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CN114574769A - 稀土热作模具钢及其制备方法 - Google Patents

稀土热作模具钢及其制备方法 Download PDF

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CN114574769A
CN114574769A CN202111384063.8A CN202111384063A CN114574769A CN 114574769 A CN114574769 A CN 114574769A CN 202111384063 A CN202111384063 A CN 202111384063A CN 114574769 A CN114574769 A CN 114574769A
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forging
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徐亚东
虢洪沂
牟玉芳
葛慧超
王亚男
牟雪萍
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Rizhao Quality Inspection And Testing Institute
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Abstract

稀土热作模具钢及其制备方法，涉及稀土钢技术领域，特别是属于一种稀土热作模具钢及其制备方法。包括如下质量分数的组分：C：0.35%～0.45%，Mn：0.50%～0.90%，Si：0.20%～0.50%，S≦0.005%，P≦0.010%，Ni：1.3%～1.5%，Cr：2.80%～3.20%，Mo：1.40%～1.60%，V：0.10%～0.18%，Al：0.025%～0.045%，La：0.0045%～0.0060%，Ce：0.0010%～0.015%。本发明具有高强度、高韧性及高热稳定性等特征，能够延长模具使用寿命，加快生产节奏，获得大量应用求的积极效果。

Description

稀土热作模具钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及稀土钢技术领域，特别是属于一种稀土热作模具钢及其制备方法。
背景技术
热作模具作为重要的基础工艺装备，主要用于固态金属的锻造及压铸成型，广泛应用于汽车工业、机械制造等领域。热作模具在工作过程中承受复杂的热-机械载荷作用，其使用寿命普遍偏低，直接影响到锻件的生产成本和生产节奏，进而严重影响到企业的经济效益。在国外，热锻模费用占生产成本的8%～15%，而国内则高达30%～40%。为满足现代制造业发展需求，中国模具工业学会强调了模具可靠性与使用寿命的重要性。影响模具可靠性与使用寿命的主要因素包括模具结构设计、加工制造工艺、模具材质选用、热处理工艺与表面强化、润滑及使用维护等。在模具失效的诸多因素中，由于模具材料和模具热处理工艺不当引起的失效约占70%。有此可知，对模具材质的选材及优化提出了更高的要求。
发明内容
本发明是针对现行广泛使用的H13热作模具钢使用寿命不足，热稳定欠佳的缺陷而提供一种稀土热作模具钢及其制备方法，以达到高强度、高韧性及高热稳定性等特征，从而达到延长模具使用寿命及加快生产节奏，获得大量应用求的目的。
本发明所提供的一种稀土热作模具钢，其特征是，包括如下质量分数的组分：
C：0.35%～0.45%，Mn：0.50%～0.90%，Si：0.20%～0.50%，S≦0.005%，P≦0.010%，Ni：1.3%～1.5%，Cr：2.80%～3.20%，Mo：1.40%～1.60%，V：0.10%～0.18%，Al：0.025%～0.045%，La：0.0045%～0.0060%，Ce：0.0010%～0.015%。
进一步，包括如下质量分数的组分：
C：0.38%～0.42%，Mn：0.60%～0.80%，Si：0.36%～0.44%，S≦0.005%，P≦0.010%，Ni：1.42%～1.48%，Cr：2.90%～3.10%，Mo：1.45%～1.55%，V：0.14%～0.18%，Al：0.028%～0.040%，La：0.0049%～0.0055%，Ce：0.0011%～0.014%。
进一步，包括如下质量分数的组分：
C：0.39%～0.41%，Mn：0.65%～0.72%，Si：0.38%～0.41%，S≦0.005%，P≦0.010%，Ni：1.44%～1.47%，Cr：2.95%～3.05%，Mo：1.49%～1.52%，V：0.15%～0.17%，Al：0.031%～0.037%，La：0.0050%～0.0054%，Ce：0.0012%～0.013%。
本发明所提供的稀土热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：电弧炉（EAF）冶炼→LF炉精炼→VD真空脱气→氩气保护浇注电极坯→电极火焰切割冒口→电极坯磨削→氩气保护电渣重熔→电渣锭高温扩散退火→锻造→退火→熔检性能试验→粗加工→探伤→半精加工→调质→理化检验→交验，当钢中自由氧[O]≦5ppm且精炼渣中(FeO)≦0.5%，钢液进行VD真空脱气处理；按照La：Ce=3：7的比例制成混和稀土，封装入洁净的钢管内，其中，La：0.0045%～0.0060%, Ce：0.0010%～0.015%； 将封装于洁净钢管内的La和Ce稀土合金采用压入法压入到钢液面以450mm～550mm的方式加入到钢水中，同时适当增大底吹氩气流量使钢液面不裸露。
进一步，本发明所提供的稀土热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，超高功率电弧炉EAF冶炼；
步骤2，LF炉白渣精炼；
步骤3，VD真空脱气；
当钢中自由氧[O]≦5ppm且精炼渣中(FeO)≦0.5%，钢液进行VD真空脱气处理；
按照La：Ce=3：7的比例制成混和稀土，封装入洁净的钢管内，其中，
La：0.0045%～0.0060%, Ce：0.0010%～0.015%；
将封装于洁净钢管内的La和Ce稀土合金采用压入法压入到钢液面以450mm～550mm的方式加入到钢水中，同时适当增大底吹氩气流量使钢液面不裸露；
步骤4，氩气保护气氛下浇注电极坯；
步骤5，火焰切割电极坯冒口；
步骤6，电极坯磨削加工制成自耗电极；
步骤7，氩气保护下电渣重熔：
电渣重熔过程中采用同材质的碎屑作为电渣重熔引弧剂基料，引弧剂基料加工成长度为20mm～30mm，宽度为10mm～15mm的尺寸；
金属碎屑引弧剂基料与三七渣（30% Al2O3+70% CaF2)按比例制成电渣重熔引弧剂铺入电渣炉炉底，铺入量与结晶器规格相同；
步骤8，电渣锭高温扩散加热；
步骤9，锻造：采用三次镦粗拔长的变形方式锻造；
步骤10，退火；
步骤11，性能试验；
步骤12，超声探伤；
步骤13，半精加工；
步骤14，调质处理；
步骤15，理化检测；
步骤16，交验。
进一步，在冶炼过程中，引弧剂基料与三七渣（30% Al2O3+70% CaF2)按质量比5：1制成电渣引弧剂铺入电渣炉炉底。
进一步，在锻造过程中，高温扩散退火加热温度为1260℃，扩散时间为30h。
进一步，在锻造过程中，采用三次镦粗拔长的变形方式开坯，其中一火加热温度1260℃，二火加热温度1220℃，三火加热温度1190℃，其中镦粗比≥2，总锻比≥5。
进一步，在调质过程中，奥氏体化均质化温度为950℃，回火温度为565℃，回火采用两次回火。
进一步，当钢中自由氧[O]≦5ppm且精炼渣中(FeO)≦0.5%，钢液进行VD真空脱气处理；按照La：Ce=3：7的比例制成混和稀土，封装入洁净的钢管内，其中，La：0.0049%～0.0055%，Ce：0.0011%～0.014%； 将封装于洁净钢管内的La和Ce稀土合金采用压入法压入到钢液面以455mm～475mm的方式加入到钢水中，同时适当增大底吹氩气流量使钢液面不裸露。
本发明所提供的稀土热作模具钢及其制备方法，在冶炼过程中，钢液进行VD真空处理后，加入La：0.0045%～0.0060%和Ce：0.0010%～0.015%的混和稀土，选择在VD真空脱气处理后加入，加入的稀土合金封装入提前准备好的洁净的钢管内。再将装入稀土的钢管压入钢液面以下450mm～550mm钢液中，这样可以充分发挥稀土元素的有益作用，提高钢的强度、韧性及热稳定性指标。
在电渣重熔冶炼过程中，引弧剂基料与三七渣（30% Al2O3+70% CaF2)按质量比5：1的比例制成电渣重熔引弧剂铺入电渣炉炉底，这样操作可以避免传统含Ti引弧剂中的Ti污染钢液。
锻造前对电渣锭进行高温扩散退火处理，其高温扩散温度为1260℃，扩散时间30h，之所以采用高温扩散退火是为了改善偏析以防止其降低韧性等性能，采用三次镦拔的锻造方式开坯，其中一火加热温度为1260℃，二火加热温度1220℃，三火加热温度1190℃。其中镦粗比≥2，锻比≥5。采用大锻比锻造可以有效破碎钢锭的铸态组织、闭合金属凝固缺陷、均匀组织，提高热作模具钢的强度、韧性及热稳定性等综合性能。
本发明提供的稀土热作模具钢及其制备方法，吸收多元合金配置的高强韧钢的最新研究成果，在包含Cr、Mo、Si、V等合金的基础上添加Ni和Re，以固溶强化和二次硬化机制增强钢的强度指标，同时通过优化Cr、V、Mo等合理配置获得高韧性及热稳定性等指标。现有的H13热作模具钢使用寿命仅为3000至4000次，本发明提供的稀土热作模具钢高达8000至10000次。因此，本发明具有高强度、高韧性及高热稳定性等特征，能够延长模具使用寿命，加快生产节奏，获得大量应用求的积极效果。
附图说明
附图部分公开了本发明具体实施例，其中，
图1，本发明的夹杂物低倍形貌的结构示意图；
图2，本发明的调质处理后组织的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
一种稀土热作模具钢，包括如下质量分数的组分：
C：0.35%～0.45%，Mn：0.50%～0.90%，Si：0.20%～0.50%，S≦0.005%，P≦0.010%，Ni：1.3%～1.5%，Cr：2.80%～3.20%，Mo：1.40%～1.60%，V：0.10%～0.18%，Al：0.025%～0.045%，La：0.0045%～0.0060%，Ce：0.0010%～0.015%。
经测试，本发明提供的稀土热作模具钢高达8000至10000次，较现有的H13热作模具钢使用寿命仅为3000至4000次，显著延长了模具使用寿命。
实施例2：
作为本发明的优选实施例，稀土热作模具钢，包括如下质量分数的组分：
C：0.38%～0.42%，Mn：0.60%～0.80%，Si：0.36%～0.44%，S≦0.005%，P≦0.010%，Ni：1.42%～1.48%，Cr：2.90%～3.10%，Mo：1.45%～1.55%，V：0.14%～0.18%，Al：0.028%～0.040%，La：0.0049%～0.0055%，Ce：0.0011%～0.014%。
经测试，本发明提供的稀土热作模具钢高达8500至9000次，较现有的H13热作模具钢使用寿命仅为3000至4000次，显著延长了模具使用寿命。
实施例3：
作为本发明的优选实施例，稀土热作模具钢，包括如下质量分数的组分：
C：0.39%～0.41%，Mn：0.65%～0.72%，Si：0.38%～0.41%，S≦0.005%，P≦0.010%，Ni：1.44%～1.47%，Cr：2.95%～3.05%，Mo：1.49%～1.52%，V：0.15%～0.17%，Al：0.031%～0.037%，La：0.0050%～0.0054%，Ce：0.0012%～0.013%。
经测试，本发明提供的稀土热作模具钢高达8800至9600次，较现有的H13热作模具钢使用寿命仅为3000至4000次，显著延长了模具使用寿命。
实施例4：
本发明所提供的稀土热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，超高功率电弧炉EAF冶炼；
步骤2，LF炉白渣精炼；
步骤3，VD真空脱气；
当钢中自由氧[O]≦5ppm且精炼渣中(FeO)≦0.5%，钢液进行VD真空脱气处理；
按照La：Ce=3：7的比例制成混和稀土，封装入洁净的钢管内，其中，
La：0.0045%～0.0060%, Ce：0.0010%～0.015%；
将封装于洁净钢管内的La和Ce稀土合金采用压入法压入到钢液面以下
450mm～550mm的方式加入到钢水中，同时适当增大底吹氩气流量使钢液面不裸露；
步骤4，氩气保护气氛下浇注电极坯；
步骤5，火焰切割电极坯冒口；
步骤6，电极坯磨削加工制成自耗电极；
步骤7，氩气保护下电渣重熔：
电渣重熔过程中采用同材质的碎屑作为电渣重熔引弧剂基料，引弧剂基料加工成长度为20mm～30mm，宽度为10mm～15mm的尺寸；
金属碎屑引弧剂基料与三七渣（30% Al2O3+70% CaF2)按比例制成电渣重熔引弧剂铺入电渣炉炉底，铺入量与结晶器规格相同；
步骤8，电渣锭高温扩散加热；
步骤9，锻造：采用三次镦粗拔长的变形方式锻造；
步骤10，退火；
步骤11，性能试验；
步骤12，超声探伤；
步骤13，半精加工；
步骤14，调质处理；
步骤15，理化检测；
步骤16，交验。
经测试，本发明提供的稀土热作模具钢高达8000至10000次，较现有的H13热作模具钢使用寿命仅为3000至4000次，显著延长了模具使用寿命。
实施例5：
本发明所提供的稀土热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
电弧炉（EAF）冶炼→LF炉精炼→VD真空脱气→氩气保护浇注电极坯→电极火焰切割冒口→电极坯磨削→氩气保护电渣重熔→电渣锭高温扩散退火→锻造→退火→熔检性能试验→粗加工→探伤→半精加工→调质→理化检验→交验。
在冶炼过程中，经电炉终点通过控碳控氧、出钢预脱氧、精炼结束后，当钢中自由氧[O]≦5ppm，渣中（FeO）≦0.5%，钢液进行VD真空脱气处理后，加入 0.0045% La和0.015%的Ce的混合稀土，再将混合稀土压入液面以下450mm～550mm的方式加入到钢水中，尤其将混合稀土压入钢液面以下500mm处效果最佳，同时增大底吹氩气流量使钢液面，不裸露为宜。
在冶炼过程中，采用本发明的高品质稀土热作模具钢的碎屑作为电渣重熔的引弧剂基料，引弧剂基料加工成长度为25mm～35mm，宽度为10mm～15mm的尺寸。引弧剂基料与三七渣按质量比5：1的比例制成电渣重熔引弧剂铺入电渣重熔炉炉底，铺入量与结晶器规格相匹配。
在锻造过程前采用高温扩散退火，扩散加热温度为1260℃，高温扩散时间为30h。采用高温均质化技术，消除带状偏析。为避免严重的带状组织偏析采用高温扩散的形式来消除和减弱。即使在电渣重熔过程中采用低熔速、强水冷的技术措施电渣锭也会存在一定的成分及组织偏析，锻前如不采用长时间高温扩散退火处理，则锻件带状偏析较严重，会显著降低材料韧性指标。
锻造过程中，采用三次镦粗拔长的变形方式进行，加大开坯压下量。整体镦粗后拔长成型，总镦粗比3.6，总锻比（拔长比）5.8。二火、三火镦拔工序逐渐降低锻造温度，其中一火加热温度1260℃，二火加热温度1220℃，三火加热温度1190℃。
实施例6：
当钢中自由氧[O]≦5ppm且精炼渣中(FeO)≦0.5%，钢液进行VD真空脱气处理；按照La：Ce=3：7的比例制成混和稀土，封装入洁净的钢管内，其中，La：0.0049%～0.0055%，Ce：0.0011%～0.014%； 将封装于洁净钢管内的La和Ce稀土合金采用压入法压入到钢液面以455mm～475mm的方式加入到钢水中，同时适当增大底吹氩气流量使钢液面不裸露。
使用本发明所提供的稀土热作模具钢及其制备方法，按电炉+电渣的冶炼方法冶炼出电渣锭1支，锻制后加工成Φ300mm的棒料一支。按照SEP 1921进行超声波探伤，内部无缩孔、裂纹、白点、分层、气孔等影响使用的缺陷。其各类非金属夹杂物指标见表1，夹杂物低倍形貌见图1，调质处理后组织见图2。由表1、图2所示，本发明具有高强度、高韧性及高热稳定性等特征，经测试，本发明提供的稀土热作模具钢高达8000至10000次，较现有的H13热作模具钢使用寿命仅为3000至4000次，显著延长了模具使用寿命，加快了生产节奏，获得大量应用求。
表1 各类非金属夹杂物指标
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE002

Claims (10)

1.一种稀土热作模具钢，其特征是，包括如下质量分数的组分：
C：0.35%～0.45%，Mn：0.50%～0.90%，Si：0.20%～0.50%，S≦0.005%，P≦0.010%，Ni：1.3%～1.5%，Cr：2.80%～3.20%，Mo：1.40%～1.60%，V：0.10%～0.18%，Al：0.025%～0.045%，La：0.0045%～0.0060%，Ce：0.0010%～0.015%。
2.根据权利要求1所述的稀土热作模具钢，其特征是，包括如下质量分数的组分：
C：0.38%～0.42%，Mn：0.60%～0.80%，Si：0.36%～0.44%，S≦0.005%，P≦0.010%，Ni：1.42%～1.48%，Cr：2.90%～3.10%，Mo：1.45%～1.55%，V：0.14%～0.18%，Al：0.028%～0.040%，La：0.0049%～0.0055%，Ce：0.0011%～0.014%。
3.根据权利要求1所述的稀土热作模具钢，其特征是，包括如下质量分数的组分：
C：0.39%～0.41%，Mn：0.65%～0.72%，Si：0.38%～0.41%，S≦0.005%，P≦0.010%，Ni：1.44%～1.47%，Cr：2.95%～3.05%，Mo：1.49%～1.52%，V：0.15%～0.17%，Al：0.031%～0.037%，La：0.0050%～0.0054%，Ce：0.0012%～0.013%。
4.一种稀土热作模具钢的制备方法，其特征是，包括以下步骤：电弧炉（EAF）冶炼→LF炉精炼→VD真空脱气→氩气保护浇注电极坯→电极火焰切割冒口→电极坯磨削→氩气保护电渣重熔→电渣锭高温扩散退火→锻造→退火→熔检性能试验→粗加工→探伤→半精加工→调质→理化检验→交验，当钢中自由氧[O]≦5ppm且精炼渣中(FeO)≦0.5%，钢液进行VD真空脱气处理；按照La：Ce=3：7的比例制成混和稀土，封装入洁净的钢管内，其中，La：0.0045%～0.0060%, Ce：0.0010%～0.015%； 将封装于洁净钢管内的La和Ce稀土合金采用压入法压入到钢液面以450mm～550mm的方式加入到钢水中，同时适当增大底吹氩气流量使钢液面不裸露。
5.根据权利要求1所述的稀土热作模具钢的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1，超高功率电弧炉EAF冶炼；
步骤2，LF炉白渣精炼；
步骤3，VD真空脱气；
当钢中自由氧[O]≦5ppm且精炼渣中(FeO)≦0.5%，钢液进行VD真空脱气处理；
按照La：Ce=3：7的比例制成混和稀土，封装入洁净的钢管内，其中，
La：0.0045%～0.0060%, Ce：0.0010%～0.015%；
将封装于洁净钢管内的La和Ce稀土合金采用压入法压入到钢液面以450mm～550mm的方式加入到钢水中，同时适当增大底吹氩气流量使钢液面不裸露；
步骤4，氩气保护气氛下浇注电极坯；
步骤5，火焰切割电极坯冒口；
步骤6，电极坯磨削加工制成自耗电极；
步骤7，氩气保护下电渣重熔：
电渣重熔过程中采用同材质的碎屑作为电渣重熔引弧剂基料，引弧剂基料加工成长度为20mm～30mm，宽度为10mm～15mm的尺寸；
金属碎屑引弧剂基料与三七渣（30% Al2O3+70% CaF2)按比例制成电渣重熔引弧剂铺入电渣炉炉底，铺入量与结晶器规格相同；
步骤8，电渣锭高温扩散加热；
步骤9，锻造：采用三次镦粗拔长的变形方式锻造；
步骤10，退火；
步骤11，性能试验；
步骤12，超声探伤；
步骤13，半精加工；
步骤14，调质处理；
步骤15，理化检测；
步骤16，交验。
6.根据权利要求4或5所述的一种稀土热作模具钢的制备方法，其特征是，在冶炼过程中，引弧剂基料与三七渣（30% Al2O3+70% CaF2)按质量比5：1制成电渣引弧剂铺入电渣炉炉底。
7.根据权利要求4或5所述的一种稀土热作模具钢的制备方法，其特征是，其特征是，在锻造过程中，高温扩散退火加热温度为1260℃，扩散时间为30h。
8.根据权利要求4或5所述的一种稀土热作模具钢的制备方法，其特征是，在锻造过程中，采用三次镦粗拔长的变形方式开坯，其中一火加热温度1260℃，二火加热温度1220℃，三火加热温度1190℃，其中镦粗比≥2，总锻比≥5。
9.根据权利要求4或5所述的一种稀土热作模具钢的制备方法，其特征是，在调质过程中，奥氏体化均质化温度为950℃，回火温度为565℃，回火采用两次回火。
10.根据权利要求4或5所述的一种稀土热作模具钢的制备方法，其特征是，当钢中自由氧[O]≦5ppm且精炼渣中(FeO)≦0.5%，钢液进行VD真空脱气处理；按照La：Ce=3：7的比例制成混和稀土，封装入洁净的钢管内，其中，La：0.0049%～0.0055%，Ce：0.0011%～0.014%；将封装于洁净钢管内的La和Ce稀土合金采用压入法压入到钢液面以455mm～475mm的方式加入到钢水中，同时适当增大底吹氩气流量使钢液面不裸露。
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