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CN107488813B - 高韧性、高等向性zw868热作模具钢的制备方法 - Google Patents

高韧性、高等向性zw868热作模具钢的制备方法 Download PDF

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CN107488813B CN201710709570.1A CN201710709570A CN107488813B CN 107488813 B CN107488813 B CN 107488813B CN 201710709570 A CN201710709570 A CN 201710709570A CN 107488813 B CN107488813 B CN 107488813B
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Abstract

本发明涉及一种高韧性、高等向性ZW868热作模具钢的制备工艺，制备工艺包括电炉冶炼，LF+VD精炼，浇铸，退火，电渣重熔，锻造，超细化处理，球化退火等步骤，模具钢按质量百分比含量计为：C为0.35‑0.40％，Si≤0.25％，Mn为0.30‑0.50％，Cr为5.00‑5.30％，Mo为2.20‑2.40％，V为0.50‑0.65％，P≤0.010％，S≤0.001％，Ni≤0.20％，Cu≤0.10％，Nb为0.005‑0.020％，余量为Fe和不可避免的杂质。通过对制备工艺的改进结合组分含量的改变，使得钢的纯净度、韧性和等向性能达到显著提高。

Description

高韧性、高等向性ZW868热作模具钢的制备方法
技术领域
本发明属于钢冶炼领域，具体涉及一种高韧性、高等向性ZW868热作模具钢的制备工艺。
背景技术
近年来，为进一步提高H13型热作模具钢的性能，以适应日益苛刻的服役条件，需在H13钢的基础上进行成分优化。本发明以H13钢为基础，采用降低Si、V含量和提高Mo元素含量的同时向钢种添加微量Nb进行合金元素设计。Mo含量的增加推迟了高温稳定性较好的MC型碳化物向稳定性较差的M23C6型碳化物转变。Nb的加入能提高其热稳定性、提高热疲劳抗力。现有比较先进的技术水平，横、纵向无缺口冲击功之比(等向性)最多能够达到0.88。
发明内容
本发明提出一种高韧性、高等向性ZW868热作模具钢的制备工艺。本发明所述的“ZW868”为该模具钢的牌号名称。
具体通过如下技术手段实现：
一种高韧性、高等向性热作模具钢的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)电炉冶炼，按照热作模具钢的组分含量进行生铁和合金料的配料，在电炉中熔化冶炼，在温度为1630～1650℃时氧化扒渣，扒渣后加入硅铁合金、石灰、萤石，出钢温度为1650～1660℃，出钢过程中加铝进行脱氧。
(2)LF炉精炼，入LF炉后接通氩气，然后送电升温，加入石灰和萤石调整炉渣流动性，采用SiC粉和铝粒扩散脱氧，加热保温时间为10～20min，渣白后取样分析，白渣保持时间为30～50min，取样分析完毕后根据分析结果进行成分微调，LF炉出钢温度为1680～1690℃。
(3)VD精炼，极限真空度＜67Pa，保持该极限真空度18～35min，破真空后取样分析，成分合格后软吹入氩气至吊包，软吹氩气的时间为18～39min，吊包温度为1550～1568℃。
(4)浇铸电极坯，预热锭模为80～200℃，然后对锭模充入氩气，每个锭盘充氩气时间为3～5min，然后撤出氩气管，用盖子将锭模盖好后进行浇铸，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560～610mm，3～5h后脱模。
(5)退火，退火温度710～760℃，保温时间1～1.5min/mm，炉冷至300～350℃出炉。
(6)电渣重熔，采用步骤(4)得到的电极坯，表面清理磨光，采用氟化钙和氧化铝二元渣系进行冶炼，电渣冶炼稳态阶段的起点熔速值为7～10kg/min，终点熔速值为5.0～8.0kg/min，得到电渣锭，然后停电炉冷80～100min后送锻造工序。
(7)锻造，将步骤(6)得到的电渣锭加热至1240～1260℃，保温15～25h进行扩散均质化，然后经墩粗拔长锻造开坯，然后再次加热至1240～1260℃，保温15～25h进行扩散均质化，然后再进行X、Y和Z三个方向的墩粗后再次拔长至成品尺寸。
(8)超细化处理，将步骤(7)得到的工件置入加热炉中随炉升温至1010～1040℃，保温5～10h后，采用空-水-空-水的间隙冷却方式进行冷却，具体为：出炉空冷至表面840～860℃时，快速放入25～30℃的水中进行冷却，水冷至中心温度860℃～890℃后，空冷2～5min，然后再入水冷却至中心温度700℃～730℃后，空冷2～5min，再进入水中冷却至心部温度540℃～560℃左右，再将工件在空气中冷却0.5h～2h，使得工件表面最高返温温度为300～330℃，待表面温度为250℃-300℃左右后入炉进行球化退火。
(9)球化退火，将步骤(8)得到的工件置入退火炉中，加热至830～860℃，保温25～45h，进行球化退火。
本发明的所述热作模具钢按质量百分比含量计为：C为0.35-0.40％，Si≤0.25％，Mn为0.30-0.50％，Cr为5.00-530％，Mo为2.20-2.40％，V为0.50-0.65％，P≤0.010％，S≤0.001％，Ni≤0.20％，Cu≤0.10％，Nb为0.005-0.020％，余量为Fe和不可避免的杂质。
作为优选，所述制备方法在步骤(9)之后还包括如下步骤：
(10)在坯料上沿截面的中心部位切取横、纵向无缺口冲击试样，试样尺寸为7mm×10mm×55mm，试样随炉加热至1020～1040℃，保温30min油淬至室温。
(11)回火，将步骤(10)淬火后得到的冲击试样置入回火炉中，加热至600～630℃，保温时间120min，然后空冷至室温。
(12)重复步骤(11)的回火步骤2～3次，使得冲击试样硬度达到44～46HRC后进行冲击功性能检测。
作为优选，所述电极冶炼电渣锭直径为750mm，重量5.7～6t。
作为优选，步骤(6)的所述二元渣系中CaF2∶Al2O3为(67.5～72.5)∶(27.5～32.5)。
作为优选，步骤(6)中的渣量为160～190kg。
作为优选，步骤(6)中渣料使用前在600～650℃烘烤6～8小时。
作为优选，步骤(1)中所述硅铁合金的加入量为1.8～2.5kg/t，所述石灰的加入量为400kg/t，所述萤石的加入量为100kg/t。
作为优选，步骤(1)的出钢过程中加铝的量为1.8～2.5kg/t。
本发明的效果在于：
1，采用电炉炼钢、LF炉外精炼、VD真空脱氧除杂，氩气保护浇铸，电渣二次重熔，并且具体控制各个步骤的具体参数(如出钢温度的设定、吊包温度的设定、白渣保持时间，吹氩时间等等)，使得得到氧含量低至12ppm，粗系、细系夹杂物之和分别≤1级的高洁净钢锭。
2，通过设置钢锭经均质化扩散，一墩一拔锻造开坯，进行二次均质化扩散，再进行三维锻造，固溶淬水及球化退火处理，以及合理设定各个步骤的具体参数以及各个步骤之间参数的有效搭配，有效提高钢的均匀性，改善各向异性，该钢的带状级别达到SA1，球化组织达到AS6以内。
3，通过合理设定淬火和回火步骤和具体参数，并且设定最终淬回火处理硬度，使得工件经淬回火处理硬度达到44～46HRC，单个无缺口横向冲击功≥380J、平均无缺口横向冲击性能≥400J；横、纵向无缺口冲击功之比(等向性)≥0.96。
附图说明
图1为本发明制备方法的流程图。
具体实施方式
实施例1
高韧性、高等向性热作模具钢制备方法，所述热作模具钢按质量百分比含量计为：C为0.36％，Si：0.15％，Mn为0.32％，Cr为5.12％，Mo为2.25％，V为0.52％，P：0.0050％，S：0.0001％，Ni：0.10％，Cu：0.05％，Nb为0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质；
包括如下步骤：
(1)电炉冶炼，按照权利要求2组分含量进行生铁和合金料的配料，在电炉中熔化冶炼，在温度为1635℃时氧化扒渣，扒渣后加入硅铁合金、石灰、萤石，出钢温度为1652℃，出钢过程中加铝进行脱氧；
(2)LF炉精炼，入LF炉后接通氩气，然后送电升温，加入石灰和萤石调整炉渣流动性，采用SiC粉和铝粒扩散脱氧，加热保温时间为12min，渣白后取样分析，白渣保持时间为35min，取样分析完毕后根据分析结果进行成分微调，LF炉出钢温度为1682℃；
(3)VD精炼，极限真空度＜65Pa，保持该极限真空度21min，破真空后取样分析，成分合格后软吹入氩气至吊包，软吹氩气的时间为19min，吊包温度为1556℃；
(4)浇铸电极坯，预热锭模为98℃，然后对锭模充入氩气，每个锭盘充氩气时间为3.5min，然后撤出氩气管，用盖子将锭模盖好后进行浇铸，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18m3/h，浇铸时间为5min，3.5h后脱模；
(5)退火，退火温度740℃，保温时间1.5min/mm(分钟每毫米厚度)，炉冷至300℃出炉；
(6)电渣重熔，采用步骤(4)得到的电极坯，表面清理磨光，采用氟化钙和氧化铝二元渣系进行冶炼，电渣冶炼稳态阶段的起点熔速值为8kg/min，终点熔速值为6.5kg/min，得到φ750mm电渣锭，然后停电炉冷91min后送锻造工序；
(7)锻造，将步骤(6)得到的电渣锭加热至1248℃，保温15h进行扩散均质化，然后墩一次拔一次后锻造开坯，然后再次加热至1249℃，保温15h进行扩散均质化，然后再进行X、Y和Z三个方向的墩粗后再次拔长，得到厚度为300mm，宽度为710mm的模块；
(8)超细化处理，将步骤(7)得到的工件置入加热炉中随炉升温至1025℃，保温6h后，采用水冷和空冷交替的冷却方式进行冷却，出炉空冷至表面850℃时，快速放入28℃的水中进行冷却，水冷至中心温度840℃，进行空冷3min，再进入水中至心部温度550℃左右，再将工件在空气中冷却1.5h，工件表面最高返温温度为310℃，待表面温度280℃左右入炉进行球化退火。
(9)球化退火，将步骤(8)得到的工件置入退火炉中，加热至850℃进行周期球化退火，保温28h；
(10)在坯料上沿截面的中心部位切取横、纵向无缺口冲击试样，试样尺寸为7mm×10mm×55mm，试样随炉加热至1030℃，保温30min油淬至室温。
(11)回火，将步骤(10)淬火后得到的冲击试样置入回火炉中，加热至610℃，保温时间120min，然后空冷至室温。
(12)重复步骤(11)的回火步骤2次，使得冲击试样硬度达到44～46HRC后进行冲击功性能检测。
所述电极冶炼电渣锭直径为750mm，重量为6t。
步骤(6)的所述二元渣系中CaF2∶Al2O3为70∶30。
步骤(6)中的渣量为168kg。
步骤(6)中渣料至使用前在625℃烘烤6.5小时。
步骤(1)中所述硅铁合金的加入量为2.0kg/t，所述石灰的加入量为400kg/t，所述萤石的加入量为100kg/t。
步骤(1)中出钢过程中加铝的量为1.9kg/t。
实施例2
高韧性、高等向性热作模具钢制备方法，所述热作模具钢按质量百分比含量计为：C为0.38％，Si：0.05％，Mn为0.39％，Cr为5.2％，Mo为2.30％，V为0.62％，P：0.0080％，S：0.0006％，Ni：0.10％，Cu：0.05％，Nb为0.009％，余量为Fe和不可避免的杂质。
包括如下步骤：
(1)电炉冶炼，按照权利要求2组分含量进行生铁和合金料的配料，在电炉中熔化冶炼，在温度为1642℃时氧化扒渣，扒渣后加入硅铁合金、石灰、萤石，出钢温度为1654℃，出钢过程中加铝进行脱氧；
(2)LF炉精炼，入LF炉后接通氩气，然后送电升温，加入石灰和萤石调整炉渣流动性，采用SiC粉和铝粒扩散脱氧，加热保温时间为14min，渣白后取样分析，白渣保持时间为45min，取样分析完毕后根据分析结果进行成分微调，LF炉出钢温度为1685℃；
(3)VD精炼，极限真空度＜65Pa，保持该极限真空度23min，破真空后取样分析，成分合格后软吹入氩气至吊包，软吹氩气的时间为23min，吊包温度为1554℃；
(4)浇铸电极坯，预热锭模为102℃，然后对锭模充入氩气，每个锭盘充氩气时间为4.5min，然后撤出氩气管，用盖子将锭模盖好后进行浇铸，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19m3/h，浇铸时间为5min，3.5h后脱模；
(5)退火，退火温度740℃，保温时间1.5min/mm，炉冷至300℃出炉；
(6)电渣重熔，采用步骤(4)得到的电极坯，表面清理磨光，采用氟化钙和氧化铝二元渣系进行冶炼，电渣冶炼稳态阶段的起点熔速值为8kg/min，终点熔速值为6.5kg/min，得到φ750mm电渣锭，然后停电炉冷100min后送锻造工序；
(7)锻造，将步骤(6)得到的电渣锭加热至1255℃，保温20h进行扩散均质化，然后墩一次拔一次后锻造开坯，然后再次加热至1255℃，保温20h进行扩散均质化，然后再进行X、Y和Z三个方向的墩粗后再次拔长，得到厚度为400mm，宽度为710mm的模块；
(8)超细化处理，将步骤(7)得到的工件置入加热炉中随炉升温至1030℃，保温8h后，采用水冷和空冷交替的冷却方式进行冷却，出炉空冷至表面855℃左右时，快速放入26℃左右的水中进行冷却，水冷至中心温度880℃，进行空冷3min左右，水冷至中心温度735℃，进行空冷3min左右，再进入水中至心部温度555℃左右，再将工件在空气中冷却1.5h，工件表面最高返温温度为325℃，待表面温度260℃左右入炉进行球化退火工艺。
(9)球化退火，将步骤(8)得到的工件置入退火炉中，加热至850℃进行周期球化退火，保温36h；
(10)在坯料上沿截面的中心部位切取横、纵向无缺口冲击试样，试样尺寸为7mm×10mm×55mm，试样随炉加热至1030℃，保温30min油淬至室温。
(11)回火，将步骤(10)淬火后得到的冲击试样置入回火炉中，加热至610℃，保温时间120min，然后空冷至室温。
(12)重复步骤(11)的回火步骤2次，使得冲击试样硬度达到44～46HRC后进行冲击功性能检测。
所述电极冶炼电渣锭直径为750mm，电极坯重量5.8t。
步骤(5)的所述二元渣系中CaF2∶Al2O3为70∶30。
步骤(5)中的渣量为168kg。
步骤(5)中渣料至使用前在625℃烘烤6.5小时。
步骤(1)中所述硅铁合金的加入量为2.0kg/t，所述石灰的加入量为400kg/t，所述萤石的加入量为100kg/t。
步骤(1)中出钢过程中加铝的量为1.9kg/t。
实施例3
高韧性、高等向性热作模具钢制备方法，所述热作模具钢按质量百分比含量计为：C为0.39％，Si：0.20％，Mn为0.32％，Cr为5.10％，Mo为2.25％，V为0.56％，P：0.0010％，S：0.0005％，Ni：0.11％，Cu：0.03％，Nb为0.007％，余量为Fe和不可避免的杂质。
包括如下步骤：
(1)电炉冶炼，按照权利要求2的组分含量进行生铁和合金料的配料，在电炉中熔化冶炼，在温度为1632℃时氧化扒渣，扒渣后加入硅铁合金、石灰、萤石，出钢温度为1655℃，出钢过程中加铝进行脱氧；
(2)LF炉精炼，入LF炉后接通氩气，然后送电升温，加入石灰和萤石调整炉渣流动性，采用SiC粉和铝粒扩散脱氧，加热保温时间为15min，渣白后取样分析，白渣保持时间为40min，取样分析完毕后根据分析结果进行成分微调，LF炉出钢温度为1682℃；
(3)VD精炼，极限真空度＜65Pa，保持该极限真空度25min，破真空后取样分析，成分合格后软吹入氩气至吊包，软吹氩气的时间为23min，吊包温度为1552℃；
(4)浇铸电极坯，预热锭模为98℃，然后对锭模充入氩气，每个锭盘充氩气时间为4.5min，然后撤出氩气管，用盖子将锭模盖好后进行浇铸，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17m3/h，浇铸时间为5min，3.5h后脱模；
(5)退火，退火温度740℃，保温时间1.5min/mm，炉冷至300℃出炉；
(6)电渣重熔，采用步骤(4)得到的电极坯，表面清理磨光，采用氟化钙和氧化铝二元渣系进行冶炼，电渣冶炼稳态阶段的起点熔速值为8kg/min，终点熔速值为6.5kg/min，得到电渣锭，然后停电炉冷110min后送锻造工序；
(7)锻造，将步骤(6)得到的电渣锭加热至1248℃，保温21h进行扩散均质化，然后墩一次拔一次后锻造开坯，然后再次加热至1249℃，保温21h进行扩散均质化，然后再进行X、Y和Z三个方向的墩粗后再次拔长，得到厚度为500mm，宽度为710mm的模块；
(8)超细化处理，将步骤(7)得到的工件置入加热炉中随炉升温至1030℃，保温11h后，采用水冷和空冷交替的冷却方式进行冷却，出炉空冷至表面851℃左右时，快速放入27℃的水中进行冷却，水冷至中心温度878℃左右，进行空冷4min，再进入水中至心部温度722℃左右，进行空冷3min左右，再进入水中至心部温度560℃左右，再将工件在空气中冷却2h，工件表面最高返温温度为320℃，待表面温度266℃左右入炉进行球化退火工艺。
(9)球化退火，将步骤(8)得到的工件置入退火炉中，加热至850℃进行周期球化退火，保温41h；
(10)在坯料上沿截面的中心部位切取横、纵向无缺口冲击试样，试样尺寸为7mm×10mm×55mm，试样随炉加热至1030℃，保温30min油淬至室温。
(11)回火，将步骤(10)淬火后得到的冲击试样置入回火炉中，加热至610℃，保温时间120min，然后空冷至室温。
(12)重复步骤(11)的回火步骤2次，使得冲击试样硬度达到44～46HRC后进行冲击功性能检测。
所述电极冶炼电渣锭直径为750mm，重量5.9t。
步骤(5)的所述二元渣系中CaF2∶Al2O3为70∶30。
步骤(5)中的渣量为168kg。
步骤(5)中渣料至使用前在625℃烘烤6.5小时。
步骤(1)中所述硅铁合金的加入量为2.0kg/t，所述石灰的加入量为400kg/t，所述萤石的加入量为100kg/t。
步骤(1)中出钢过程中加铝的量为1.9kg/t。
实施例的高倍及力学性能检测结果见表1和表2：
表1 ZW868高倍检验结果
表1中A类为硫化物类夹杂物，B类为氧化铝类夹杂物，C类为硅酸盐类夹杂物，D类为球形氧化物类夹杂物，均为本领域通用概念。
表2 ZW868力学性能结果

Claims (9)

1.一种高韧性、高等向性热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)电炉冶炼，按照热作模具钢的组分含量进行生铁和合金料的配料，在电炉中熔化冶炼，温度为1630～1650℃时氧化扒渣，扒渣后加入硅铁合金、石灰、萤石，出钢温度为1650～1660℃，出钢过程中加铝进行脱氧；
(2)LF炉精炼，入LF炉后接通氩气，然后送电升温，加入石灰和萤石调整炉渣流动性，采用SiC粉和铝粒扩散脱氧，加热保温时间为10～20min，渣白后取样分析，白渣保持时间为30～50min，取样分析完毕后根据分析结果进行成分微调，LF炉出钢温度为1680～1690℃；
(3)VD精炼，极限真空度＜67Pa，保持该极限真空度18～35min，破真空后取样分析，成分合格后软吹入氩气至吊包，软吹氩气的时间为18～39min，吊包温度为1550～1568℃；
(4)浇铸电极坯，预热锭模为80～200℃，然后对锭模充入氩气，每个锭盘充氩气时间为3～5min，然后撤出氩气管，用盖子将锭模盖好后进行浇铸，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560～610mm，3～5h后脱模；
(5)退火，退火温度710～760℃，保温时间1～1.5min/mm，炉冷至300～350℃出炉；
(6)电渣重熔，采用步骤(4)得到的电极坯，表面清理磨光，采用氟化钙和氧化铝二元渣系进行冶炼，电渣冶炼稳态阶段的起点熔速值为7～10kg/min，终点熔速值为5.0～8.0kg/min，得到电渣锭，然后停电炉冷80～100min后送锻造工序；
(7)锻造，将步骤(6)得到的电渣锭加热至1240～1260℃，保温15～25h进行扩散均质化，然后经墩粗拔长锻造开坯，然后再次加热至1240～1260℃，保温15～25h进行扩散均质化，然后再进行X、Y和Z三个方向(即长宽高三个方向)的墩粗后再次拔长至成品尺寸；
(8)超细化处理，将步骤(7)得到的工件置入加热炉中随炉升温至1010～1040℃，保温5～10h后，采用空-水-空-水的间隙冷却方式进行冷却，具体为：出炉空冷至表面840～860℃时，快速放入25～30℃的水中进行冷却，水冷至中心温度860℃～890℃后，空冷2～5min，然后再入水冷却至中心温度700℃～730℃后，空冷2～5min，再进入水中冷却至心部温度540℃～560℃，再将工件在空气中冷却0.5h～2h，使得工件表面最高返温温度为300～330℃，待表面温度为250℃-300℃后入炉进行球化退火；
(9)球化退火，将步骤(8)得到的工件置入退火炉中，加热至830～860℃，保温25～45h，进行球化退火。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热作模具钢按质量百分比含量计为：C为0.35-0.40％，Si≤0.25％，Mn为0.30-0.50％，Cr为5.00-5.30％，Mo为2.20-2.40％，V为0.50-0.65％，P≤0.010％，S≤0.001％，Ni≤0.20％，Cu≤0.10％，Nb为0.005-0.020％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法在步骤(9)之后还包括如下步骤：
(10)在坯料上沿截面的中心部位切取横、纵向无缺口冲击试样，试样尺寸为7mm×10mm×55mm，试样随炉加热至1020～1040℃，保温30min油淬至室温。
(11)回火，将步骤(10)淬火后得到的冲击试样置入回火炉中，加热至600～630℃，保温时间120min，然后空冷至室温。
(12)重复步骤(11)的回火步骤2～3次，使得冲击试样硬度达到44～46HRC后进行冲击功性能检测。
4.权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述电极冶炼电渣锭直径为750mm，重量5.7～6t。
5.权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)的所述二元渣系中CaF2∶Al2O3为(67.5～72.5)∶(27.5～32.5)。
6.权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中的渣量为160～190kg。
7.权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中渣料使用前在600～650℃烘烤6～8小时。
8.权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述硅铁合金的加入量为1.8～2.5kg/t，所述石灰的加入量为400kg/t，所述萤石的加入量为100kg/t。
9.权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)的出钢过程中加铝的量为1.8～2.5kg/t。
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