高强韧热锻模具用钢及其制造方法与流程

1.本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种高强韧热锻模具用钢及其制造方法。


背景技术：

2.随着模具制造业的不断发展，对模具钢的冶金质量、性能要求不断提高，模具材料不断由低级向高级发展，相继出现一系列新型模具材料，合金化程度也日趋提高。我国模具钢的研发和生产也正朝着多品种、大截面和精细化的方向迅速发展，要想在未来的模具钢市场中占有一席之地，就必须不断开发高性能、长寿命的模具材料。
3.热锻模具是指在高温锻造工艺过程中使用的模具，由于模具工作过程中需承受高温、重载等恶劣条件，对模具材料要求极高，需具备良好的高温强度，同时也要具备良好的韧性，其生产技术难度极大，因此，虽然其市场需求巨大，但目前仍几乎全部依赖进口。在此背景下，各项性能指标达到国际先进水平的高强韧热锻模具用钢成为国内冶金领域亟待解决的难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高强韧热锻模具用钢及其制备方法，本发明的高强韧热锻模具用钢既保证了热作模具钢的高韧性，又显著提高了其室温强度，硬度达50～56hrc以上，抗拉强度2000mpa左右，保持无缺口冲击功在300j以上，综合性能优良。
5.为达到上述目的，本发明使用的技术解决方案是：
6.第一方面，本发明提供一种高强韧热锻模具用钢，所述高强韧热锻模具至少包括以下种类的组分：c、si、mn、cr、mo或v元素中的任意一种或至少两种的混合物，例如可以是c、si、mn、cr、mo和v的组合等。
7.优选的，所述高强韧热锻模具用钢按质量百分比至少包括以下组分：
8.c：0.45～0.60％
9.si：0.10～0.30％
10.mn：0.40～0.60％
11.cr：4.50～5.50％
12.mo：2.00～3.00％
13.v：0.30～0.60％，
14.其余为fe及不可避免的杂质。
15.其中c的含量可以是0.45％、0.46％、0.47％、0.48％、0.49％、0.5％、 0.51％、0.52％、0.53％、0.54％、0.55％、0.56％、0.57％、0.58％、0.59％、 0.6％及所述范围内的所有取值，由于篇幅限制不再赘述；
16.si的含量可以是0.11％、0.12％、0.13％、0.14％、0.15％、0.16％、0.17％、 0.18％、0.19％、0.20％、0.21％、0.22％、0.23％、0.24％、0.25％、0.26％、 0.27％、
0.28％、0.29％、0.3％及所述范围内的所有取值，由于篇幅限制不再赘述；
17.mn的含量可以是0.41％、0.42％、0.43％、0.44％、0.45％、0.46％、0.47％、 0.48％、0.49％、0.50％、0.51％、0.52％、0.53％、0.54％、0.55％、0.56％、 0.57％、0.58％、0.59％、0.6％及所述范围内的所有取值，由于篇幅限制不再赘述；
18.cr的含量可以是0.45％、0.46％、0.47％、0.48％、0.49％、0.50％、0.51％、 0.52％、0.53％、0.54％、0.55％及所述范围内的所有取值，由于篇幅限制不再赘述；
19.mo的含量可以是2.00％、2.10％、2.20％、2.30％、2.40％、2.50％、2.60％、 2.70％、2.80％、2.90％、3.00％及所述范围内的所有取值，由于篇幅限制不再赘述；
20.v的含量可以是0.30％、0.35％、0.40％、0.45％、0.50％、0.55％、0.60％及所述范围内的所有取值，由于篇幅限制不再赘述。
21.第二方面，本发明提供如第一方面所述的高强韧热锻模具用钢的制备方法，至少包括以下步骤：
22.1)生铁的电炉冶炼、lf炉精炼和vd(钢包精炼炉)真空除气；2) 在氩气保护下进行模铸，电极坯喷丸或磨削处理；3)对铸坯在保护气氛下进行电渣重熔；4)电渣锭退火；5)电渣锭高温均质化处理；6)锻造成型； 7)锻后热处理；8)模具机加工和超声波探伤。
23.优选的，在步骤1)中，生铁加入电炉，在电炉出钢前，保持c的含量≥0.10％，防止金属液过氧化；电炉出钢前实时控制钢中p、s、c含量及出钢温度。
24.优选的，在步骤1)中，在出钢过程中，先加增碳剂(加入比例举例：例如生铁15
‑
20吨，增碳剂加入50kg左右)进行碳脱氧。
25.优选的，在步骤1)中，钢液在lf炉精炼过程中，采用al粉、c粉或电石中的任意一种或至少两种的混合物进行扩散脱氧；钢液中加入含有 mn、v、cr、mo的合金原料，在钢液中补充元素mn、v、cr、mo。
26.优选的，在步骤1)中，在vd真空除气之前，保证feo含量≤0.50％ (例如可以是0.45％、0.40％、0.35％、0.30％等)，且保持白渣20min以上； vd真空处理过程中，真空度(托torr＝0.5，1托torr 133.322＝pa)保持时间大于20min。
27.优选的，在步骤1)中，钢液在vd真空除气，保证h含量≤2.0ppm (例如可以是1.5ppm、1.0ppm、0.5ppm等)，且自由氧含量≤5ppm(例如可以是4ppm、3ppm、2ppm、1ppm等)。
28.优选的，在步骤3)中，使用三七渣料进行电渣重熔；所述三七渣料中，caf2和al2o3的质量比为7：3；采用钢屑和/或萤石粉作为造渣引弧剂，以避免增钛。造渣引弧剂不允许使用含钛导电渣，钢屑起弧需提出采取的预防措施(如增加引锭板厚度、碎钢屑等)。
29.优选的，在步骤6)中，钢锭经1270℃高温扩散后开始锻造，一火钢锭采用平板间圆柱体整体鐓粗，镦粗后的高度与边宽比为0.8
‑
1.0(例如可以是0.82、0.84、0.86、0.88、0.90、0.92、0.94、0.96、0.98等)，采用fm 法(无曼内斯曼效应的锻造法)拔长下料，目的是打碎粗大的铸态组织和块状碳化物；二火坯料经整体镦粗，镦粗后的高度与边宽比为0.8
‑
1.0(例如可以是0.82、0.84、0.86、0.88、0.90、0.92、0.94、0.96、0.98等)，采用 whf法(宽砧强力压下锻造法(wide die heavy blow。forging))拔长下料，保证组织的致密；最后一火炉温1230
‑
1250℃，镦粗后的高度与边宽比为1.8
‑
2.2(例如可以是1.82、1.84、1.86、1.88、1.90、1.92、1.94、1.96、 1.98、2.00、2.10等)。
30.优选的，在步骤7)中，锻后尽快入炉在≥700℃(830～850℃)退火炉中待料，然后
升温(升温速率≥100℃/h)至1000
‑
1040℃(例如可以是1000℃、 1005℃、1010℃、1015℃、1020℃、1025℃、1030℃、1035℃、1040℃) 之间保温(8～10小时)，均匀奥氏体组织，再缓冷至700
‑
760℃(例如可以是700℃、710℃、720℃、730℃、740℃、750℃、760℃)之间保温(15～20 小时)，使组织发生珠光体转变；然后再升温(升温速率≥100℃/h)至 1000
‑
1040℃(例如可以是1000℃、1005℃、1010℃、1015℃、1020℃、1025℃、 1030℃、1035℃、1040℃)之间保温(10～15小时)，再次重新形核奥氏体化以细化晶粒，均匀组织；此后进行水空交替冷却，避免网状碳化物析出；最后进行球化退火将组织球化，获得粒状珠光体 颗粒状碳化物的均匀组织。
31.优选的，在步骤7)水空交替冷却过程中，采用水空交替快速冷却将锻件表面温度降至250～300℃，再在300～350℃的低温炉中保温8～10小时，然后再快速升温(≥100℃/h)至750℃左右保温3小时，之后再次快速升温(≥100℃/h)至830℃左右保温20～25小时，最后炉冷至500℃左右出炉空冷。
32.优选的，将步骤7)所得均匀组织进行模具机加工和超声波探伤，获得高强韧热锻模具用钢。
33.本发明技术效果包括：
34.1、本发明提供的高强韧热锻模具用钢既保证了现有热作模具钢的高韧性，又显著提高了其室温强度，经检测，硬度可达50
‑
56hrc，抗拉强度 2000mpa左右，保持无缺口冲击功在300j以上，综合性能优良。所述工艺方式相较先前的锻后热处理工艺，能够避免返工热处理过程，产品一次合格率100％，显著提高了产品质量的稳定性，降低了生产成本，具有良好的推广应用前景。
35.2、利用本发明工艺能够有效地细化晶粒均匀组织，获得均匀细小的粒状珠光体 弥散分布的点状碳化物的理想组织，同时还能消除组织应力和热应力，降低钢中氢含量，避免出现白点、氢脆等缺陷，显著提高其综合力学性能及使用寿命。
具体实施方式
36.下面详细描述本发明的实施例，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
37.实施例1
38.1)、电炉冶炼、lf炉精炼和vd真空除气；
39.在步骤1)中，在电炉出钢前，保持c的含量≥0.10％；生铁加入电炉，在电炉出钢前，保持c的含量≥0.10％，防止金属液过氧化；电炉出钢前实时控制钢中p、s、c含量及出钢温度；
40.在出钢过程中，先加增碳剂进行碳脱氧，再加入合金元素。在出钢过程中，先加增碳剂(加入比例举例：例如生铁15
‑
20吨，增碳剂加入50kg 左右)进行碳脱氧；钢液在lf炉精炼过程中，采用al粉、c粉或电石中的任意一种或至少两种的混合物进行扩散脱氧；钢液中
加入含有mn、v、 cr、mo的合金原料，在钢液中补充元素mn、v、cr、mo。
41.在vd真空除气之前，保证feo含量≤0.50％，且保持白渣20min以上； vd真空处理过程中，真空度(托(torr)＝0.5)保持时间大于20min。
42.在vd真空除气之后，保证h含量≤2.0ppm，且自由氧含量≤5ppm。
43.2)、在氩气保护下进行模铸、电极坯喷丸或磨削；
44.3)、在保护气氛下进行电渣重熔；
45.使用三七渣料进行电渣重熔，三七渣料中，caf2和al2o3的质量比为7： 3，采用钢屑和/或萤石粉作为造渣引弧剂。
46.造渣引弧剂不允许使用含钛导电渣，钢屑起弧需提出采取的预防措施 (如增加引锭板厚度，碎钢屑)，应采用钢屑 萤石粉，以避免增钛。
47.4)、电渣锭退火；
48.5)、钢锭高温均质化处理；
49.6)、锻造成型；
50.钢锭经高温1270℃高温扩散后开始锻造，一火钢锭采用平板间圆柱体整体鐓粗，镦粗后的高径比控制在0.8～1.0之间，采用fm(无曼内斯曼效应的锻造法)法拔长下料，目的是打碎粗大的铸态组织和块状碳化物。二火坯料经整体镦粗，镦粗后的高度与边宽比控制在0.8～1.0，采用whf法 (宽砧强力压下锻造法(wide die heavy blow forging))拔长下料，保证组织的致密。最后一火炉温1230～1250℃，锻比控制在1.8～2.2之间。
51.7)、锻后热处理；
52.锻后尽快入炉在≥700℃退火炉中待料，然后升温至1000～1040℃之间保温，均匀奥氏体组织，再缓冷至700～760℃之间保温，使组织发生珠光体转变。本发明中，从该类钢的组织转变规律着手，锻后首先快速升温至a
cm (a
cm
：加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度)以上80℃左右长时间保温，能够将锻造过程中析出的网状碳化物充分溶解，消除原始粗大晶粒，获得细小的奥氏体组织。
53.然后再升温至1000～1040℃之间保温，再次重新形核奥氏体化以细化晶粒、均匀组织，此后进行水空交替冷却避免网状碳化物析出。随后再次快速升温至a
c3
(a
c3
：加热时先共析铁素体全部转变成奥氏体的终了温度) 以上30℃左右长时间保温，能够获得更加均匀细小的奥氏体 大量弥散未溶的渗碳体晶核。
54.然后在300～350℃低温保温，消除淬火应力，避免产生淬火裂纹，最后再次快速升温至a
c1
(a
c1
：加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度)以下 30℃左右保温，马氏体、贝氏体和残余奥氏体逐渐分解，碳化物以渗碳体晶核为核心大量析出、聚集球化，最终得到均匀细小的粒状珠光体 弥散分布的颗粒状碳化物组织。通过水空交替快速冷却工序，避免二次碳化物沿晶界析出，获得马氏体 下贝氏体 渗碳体晶核 少量残余奥氏体的整合组织。最后进行球化退火将组织球化，获得粒状珠光体 颗粒状碳化物的均匀组织，为模具机加工及最终热处理作好组织准备。
55.8)、模具机加工和超声波探伤。
56.所得均匀组织进行模具机加工和超声波探伤，获得高强韧热锻模具用钢。
57.对比例1
58.某金属材料(上海)有限公司生产的热作模具钢5crnimo。
59.对比例2
60.某金属材料(东莞)有限公司生产的热作模具钢4cr5mosiv。
61.性能测试：
62.将实施例1、对比例1和对比例2进行室温(25
±
1℃)下的各项性能测试，具体结果见表1，每个实施例或对比例各做10个重复。从表1可以看出，与对比例1和对比例2相比，实施例1的高强韧热锻模具用钢既保证了热作模具钢的高韧性，又显著提高了其室温强度，硬度达50
‑
56hrc 以上，抗拉强度2000mpa左右，保持无缺口冲击功在300j以上，综合性能优良；产品一次合格率100％，显著提高了产品质量的稳定性，降低了生产成本，具有良好的推广应用前景。而对比例1和对比例2属于现有技术，印度、抗拉强度和保持无缺口冲击功都明显低于本发明，产品合格率也是明显低于100％。
63.表1性能测试结果
[0064][0065]
应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。
[0066]
申请人声明，以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。