％、Mo 2.3％～2.6％、V0.50％～0.70％、Ni 0.25～0.3 5％、Cu≤0.08％，其余为Fe，且残余气体含量为，H≤1.5ppm、O≤13ppm、N≤90ppm；
S2、钢包精炼炉精炼：
电炉冶炼后钢水转入钢包，吊运到精炼炉座上，并加渣料CaO、CaF2、C-Si粉还原造好白渣，根据实际成分添加合金料，完成成分微调、脱硫、脱氧作业；操作结束后去除白渣，然后重新加热并添加新渣料进行二次造白渣，进一步去除钢中夹杂物；
S3、真空精炼炉精炼：
真空精炼炉逐级进泵，最终真空度≥67Pa，维持真空时间15分钟以上，残余气体氢目标值≤1.5ppm；脱气结束后，取样分析，成分合格后吹入氩气至吊包，吹氩气的时间为18～39 min，吊包温度为1550～1568℃，完成脱氮作业；
S4、浇铸电极坯：
预热锭模为40～60℃，然后对锭模充入氩气，每个锭模充氩气时间为3～5min，然后撤出氩气管，用盖子将锭模盖好后进行浇铸；
S5、电极坯退火：
将步骤S4中脱模后的电极坯进行退火，退火温度710～760℃，保温时间1～1.5min/mm，炉冷至300～380℃出炉，退火后锯切冒口和锭尾；
S6、电渣重熔：
采用步骤S5得到的电极坯，首先采用车床进行表面机加工处理，去除表面氧化铁皮，随后进行假电极焊接；
采用二次精炼提纯的氟化钙、氧化铝、氧化钙三元渣系进行冶炼，其中预熔渣中，二氧化硅≤0.6％、氧化亚铁≤0.15％；超低熔速控制：电渣冶炼稳态阶段的起点熔速值为9～10kg/ min，终点熔速值为8.5～9.0kg/min，得到电渣锭，然后停电炉冷90～120min后送锻造工序；
S7、锻造：
将步骤S6中得到的电渣锭使用室式加热炉进行加热，加热温度≥1280℃，保温22～35h 进行扩散均质化，然后经镦粗拔长锻造开坯，进行X、Y和Z三个方向多向镦粗拔长至成品尺寸；
S8、锻后预处理：
将步骤S7中得到的锻坯进行锻后极限冷却控制：一次水冷到坯料芯部温度至500～650℃；然后装入热处理炉，加热至930～1000℃，保温10～15h，出炉空冷至锻坯表面温度为350～500℃，然后回炉加热至500℃，保温20～30h，进行正火+回火处理；
S9、超细化处理：
将步骤S8得到的工件置入加热炉中随炉升温至1000～1050℃，保温后，使用浓度12％的淬火盐来进行极限冷却控制，冷后芯部温度≤350℃。
优选地，在步骤S1中，出钢过程中，铝丝按照0.8～1.2kg/t加入进行脱氧。
优选地，在二次造白渣的过程中，加入铝丝和钙线，进行复合脱氧；铝丝和钙线的用量均按照0.8～1.2kg/t加入。
电极坯经过Ca处理后，生产的复合夹杂物的熔点降低，同时对已经生产的夹杂物进行改性，所得夹杂物的圆形度提高，在真空精炼过程中有利于夹杂物的上浮去除。剩余钢中的夹杂物在后续电渣重熔过程更容易去除。未完全去除的球形夹杂物也会降低对材料后期机械性能的影响。
优选地，在步骤S3中，吹入氩气的方式为软吹。
优选地，在步骤S4中，浇铸全过程采用加挂石棉布的氩气保护浇铸件进行保护，氩气保护流量为15～26m3/h，浇铸时间为4～8min，电极坯直径为400～908mm，3～5h后脱模
优选地，步骤S7中，最后一火的保温温度≤1160℃，最后一火的主变形率≥50％。
优选地，步骤S9中，极限冷却控制结束后将工件置入退火炉中，加热至840～900℃，保温15～30h，炉冷到730-780℃，保温25～50h进行球化退火。。
本发明的另一个目的在于提供一种采用上述制备方法制备得到的一种高性能热作模具钢。
优选地，所述热作模具钢的组分含量为，按质量百分比，所述热作模具钢的化学组分含量质量百分比，C 0.34％～0.39％、Mn 0.35％～0.55％、Si 0.20％～0.35％、S≤0.001％、P≤0.0 08％、Cr 4.90％～5.10％、Mo 2.3％～2.6％、V 0.50％～0.70％、Ni0.25～0.35％、Cu≤0.08％，其余为Fe，且残余气体含量为，H≤1.5ppm、O≤13ppm、N≤90ppm。
本发明的高性能热作模具钢的制备方法，跟现有技术相比具有以下优点：
(1)通过精选高品质废钢、合金料及其它辅料，并辅以改进优化的生产工艺(含电炉冶炼工艺、LF+VD精炼工艺、保护气氛浇注工艺)，大幅提高电极坯的纯净度，其中P≤0.008％， S≤0.002％，残余气体含量N≤90ppm，H≤1.5ppm，O≤13ppm，A/B/C/D夹杂物等级≤0.5级。
(2)通过电极坯机械加工(去除氧化皮)、氩气保护气氛冶炼、合适的恒熔速控制、高纯预熔渣(杂质二氧化硅≤0.6％、氧化亚铁≤0.15％)的选择保证了电渣锭的纯净度，近一步改善结晶组织、成分偏析，尤其是液析碳化物的控制、致密度提升；
(3)通过超高温长时间的高温扩散，有效溶解和扩散碳及其它合金元素，大幅改善电渣锭成分偏析；
(4)通过热模拟软件Simufact-Forming进行锻造过程中应力-应变模拟，制定合理的多向变形工艺、充分破碎和压实铸态树枝状组织，有效改善带状偏析和提高各向异性；
(5)通过锻后直接入水冷却，通过热模拟软件Deform-HT对不同规格尺寸坯料制定相应冷却工艺，保证坯料芯部温度500-650℃，充分抑制了网状碳化物的析出和奥氏体晶粒长大。同时获得平衡态组织，减轻了锻造组织遗传并为后续超细化提供良好的基础条件。
(6)通过超细化固溶后直接入水冷却，通过热模拟软件Deform-HT对不同规格尺寸坯料制定相应冷却工艺，保证坯料芯部温度≤350℃；同时匹配相应的球化工艺，最后获得均匀细小的球化组织；
(7)本发明提出一种具有高韧性、高等向性的高级热作模具钢HS380，其中HS380为该热作模具钢的牌号名称，该产品具有高的纯净度，退火态显微组织结构均匀，有较好的球化组织及细小均匀的晶粒分布，淬回火组织均匀，Mo、Cr碳化物的细小析出相在使用过程中起着弥散强化作用，提高了材料的性能，使材料具有高韧性、高等向性。该产品可广泛用于制造热挤压模具，芯棒、模锻锤的锤模，锻造压力机模具，精锻机用模具，尤其可作为以铝、铜及其合金的高端压铸模。
附图说明
图1为实施例1所得的模具钢的微观组织形貌；
图2为实施例2所得的模具钢的微观组织形貌；
图3为实施例3所得的模具钢的微观组织形貌；
图4为实施例4所得的模具钢的微观组织形貌；
图5为实施例5所得的模具钢的微观组织形貌。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。
实施例1
一种热作模具钢，按照质量分数，其基本由如表1中的元素组成：
表1
其制备方法，主要步骤如下：
S1、电炉冶炼：
根据按照表1预先进行废钢和合金料的配料准备，在电炉首先根据熔炼重量分批次进行废钢冶炼，钢水温度1645℃氧化扒渣，扒渣后加入合金料、石灰和萤石调节化学成分并脱磷，出钢温度1630℃，出钢过程中加铝丝，铝丝按照1kg/t加入进行脱氧。
S2、钢包精炼炉精炼：
电炉冶炼后钢水转入钢包，吊运到精炼炉座上，并加渣料CaO、CaF2、C-Si粉还原造好白渣，根据实际成分添加合金料，完成成分微调、脱硫、脱氧作业；操作结束后去除白渣，然后重新加热并添加新渣料进行二次造白渣，进一步去除钢中夹杂物；在二次造白渣的过程中，加入铝丝和钙线，进行复合脱氧；铝丝和钙线的用量均按照1kg/t加入。
S3、真空精炼炉精炼：
真空精炼炉逐级进泵，最终真空度69Pa，维持真空时间18分钟，残余气体氢目标值≤1. 0ppm；脱气结束后，取样分析，成分合格后吹入氩气至吊包，吹氩气的时间为25min，吊包温度为1560℃，完成脱氮作业；
S4、浇铸电极坯：
预热锭模为55℃，然后对锭模充入氩气，每个锭模充氩气时间为5min，然后撤出氩气管，用盖子将锭模盖好后进行浇铸；吹入氩气的方式为软吹；浇铸全过程采用加挂石棉布的氩气保护浇铸件进行保护，氩气保护流量为20m3/h，浇铸时间为8min，电极坯直径为815mm，5 h后脱模。
S5、电极坯退火：
将步骤S4中脱模后的电极坯进行退火，退火温度760℃，保温时间1.5min/mm，炉冷至 350℃出炉，退火后锯切冒口和锭尾；
S6、电渣重熔：
采用步骤S5得到的电极坯，首先采用车床进行表面机加工处理，去除表面氧化铁皮，随后进行假电极焊接；
采用二次精炼提纯的氟化钙、氧化铝、氧化钙三元渣系进行冶炼，其中预熔渣中，二氧化硅≤0.6％、氧化亚铁≤0.15％；超低熔速控制：电渣冶炼稳态阶段的起点熔速值为9kg/min，终点熔速值为8.5kg/min，得到电渣锭，然后停电炉冷90min后送锻造工序；
S7、锻造：
将步骤S6中得到的电渣锭使用室式加热炉进行加热，加热温度1290℃，保温32h进行扩散均质化，然后经镦粗拔长锻造开坯，进行X、Y和Z三个方向多向镦粗拔长至成品尺寸；最后一火的保温温度1160℃，最后一火的主变形率50％。
S8、锻后预处理：
将步骤S7中得到的锻坯进行锻后极限冷却控制：一次水冷到坯料芯部温度至600℃；然后装入热处理炉，加热至980℃，保温12h，出炉空冷至锻坯表面温度为450℃，然后回炉加热至500℃，保温24h，进行正火+回火处理；
S9、超细化处理：
将步骤S8得到的工件置入加热炉中随炉升温至1020℃，保温后，使用浓度12％的淬火盐来进行极限冷却控制，冷后芯部温度≤350℃；结束后将工件置入退火炉中，加热至880℃，保温20h，炉冷到760℃，保温40h进行球化退火。
实施例2
一种热作模具钢，按照质量分数，其基本由如表2中的元素组成：
表2
其制备方法，主要步骤如下：
S1、电炉冶炼：
根据按照表2预先进行废钢和合金料的配料准备，在电炉首先根据熔炼重量分批次进行废钢冶炼，钢水温度1640℃氧化扒渣，扒渣后加入合金料、石灰和萤石调节化学成分并脱磷，出钢温度1630℃，出钢过程中加铝丝，铝丝按照1.0kg/t加入进行脱氧。
S2、钢包精炼炉精炼：
电炉冶炼后钢水转入钢包，吊运到精炼炉座上，并加渣料CaO、CaF2、C-Si粉还原造好白渣，根据实际成分添加合金料，完成成分微调、脱硫、脱氧作业；操作结束后去除白渣，然后重新加热并添加新渣料进行二次造白渣，进一步去除钢中夹杂物；在二次造白渣的过程中，加入铝丝和钙线，进行复合脱氧；铝丝和钙线的用量均按照1.0kg/t加入。
S3、真空精炼炉精炼：
真空精炼炉逐级进泵，最终真空度68Pa，维持真空时间20分钟，残余气体氢目标值≤1. 0ppm；脱气结束后，取样分析，成分合格后吹入氩气至吊包，吹氩气的时间为25min，吊包温度为1555℃，完成脱氮作业；
S4、浇铸电极坯：
预热锭模为55℃，然后对锭模充入氩气，每个锭模充氩气时间为5min，然后撤出氩气管，用盖子将锭模盖好后进行浇铸；吹入氩气的方式为软吹；浇铸全过程采用加挂石棉布的氩气保护浇铸件进行保护，氩气保护流量为20m3/h，浇铸时间为8min，电极坯直径为815mm，5 h后脱模。
S5、电极坯退火：
将步骤S4中脱模后的电极坯进行退火，退火温度760℃，保温时间1.5min/mm，炉冷至 350℃出炉，退火后锯切冒口和锭尾；
S6、电渣重熔：
采用步骤S5得到的电极坯，首先采用车床进行表面机加工处理，去除表面氧化铁皮，随后进行假电极焊接；
采用二次精炼提纯的氟化钙、氧化铝、氧化钙三元渣系进行冶炼，其中预熔渣中，二氧化硅≤0.6％、氧化亚铁≤0.15％；超低熔速控制：电渣冶炼稳态阶段的起点熔速值为9kg/min，终点熔速值为8.5kg/min，得到电渣锭，然后停电炉冷90min后送锻造工序；
S7、锻造：
将步骤S6中得到的电渣锭使用室式加热炉进行加热，加热温度1290℃，保温32h进行扩散均质化，然后经镦粗拔长锻造开坯，进行X、Y和Z三个方向多向镦粗拔长至成品尺寸；最后一火的保温温度1160℃，最后一火的主变形率50％。
S8、锻后预处理：
将步骤S7中得到的锻坯进行锻后极限冷却控制：一次水冷到坯料芯部温度至600℃；然后装入热处理炉，加热至980℃，保温12h，出炉空冷至锻坯表面温度为450℃，然后回炉加热至500℃，保温24h，进行正火+回火处理；
S9、超细化处理：
将步骤S8得到的工件置入加热炉中随炉升温至1020℃，保温后，使用浓度12％的淬火盐来进行极限冷却控制，冷后芯部温度≤350℃；结束后将工件置入退火炉中，加热至880℃，保温20h，炉冷到760℃，保温40h进行球化退火。
实施例3
一种热作模具钢，按照质量分数，其基本由如表3中的元素组成：
表3
其制备方法，主要步骤如下：
S1、电炉冶炼：
根据按照表3预先进行废钢和合金料的配料准备，在电炉首先根据熔炼重量分批次进行废钢冶炼，钢水温度1645℃氧化扒渣，扒渣后加入合金料、石灰和萤石调节化学成分并脱磷，出钢温度1630℃，出钢过程中加铝丝，铝丝按照1kg/t加入进行脱氧。
S2、钢包精炼炉精炼：
电炉冶炼后钢水转入钢包，吊运到精炼炉座上，并加渣料CaO、CaF2、C-Si粉还原造好白渣，根据实际成分添加合金料，完成成分微调、脱硫、脱氧作业；操作结束后去除白渣，然后重新加热并添加新渣料进行二次造白渣，进一步去除钢中夹杂物；在二次造白渣的过程中，加入铝丝和钙线，进行复合脱氧；铝丝和钙线的用量均按照1kg/t加入。
S3、真空精炼炉精炼：
真空精炼炉逐级进泵，最终真空度68Pa，维持真空时间20分钟，残余气体氢目标值≤1. 0ppm；脱气结束后，取样分析，成分合格后吹入氩气至吊包，吹氩气的时间为25min，吊包温度为1560℃，完成脱氮作业；
S4、浇铸电极坯：
预热锭模为55℃，然后对锭模充入氩气，每个锭模充氩气时间为5min，然后撤出氩气管，用盖子将锭模盖好后进行浇铸；吹入氩气的方式为软吹；浇铸全过程采用加挂石棉布的氩气保护浇铸件进行保护，氩气保护流量为20m3/h，浇铸时间为8min，电极坯直径为815mm，5 h后脱模。
S5、电极坯退火：
将步骤S4中脱模后的电极坯进行退火，退火温度760℃，保温时间1.5min/mm，炉冷至 350℃出炉，退火后锯切冒口和锭尾；
S6、电渣重熔：
采用步骤S5得到的电极坯，首先采用车床进行表面机加工处理，去除表面氧化铁皮，随后进行假电极焊接；
采用二次精炼提纯的氟化钙、氧化铝、氧化钙三元渣系进行冶炼，其中预熔渣中，二氧化硅≤0.6％、氧化亚铁≤0.15％；超低熔速控制：电渣冶炼稳态阶段的起点熔速值为9kg/min，终点熔速值为8.5kg/min，得到电渣锭，然后停电炉冷90min后送锻造工序；
S7、锻造：
将步骤S6中得到的电渣锭使用室式加热炉进行加热，加热温度1290℃，保温32h进行扩散均质化，然后经镦粗拔长锻造开坯，进行X、Y和Z三个方向多向镦粗拔长至成品尺寸；最后一火的保温温度1160℃，最后一火的主变形率50％。
S8、锻后预处理：
将步骤S7中得到的锻坯进行锻后极限冷却控制：一次水冷到坯料芯部温度至600℃；然后装入热处理炉，加热至980℃，保温12h，出炉空冷至锻坯表面温度为450℃，然后回炉加热至500℃，保温24h，进行正火+回火处理；
S9、超细化处理：
将步骤S8得到的工件置入加热炉中随炉升温至1020℃，保温后，使用浓度12％的淬火盐来进行极限冷却控制，冷后芯部温度≤350℃；结束后将工件置入退火炉中，加热至880℃，保温20h，炉冷到760℃，保温40h进行球化退火。
实施例4
一种热作模具钢，按照质量分数，其基本由如表4中的元素组成：
表4
其制备方法，主要步骤如下：
S1、电炉冶炼：
根据按照表4预先进行废钢和合金料的配料准备，在电炉首先根据熔炼重量分批次进行废钢冶炼，钢水温度1640℃氧化扒渣，扒渣后加入合金料、石灰和萤石调节化学成分并脱磷，出钢温度1630℃，出钢过程中加铝丝，铝丝按照1kg/t加入进行脱氧。
S2、钢包精炼炉精炼：
电炉冶炼后钢水转入钢包，吊运到精炼炉座上，并加渣料CaO、CaF2、C-Si粉还原造好白渣，根据实际成分添加合金料，完成成分微调、脱硫、脱氧作业；操作结束后去除白渣，然后重新加热并添加新渣料进行二次造白渣，进一步去除钢中夹杂物；在二次造白渣的过程中，加入铝丝和钙线，进行复合脱氧；铝丝和钙线的用量均按照1kg/t加入。
S3、真空精炼炉精炼：
真空精炼炉逐级进泵，最终真空度69Pa，维持真空时间20分钟，残余气体氢目标值≤1. 0ppm；脱气结束后，取样分析，成分合格后吹入氩气至吊包，吹氩气的时间为25min，吊包温度为1560℃，完成脱氮作业；
S4、浇铸电极坯：
预热锭模为55℃，然后对锭模充入氩气，每个锭模充氩气时间为5min，然后撤出氩气管，用盖子将锭模盖好后进行浇铸；吹入氩气的方式为软吹；浇铸全过程采用加挂石棉布的氩气保护浇铸件进行保护，氩气保护流量为20m3/h，浇铸时间为8min，电极坯直径为815mm，5 h后脱模。
S5、电极坯退火：
将步骤S4中脱模后的电极坯进行退火，退火温度760℃，保温时间1.5min/mm，炉冷至 350℃出炉，退火后锯切冒口和锭尾；
S6、电渣重熔：
采用步骤S5得到的电极坯，首先采用车床进行表面机加工处理，去除表面氧化铁皮，随后进行假电极焊接；
采用二次精炼提纯的氟化钙、氧化铝、氧化钙三元渣系进行冶炼，其中预熔渣中，二氧化硅≤0.6％、氧化亚铁≤0.15％；超低熔速控制：电渣冶炼稳态阶段的起点熔速值为9kg/min，终点熔速值为8.5kg/min，得到电渣锭，然后停电炉冷90min后送锻造工序；
S7、锻造：
将步骤S6中得到的电渣锭使用室式加热炉进行加热，加热温度1290℃，保温32h进行扩散均质化，然后经镦粗拔长锻造开坯，进行X、Y和Z三个方向多向镦粗拔长至成品尺寸；最后一火的保温温度1160℃，最后一火的主变形率50％。
S8、锻后预处理：
将步骤S7中得到的锻坯进行锻后极限冷却控制：一次水冷到坯料芯部温度至600℃；然后装入热处理炉，加热至980℃，保温12h，出炉空冷至锻坯表面温度为450℃，然后回炉加热至500℃，保温24h，进行正火+回火处理；
S9、超细化处理：
将步骤S8得到的工件置入加热炉中随炉升温至1020℃，保温后，使用浓度12％的淬火盐来进行极限冷却控制，冷后芯部温度≤350℃；结束后将工件置入退火炉中，加热至880℃，保温20h，炉冷到760℃，保温40h进行球化退火。
实施例5
一种热作模具钢，按照质量分数，其基本由如表5中的元素组成：
表5
其制备方法，主要步骤如下：
S1、电炉冶炼：
根据按照表5预先进行废钢和合金料的配料准备，在电炉首先根据熔炼重量分批次进行废钢冶炼，钢水温度1650℃氧化扒渣，扒渣后加入合金料、石灰和萤石调节化学成分并脱磷，出钢温度1635℃，出钢过程中加铝丝，铝丝按照1kg/t加入进行脱氧。
S2、钢包精炼炉精炼：
电炉冶炼后钢水转入钢包，吊运到精炼炉座上，并加渣料CaO、CaF2、C-Si粉还原造好白渣，根据实际成分添加合金料，完成成分微调、脱硫、脱氧作业；操作结束后去除白渣，然后重新加热并添加新渣料进行二次造白渣，进一步去除钢中夹杂物；在二次造白渣的过程中，加入铝丝和钙线，进行复合脱氧；铝丝和钙线的用量均按照1kg/t加入。
S3、真空精炼炉精炼：
真空精炼炉逐级进泵，最终真空度69Pa，维持真空时间20分钟，残余气体氢目标值≤1. 5ppm；脱气结束后，取样分析，成分合格后吹入氩气至吊包，吹氩气的时间为25min，吊包温度为1560℃，完成脱氮作业；
S4、浇铸电极坯：
预热锭模为55℃，然后对锭模充入氩气，每个锭模充氩气时间为5min，然后撤出氩气管，用盖子将锭模盖好后进行浇铸；吹入氩气的方式为软吹；浇铸全过程采用加挂石棉布的氩气保护浇铸件进行保护，氩气保护流量为20m3/h，浇铸时间为8min，电极坯直径为815mm，5 h后脱模。
S5、电极坯退火：
将步骤S4中脱模后的电极坯进行退火，退火温度760℃，保温时间1.5min/mm，炉冷至 350℃出炉，退火后锯切冒口和锭尾；
S6、电渣重熔：
采用步骤S5得到的电极坯，首先采用车床进行表面机加工处理，去除表面氧化铁皮，随后进行假电极焊接；
采用二次精炼提纯的氟化钙、氧化铝、氧化钙三元渣系进行冶炼，其中预熔渣中，二氧化硅≤0.6％、氧化亚铁≤0.15％；超低熔速控制：电渣冶炼稳态阶段的起点熔速值为9kg/min，终点熔速值为8.5kg/min，得到电渣锭，然后停电炉冷90min后送锻造工序；
S7、锻造：
将步骤S6中得到的电渣锭使用室式加热炉进行加热，加热温度1290℃，保温32h进行扩散均质化，然后经镦粗拔长锻造开坯，进行X、Y和Z三个方向多向镦粗拔长至成品尺寸；最后一火的保温温度1160℃，最后一火的主变形率50％。
S8、锻后预处理：
将步骤S7中得到的锻坯进行锻后极限冷却控制：一次水冷到坯料芯部温度至600℃；然后装入热处理炉，加热至980℃，保温12h，出炉空冷至锻坯表面温度为450℃，然后回炉加热至500℃，保温24h，进行正火+回火处理；
S9、超细化处理：
将步骤S8得到的工件置入加热炉中随炉升温至1020℃，保温后，使用浓度12％的淬火盐来进行极限冷却控制，冷后芯部温度≤350℃；结束后将工件置入退火炉中，加热至880℃，保温20h，炉冷到760℃，保温40h进行球化退火。
为了验证采用本发明的制备方法提供的热作模具钢的机械性能，发明人将实施例1至实施例5所得的模具钢分别取5件试样，进行电镜扫描，如图1至图5所示，和性能检测，检测数据如表6：
表6
表7
由此可见，1，如图1-5所示，该模具材料球化退火态显微组织结构均匀，细小球状二次碳化物均匀分布于铁素体基体上，按NADCA#207-2011标准进行评级，级别≤AS5。该球化组织有利于奥氏体化过程充分溶解，减少未溶碳化物数量及尺寸。再经回火过程弥散析出，达到提高冲击韧性的目的；
2，该模具材料在淬火过程中大多数合金元素固溶到基体中，在回火过程中从基体上弥散析出，主要为Mo、Cr的碳化物，正是这些细小析出相在使用过程中起着弥散强化作用，提高了材料的性能。该模具材料心部单个无缺口横向冲击功≥360J、平均无缺口横向冲击性能≥380J；单个夏比V型缺口横向冲击功≥20J、平均夏比V型缺口横向冲击功≥23J。
3，由实施例1-5所拍摄的微观组织照片可以得出，不存在液析碳化物。
4，由实施例1～5取样检测的微观夹杂物明细表中可以看到仅含有细系0.5级D类夹杂物，材料纯净度高。
Claims (7)
1.一种高性能热作模具钢的制备方法，其特征在于，主要步骤如下：
S1、电炉冶炼：
根据冶炼钢种的化学组分含量预先进行废钢和合金料的配料准备，在电炉首先根据熔炼重量分批次进行废钢冶炼，钢水温度≥1630℃氧化扒渣，扒渣后加入合金料、石灰和萤石调节化学成分并脱磷，出钢温度≥1620℃，出钢过程中加铝丝进行脱氧；
其中，化学组分含量质量百分比，C 0.34％～0.39％、Mn 0.35％～0.55％、Si 0.20％～0.35％、S≤0.001％、P≤0.008％、Cr 4.90％～5.10％、Mo 2.3％～2.6％、V 0.50％～0.70％、Ni 0.25～0.35％、Cu≤0.08％，其余为Fe，且残余气体含量为，H≤1.5ppm、O≤13ppm、N≤90ppm；
S2、钢包精炼炉精炼：
电炉冶炼后钢水转入钢包，吊运到精炼炉座上，并加渣料CaO、CaF2、C-Si粉还原造好白渣，根据实际成分添加合金料，完成成分微调、脱硫、脱氧作业；操作结束后去除白渣，然后重新加热并添加新渣料进行二次造白渣，进一步去除钢中夹杂物；
S3、真空精炼炉精炼：
真空精炼炉逐级进泵，最终真空度≥67Pa，维持真空时间15分钟以上，残余气体氢目标值≤1.5ppm；脱气结束后，取样分析，成分合格后吹入氩气至吊包，吹氩气的时间为18～39min，吊包温度为1550～1568℃，完成脱氮作业；
S4、浇铸电极坯：
预热锭模为40～60℃，然后对锭模充入氩气，每个锭模充氩气时间为3～5min，然后撤出氩气管，用盖子将锭模盖好后进行浇铸；
S5、电极坯退火：
将步骤S4中脱模后的电极坯进行退火，退火温度710～760℃，保温时间1～1.5min/mm，炉冷至300～380℃出炉，退火后锯切冒口和锭尾；
S6、电渣重熔：
采用步骤S5得到的电极坯，首先采用车床进行表面机加工处理，去除表面氧化铁皮，随后进行假电极焊接；
采用二次精炼提纯的氟化钙、氧化铝、氧化钙三元渣系进行冶炼，其中预熔渣中，二氧化硅≤0.6％、氧化亚铁≤0.15％；超低熔速控制：电渣冶炼稳态阶段的起点熔速值为9～10kg/min，终点熔速值为8.5～9.0kg/min，得到电渣锭，然后停电炉冷90～120min后送锻造工序；
S7、锻造：
将步骤S6中得到的电渣锭使用室式加热炉进行加热，加热温度≥1280℃，保温22～35h进行扩散均质化，然后经镦粗拔长锻造开坯，进行X、Y和Z三个方向多向镦粗拔长至成品尺寸；最后一火的保温温度≤1160℃，最后一火的主变形率≥50％；
S8、锻后预处理：
将步骤S7中得到的锻坯进行锻后极限冷却控制：一次水冷到坯料芯部温度至500～650℃；然后装入热处理炉，加热至930～1000℃，保温10～15h，出炉空冷至锻坯表面温度为350～500℃，然后回炉加热至500℃，保温20～30h，进行正火+回火处理；
S9、超细化处理：
将步骤S8得到的工件置入加热炉中随炉升温至1000～1050℃，保温后，使用浓度12％的淬火盐来进行极限冷却控制，冷后芯部温度≤350℃；极限冷却控制结束后将工件置入退火炉中，加热至840～900℃，保温15～30h，炉冷到730-780℃，保温25～50h进行球化退火。
2.根据权利要求1所述的高性能热作模具钢的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，出钢过程中，铝丝按照0.8～1.2kg/t加入进行脱氧。
3.根据权利要求2所述的高性能热作模具钢的制备方法，其特征在于，在二次造白渣的过程中，加入铝丝和钙线，进行复合脱氧；铝丝和钙线的用量均按照0.8～1.2kg/t加入。
4.根据权利要求1所述的高性能热作模具钢的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，吹入氩气的方式为软吹。
5.根据权利要求1所述的高性能热作模具钢的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，浇铸全过程采用加挂石棉布的氩气保护浇铸件进行保护，氩气保护流量为15～26m3/h，浇铸时间为4～8min，电极坯直径为400～908mm，3～5h后脱模
6.根据权利要求1至5任一项所述的制备方法制备得到的一种高性能热作模具钢。
7.根据权利要求6所述的高性能热作模具钢，其特征在于，所述热作模具钢的化学组分含量质量百分比，C 0.34％～0.39％、Mn 0.35％～0.55％、Si 0.20％～0.35％、S≤0.001％、P≤0.008％、Cr 4.90％～5.10％、Mo 2.3％～2.6％、V 0.50％～0.70％、Ni 0.25～0.35％、Cu≤0.08％，其余为Fe，且残余气体含量为，H≤1.5ppm、O≤13ppm、N≤90ppm。
Priority Applications (1)
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Denomination of invention: A high-performance hot work die steel and its preparation method Granted publication date: 20221213 Pledgee: Bank of Jiangsu Limited by Share Ltd. Wuxi branch Pledgor: Jiangsu Hongsheng mould steel material technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980026024 |