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CN114592107B - 一种预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的制备方法 - Google Patents

一种预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的制备方法，属于金属热加工技术领域，解决预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板板形平整度及硬度均匀性较差的技术问题，解决方案为：从保证钢板质量及回火效率着手，依次进行控制轧制温度、抢温快轧、空冷淬火以及采用常化炉开展单张钢板高温短时二次回火处理。本发明降低了4Cr16NiMo模具钢中厚板出现轧制裂纹的风险，减少了淬火变形，提高了淬火硬度均匀性，提高了中厚板板形质量和硬度均匀性，硬度稳定控制在29‑32HRC，同时极大的缩短了生产周期，最终实现了4Cr16NiMo预硬耐蚀模具钢中厚板的高质量、高效的生产。

Description

一种预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的制备方法
技术领域
本发明属于金属热加工技术领域，具体涉及一种预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的制备方法。
背景技术
预硬耐蚀模具钢4Cr16NiMo中厚板主要用作高端医疗器械成形的核心模具，该类产品通常具有较高的耐蚀性和抛光性，厚度规格通常为10mm-80mm，硬度要求28-33HRC，由于预硬型产品不需再重新热处理，锯切及表面处理后可直接使用，因此逐步得到广泛应用。然而，4Cr16NiMo模具钢钢板的板形平整度直接决定着模具加工的成材率，硬度均匀性又直接影响着模具使用过程中的稳定性。
在4Cr16NiMo模具钢钢板轧制过程中：由于其合金元素较多，造成轧制过程中易出现裂纹。在4Cr16NiMo模具钢热处理过程中：一方面，传统的水淬容易导致钢板淬火变形；另一方面，回火过程采用堆垛式装炉回火，由于装炉量大，保温时间长，导致50mm以下耐蚀4Cr16NiMo模具钢钢板容易出现板形变形严重、钢板硬度分布极其不均等问题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，改善预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板板形平整度，提高硬度均匀性，同时提高生产效率，最终实现预硬型耐蚀模具钢4Cr16NiMo中厚板的高质量、高效化的生产，本发明提供一种预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的制备方法。
本发明的设计构思为：从保证钢板质量及回火效率着手，提出了控制轧制温度、抢温快轧、空冷淬火以及采用常化炉开展单张钢板高温短时二次回火处理的预硬型耐蚀模具钢的制备方法。
本发明的生产工艺流程设计为：转炉冶炼+VOD+LF→模铸7.2t扁锭→钢锭红送红装加热→初轧机轧制开坯→退火→中间坯表面修磨→中间坯加热→高压水除鳞→轧制成材→单张钢板快速空冷→常化炉二次回火。
与现有技术相比，本发明通过以下技术方案予以实现。
一种预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的制备方法，包括以下步骤：
S1、初轧机抢温快轧开坯：4Cr16NiMo模具钢初轧后的中间坯加热至1250℃±10℃，开坯轧制前采用高压水除鳞，然后将中间坯冷却至开轧温度1100℃±10℃后采用粗轧机抢温快轧，终轧温度≥900℃，保证高温轧制，防止出现轧制裂纹，抢温快轧过程中控制粗轧机道次压下率≥15%，精轧机道次压下率≤10%，提高钢板心部质量，精轧机小压下量成型，提高板形平整度；开坯轧制后4Cr16NiMo模具钢板的厚度为10-50mm；
S2、空冷淬火：将步骤S1开坯轧制后的坯料出炉空冷，并且850℃降温至600℃过程的空冷速度≥10℃/min，直至坯料冷却至40-60℃；
4Cr16NiMo模具钢的奥氏体状态比较稳定，马氏体转变的临界冷却速度为1.35℃/min，10-50mm厚钢板在850℃空冷至600℃区间（珠光体转变温度范围）冷却速度≥10℃/min，钢板空冷速度大于临界冷却速度，因此轧后空冷即达到淬火效果。
4Cr16NiMo模具钢的马氏体开始转变温度Ms及马氏体终了温度Mf较低，轧制后空冷冷却至40-60℃装回火炉，既可以避免装炉温度过高未达到Mf点马氏体转变不充分，又可以避免温度过低钢板内应力过大出现开裂现象。
S3、常化炉高温短时回火：采用常化炉单张钢板高温短时间回火取代台车炉多层堆垛装炉和长时间低温保温回火工艺，使钢板变形问题得到极大的改善，同时大大提升了硬度均匀性及处理效率。
将步骤S2空冷淬火后的单张板坯依次连续送入常化炉，首先，进行一次回火，一次回火温度为700±10℃，一次回火时间为200±10min，出炉冷却到室温；然后，重复本步骤进行二次回火，二次回火温度为700±10℃，单张钢板的回火总时间为360±10min；最终，出炉冷却，制得预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板。
（1）现有技术中，钢板（厚度为10-50mm）在台车炉回火处理时，装炉时采用垫铁隔开从而保证回火炉中温度均匀性，但堆垛后的钢板表面和心部温度分布不均的现象不可避免。一方面，在660℃保温10h时，由于钢板自重及软化现象的出现导致钢板弯曲；另一方面，由于温度分布不均导致硬度分布不均。本发明采用常化炉单张钢板高温（700℃）短时间（200min）回火工艺，由于钢板下放始终有支撑，钢板上方无压力作用，高温段处理时间短，使得钢板几乎无变形；现有技术与本发明相比，钢板硬度均可保证在标准（28-33HRC）范围内，但采用常化炉处理钢板各处温度均匀，使得处理后的硬度更加均匀，可实现控制在29-32HRC。
（2）台车炉装炉量大，升温及保温时间长，处理效率低；常化炉钢板连续装炉，单块钢板处理时间短。
两种回火方式对60吨4Cr16NiMo进行两次预硬化回火处理，采用常化炉处理时间为2-3天，采用台车炉处理时间为8-9天，回火效率提升200%以上，大大提升预硬化回火效率。
进一步地，在所述步骤S1中，高压水除鳞的除鳞压力≥19MPa。
进一步地，所述4Cr16NiMo模具钢的成分及其重量百分比含量为：C：0.33-0.43%，Si：0.25-0.45%，Mn：0.50-0.70%，P：≤0.025 %，S：≤0.010%，Cr：15.00-17.00%，Ni：0.40-0.60%，Mo：0.80-1.20%，其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，所述步骤S3制得预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的硬度为29-32HRC。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
本发明适用于4Cr16NiMo模具钢中厚板的轧制及轧后热处理，通过控制除鳞压力严格控制开轧温度，抢温快轧，降低了4Cr16NiMo模具钢中厚板出现轧制裂纹的风险；通过单张钢板快速空冷淬火，减少了淬火变形，提高了淬火硬度均匀性；通过单张钢板高温短时间回火技术取代堆垛处理，提高了中厚板板形质量和硬度均匀性，硬度稳定控制在29-32HRC，同时极大的缩短了生产周期。最终实现了4Cr16NiMo预硬耐蚀模具钢中厚板的高质量、高效的生产。
附图说明
图1为现有技术中回火炉内钢板温度及钢板变形示意图；
图2为本发明中回火炉内钢板温度及钢板变形示意图；
图3为4Cr16NiMo模具钢初轧机轧制后中间坯微观组织形貌图；
图4为实施例1制得的4Cr16NiMo模具钢中厚板微观组织形貌图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
本实施例中，原料为7.2t扁锭经初轧机轧制的中间坯，厚度为175mm，板形良好，表面修磨，修磨后无氧化皮、折叠、夹杂等缺陷。
本实施例1中4Cr16NiMo模具钢的成分及其重量百分比含量为：C：0.40%，Si：0.25%，Mn：0.55%，P：0.015 %，S：≤0.001%，Cr：15.75%，Ni：0.43%，Mo：0.99%，N：0.06%，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的制备方法，包括以下步骤：
S1、初轧机抢温快轧开坯：4Cr16NiMo模具钢初轧后的中间坯加热至1240℃，坯料驻炉时间为180分钟，开坯轧制前采用高压水除鳞，高压水除鳞的除鳞压力为20MPa，然后将中间坯冷却至开轧温度1090℃后采用粗轧机抢温快轧，终轧温度900℃，抢温快轧过程中控制粗轧机道次压下率为15%，精轧机道次压下率为5%；开坯轧制后4Cr16NiMo模具钢板的厚度为30mm，幅宽为1000mm；
S2、空冷淬火：将步骤S1开坯轧制后的坯料出炉空冷，并且控制850℃降温至600℃过程的空冷速度为10℃/min，直至坯料冷却至40℃；
S3、常化炉高温短时回火：如图2所示，将步骤S2空冷淬火后的单张板坯依次连续送入常化炉，首先，进行一次回火，一次回火温度为690℃，一次回火时间为190min，出炉冷却到室温；然后，重复本步骤进行二次回火，二次回火温度为690℃，单张钢板的回火总时间为350min；最终，出炉冷却，制得预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板，其微观组织形貌如图4所示，组织均匀细小并且弥散。
本实施例1坯料轧制过程平稳顺利，成品预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板表面平整，无明显氧化皮、凹坑、折叠，板形平整，弯曲度≤4mm/m。对本实施例1制得的预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板表面进行“9点硬度检测”，9个检测点位的硬度分别为：29.0、30.0、29.5、30.5、31.0、31.0、29.5、30.0、31.0（单位为：HRC），9点硬度检测结果均在29-31HRC范围内，并且硬度均匀性较好。
本实施例2中4Cr16NiMo模具钢的成分及其重量百分比含量为：C：0.38%，Si：0.25%，Mn：0.55%，P：0.012 %，S：≤0.001%，Cr：15.85%，Ni：0.45%，Mo：0.97%，N：0.08%其余为Fe和不可避免的杂质。
一种预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的制备方法，包括以下步骤：
S1、初轧机抢温快轧开坯：4Cr16NiMo模具钢初轧后的中间坯加热至1250℃，坯料驻炉时间为180分钟，开坯轧制前采用高压水除鳞，高压水除鳞的除鳞压力为20MPa，然后将中间坯冷却至开轧温度1100℃后采用粗轧机抢温快轧，终轧温度1000℃，抢温快轧过程中控制粗轧机道次压下率为20%，精轧机道次压下率为8%；开坯轧制后4Cr16NiMo模具钢板的厚度为10mm，幅宽为1000mm；
S2、空冷淬火：将步骤S1开坯轧制后的坯料出炉空冷，并且控制850℃降温至600℃过程的空冷速度为15℃/min，直至坯料冷却至50℃；
S3、常化炉高温短时回火：如图2所示，将步骤S2空冷淬火后的单张板坯依次连续送入常化炉，首先，进行一次回火，一次回火温度为700℃，一次回火时间为200min，出炉冷却到室温；然后，重复本步骤进行二次回火，二次回火温度为700℃，单张钢板的回火总时间为360min；最终，出炉冷却，制得预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板。
本实施例2坯料轧制过程平稳顺利，成品预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板表面平整，无明显氧化皮、凹坑、折叠，板形平整，弯曲度≤4mm/m。对本实施例1制得的预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板表面进行“9点硬度检测”，9个检测点位的硬度均在29-31HRC范围内，并且硬度均匀性较好。
本实施例3中4Cr16NiMo模具钢的成分及其重量百分比含量为：C：0.35%，Si：0.25%，Mn：0.55%，P：0.014 %，S：≤0.001%，Cr：16.00%，Ni：0.45%，Mo：1.02%，N：0.10%，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的制备方法，包括以下步骤：
S1、初轧机抢温快轧开坯：4Cr16NiMo模具钢初轧后的中间坯加热至1260℃，坯料驻炉时间为180分钟，开坯轧制前采用高压水除鳞，高压水除鳞的除鳞压力为25MPa，然后将中间坯冷却至开轧温度1110℃后采用粗轧机抢温快轧，终轧温度1010℃，抢温快轧过程中控制粗轧机道次压下率为25%，精轧机道次压下率为10%；开坯轧制后4Cr16NiMo模具钢板的厚度为50mm，幅宽为1000mm；
S2、空冷淬火：将步骤S1开坯轧制后的坯料出炉空冷，并且控制850℃降温至600℃过程的空冷速度为20℃/min，直至坯料冷却至60℃；
S3、常化炉高温短时回火：如图2所示，将步骤S2空冷淬火后的单张板坯依次连续送入常化炉，首先，进行一次回火，一次回火温度为710℃，一次回火时间为210min，出炉冷却到室温；然后，重复本步骤进行二次回火，二次回火温度为710℃，单张钢板的回火总时间为370min；最终，出炉冷却，制得预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板。
本实施例3坯料轧制过程平稳顺利，成品预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板表面平整，无明显氧化皮、凹坑、折叠，板形平整，弯曲度≤4mm/m。对本实施例1制得的预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板表面进行“9点硬度检测”，9个检测点位的硬度均在29-31HRC范围内，并且硬度均匀性较好。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、初轧机抢温快轧开坯：4Cr16NiMo模具钢初轧后的中间坯加热至1250℃±10℃，开坯轧制前采用高压水除鳞，然后将中间坯冷却至开轧温度1100℃±10℃后采用粗轧机抢温快轧，终轧温度≥900℃，抢温快轧过程中控制粗轧机道次压下率≥15%，精轧机道次压下率≤10%；开坯轧制后4Cr16NiMo模具钢板的厚度为10-50mm；
S2、空冷淬火：将步骤S1开坯轧制后的坯料出炉空冷，并且850℃降温至600℃过程的空冷速度≥10℃/min，直至坯料冷却至40-60℃；
S3、常化炉高温短时回火： 将步骤S2空冷淬火后的单张板坯依次连续送入常化炉，首先，进行一次回火，一次回火温度为700±10℃，一次回火时间为200±10min，出炉冷却到室温；然后，重复本步骤进行二次回火，二次回火温度为700±10℃，单张钢板的回火总时间为360±10min；最终，出炉冷却，制得预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板。
2.根据权利要求1所述的一种预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的制备方法，其特征在于：在所述步骤S1中，高压水除鳞的除鳞压力≥19MPa。
3.根据权利要求1所述的一种预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的制备方法，其特征在于：所述4Cr16NiMo模具钢的成分及其重量百分比含量为：C：0.33-0.43%，Si：0.25-0.45%，Mn：0.50-0.70%，P：≤0.025 %，S：≤0.010%，Cr：15.00-17.00%，Ni：0.40-0.60%，Mo：0.80-1.20%，N：0.06-1.20%，其余为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的制备方法，其特征在于：所述步骤S3制得预硬耐蚀4Cr16NiMo模具钢中厚板的硬度为29-32HRC。
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