高合金熱作模具鋼的制備工藝的制作方法

本發明屬于冶金技術領域，具體涉及一種高合金熱作模具鋼的制備工藝。

背景技術：

近年來，我國每年進口高端工模具鋼約10萬噸，產值約合人民幣60億元，高昂的價格不僅增加了制造和生產成本，而且嚴重制約了我國高端模具鋼的制造能力。模具行業重點是向大型、精密、復雜、組合等模具發展，對于在航空航天、高速鐵路、電子、新能源等領域要求的高強、高韌性、耐高溫、高耐磨性材料要有重大突破。發展趨勢是在模具鋼生產工藝上，總體向高純凈度、高等向性、高韌性、高均勻性方向發展。我國雖然已經是全球第三大模具鋼生產國，但高檔次模具鋼材料幾乎全部依賴進口。特別是模具型腔部分模具用鋼在短時間內進口的格局很難改變。通過“十三五”規劃的實施，國內市場模具自配率達到85％以上，中高檔模具的比例達到40％以上，模具的使用壽命在現有的基礎上提高20％～30％。

瑞典、日本等模具鋼質量水平先進的國家,對模具鋼的組織微細化進行了研究,通過改善冶煉、高溫擴散退火、大鍛造比的等向鍛造加工方法及后續的超細化熱處理等一系列的綜合工藝技術,消除鋼中的一次碳化物、改善偏析，使二次碳化物呈球狀均勻分布在鐵素體基體上，減小了大截面模塊表面和心部橫向和縱向性能的差異，材料的等向性T/L＝0.8～0.9,(一般的為T/L＝0.4～0.6)，大大提高了模具的使用壽命。德國蒂森公司把2344EFS鋼中磷降低到≤0.003％且細晶化,則鋼的疲勞性能明顯提高，日本山陽特殊鋼公司規定高純度模具鋼中O的含量≤10ppm、S的含量≤0.001％。生產實踐證明,一般國產H13鋼制作的壓鑄模具壽命為3～5萬模次,而進口的優質H13制作的壓鑄模具壽命可達20萬次。

為此，國內企業及院所熱作模具鋼品種設計和工藝調整等方面做了很多工作，并取得了階段性成果。但與國外廠家生產的材料相比，在鋼水純凈、成分均勻性、組織細小、尺寸精確方面還存在一定的差距，表現在產品制備工藝不佳導致質量穩定性差、產品實際質量指標較低、退火組織中碳化物有明顯沿晶界分布現象。

技術實現要素：

本發明目的是提供了一種成分均勻，高使用壽命的高合金熱作模具鋼的制備工藝。

本發明通過以下技術方案實現：

一種高合金熱作模具鋼的制備工藝，包括如下步驟：

步驟1、電弧爐EBT初煉，LF精煉，VD真空除氣，澆注成高合金熱作模具鋼電極坯料；

步驟2、將步驟1制成的高合金熱作模具鋼電極坯料進行電渣重熔得到高合金熱作模具鋼電渣鋼錠，從高合金熱作模具鋼電極坯料進入結晶器中熔化的渣池開始，至高合金熱作模具鋼電極坯料從結晶器中提升，切斷電源冶煉過程完畢，根據結晶器直徑的的不同，整個重熔冶煉過程設定不同范圍的熔化速度，每小時平均熔化速度(kg/h)＝結晶器平均直徑D(mm)×A，A＝0.80～0.82(kg/h×mm)；

步驟3、將步驟2制成的高合金熱作模具鋼電渣鋼錠進行高溫均質化處理，得到高合金熱作模具鋼均質化鋼錠；

步驟4、將步驟3得到的高合金熱作模具鋼均質化鋼錠進行鍛造處理，得到高合金熱作模具鋼鍛造鋼錠；

步驟5、將步驟4得到的高合金熱作模具鋼鍛造鋼錠進行淬火處理，淬火處理后進行2個溫度段的退火處理，得到高合金熱作模具鋼預備成品；

步驟6、將步驟5得到的高合金熱作模具鋼預備成品進行表面車削，探傷檢驗后得到高合金熱作模具鋼成品。

本發明所述的高合金熱作模具鋼的制備工藝，步驟1中真空精煉保持真空度為67帕以下，保持時間15min，破真空后通氬氣15min。

本發明所述的高合金熱作模具鋼的制備工藝，步驟3中高溫均質化處理包括如下步驟：

步驟a：高溫處理階段，加熱溫度1230℃～1250℃，保溫時間根據高合金熱作模具鋼電渣鋼錠的直徑分別設定，直徑≤720mm，保溫時間45～50h，720mm＜直徑≤865mm，保溫時間53～57h，865mm＜直徑≤935mm，保溫時間63～67h；

步驟b：次高溫處理階段，降低溫度至1180℃～1200℃次高溫段，保持溫度時間1.5～2.0h。

相比于現有工藝只在高溫段加熱溫度為1200℃保持一定時間后，將鋼錠從加熱爐中取出進行鍛造。現有工藝加熱溫度較低，不能很好地改善鋼錠鑄態下成分的不均勻現象，同時，現有工藝在高溫段鋼錠保溫時間較短，且用鋼錠重量確定保溫時間，鋼錠高溫均勻化效果不理想，達不到預期效果。

相比于現有的根據電渣鋼錠重量的不同設定不同范圍的熔化時間，本發明是通過高合金熱作模具鋼電渣鋼錠的直徑設定高溫處理時間，保溫時間根據高合金熱作模具鋼電渣鋼錠的直徑分別設定，直徑≤720mm，保溫時間48h，720mm＜直徑≤865mm，保溫時間55h，865mm＜直徑≤935mm，保溫時間65h。原工藝以鋼錠重量為設計依據來規定熔化時間，沒有考慮到結晶器直徑這個重要參數。因為生產同一重量的鋼錠，可以用不同直徑的結晶器。電渣重熔的目的是進一步提純鋼液，并使鋼錠的凝固結構得到有效控制。所以結晶器直徑是關鍵參數。

本發明所述的高合金熱作模具鋼的制備工藝，步驟4中的鍛造處理階段，鍛造采用3次鐓粗與3次拔長方式操作，鐓粗比控制在40％～50％，鐓粗比＝鐓粗后鋼錠高度/鐓粗前鋼錠高度。相比與現有工藝鍛造時采用2次鐓粗與2次拔長方式操作，鋼錠內部的碳化物被破碎程度還欠缺。而且現有工藝鐓粗比值的計算方法是用鋼錠橫截面積計算，實際操作過程中計算很不方便，本發明通過鐓粗高度比控制在40％～50％，精準控制鐓粗過程。

本發明所述的高合金熱作模具鋼的制備工藝，步驟5中的淬火處理階段，淬火溫度為1040℃～1050℃，時間為12～16h。本發明提高了淬火溫度，使得合金化合物固溶效果增強。

本發明所述的高合金熱作模具鋼的制備工藝，步驟5中的退火處理階段是，將淬火加熱的高合金熱作模具鋼鍛造鋼錠從加熱爐中取出，迅速冷卻到300～350℃，進行2個溫度段退火處理，第一個退火處理溫度段為870～890℃，處理時間為20～25h，第二個退火處理溫度段為730～750℃，處理時間為90～95h。能夠使球化組織均勻細化。

本發明所述的高合金熱作模具鋼的制備工藝，高合金熱作模具鋼中的Cr含量為10％～15％。通過本發明制備工藝后的高合金熱作模具鋼，球化組織達到AS1～AS4級，非金屬夾雜物總和≤2.0級，無缺口沖擊功大于200J，材料的等向性T/L≥0.80。碳化物分布細小、彌散，模具使用壽命長。

本發明在電渣重熔冶煉過程中，以結晶器直徑作為關鍵參數，通過其設定冶煉過程平均熔化速度，由平均熔化速度控制結晶器內鋼水熔池形狀，以此達到預想的鋼水凝固結構；通過提高鋼錠加熱溫度與高溫段保持時間，來大幅度改善鋼錠成分的不均勻性，為得到超細化組織與高的沖擊韌性做準備；鍛造采用3次鐓粗與3次拔長方式操作，可使鋼錠內部的碳化物被破碎程度加大，使球化組織及性能得到提高；鐓粗比值的計算方法采用鋼錠鐓粗前后高度的比值，可使操作簡便并且鐓粗目的與效果易于實現；將鍛造完畢后球化的熱處理溫度給予提高，可在保留一定碳化物的基礎上，合金元素溶入奧氏體內增多，球化效果得到提高，為后續的加工及再次熱處理做好基礎；鍛造完畢后的淬火加熱、冷卻及退火可使球化組織均勻細化。

附圖說明

圖1為本發明具體實施方式一中制備的高合金熱作模具鋼的球化組織的500倍的金相照片。

具體實施方式

具體實施方式一：

一種高合金熱作模具鋼的制備工藝，包括如下步驟：

步驟1、電弧爐EBT初煉，LF精煉，VD真空除氣，澆注成高合金熱作模具鋼電極坯料；

步驟2、將步驟1制成的高合金熱作模具鋼電極坯料進行電渣重熔得到高合金熱作模具鋼電渣鋼錠，從高合金熱作模具鋼電極坯料進入結晶器中熔化的渣池開始，至高合金熱作模具鋼電極坯料從結晶器中提升切斷電源冶煉過程完畢，根據結晶器直徑的的不同，整個重熔冶煉過程設定不同范圍的熔化速度，每小時平均熔化速度(kg/h)＝結晶器平均直徑D(mm)×A，A＝0.80～0.82(kg/h.mm)；

步驟3、將步驟2制成的高合金熱作模具鋼電渣鋼錠進行高溫均質化處理，得到高合金熱作模具鋼均質化鋼錠；

步驟4、將步驟3得到的高合金熱作模具鋼均質化鋼錠進行鍛造處理，得到高合金熱作模具鋼鍛造鋼錠；

步驟5、將步驟4得到的高合金熱作模具鋼鍛造鋼錠進行淬火處理，淬火處理后進行2個溫度段的退火處理，得到高合金熱作模具鋼預備成品；

步驟6、將步驟5得到的高合金熱作模具鋼預備成品進行表面車削，探傷檢驗后得到高合金熱作模具鋼成品。

本實施方式中步驟1中真空精煉保持真空度為67帕以下，保持時間15min，破真空后通氬氣15min。

本實施方式中步驟3中高溫均質化處理包括如下步驟：

步驟a：高溫處理階段，加熱溫度1250℃，保溫時間根據高合金熱作模具鋼電渣鋼錠的直徑分別設定，直徑＝720mm，保溫時間48h；

步驟b：次高溫處理階段，降低溫度至1200℃次高溫段，保持溫度時間2.0h。

本實施方式中步驟4中的鍛造處理階段，鍛造采用3次鐓粗與3次拔長方式操作，鐓粗比控制在40％，鐓粗比＝鐓粗后鋼錠高度/鐓粗前鋼錠高度。

本實施方式中步驟5中的退火處理階段，淬火溫度為1050℃，時間為12h；將淬火加熱的高合金熱作模具鋼鍛造鋼錠從加熱爐中取出，迅速冷卻到300～350℃，進行2個溫度段退火處理。第一個退火處理溫度段為890℃，處理時間為16h，第二個退火處理溫度段為740℃，處理時間為95h。

本實施方式中高合金熱作模具鋼中的Cr含量為10％～15％，通過本實施方式制得的高合金熱作模具鋼球化組織達到AS1～AS4級，非金屬夾雜物總和≤2.0級，無缺口沖擊功大于200J，材料的等向性T/L≥0.80。本實施方式制備的球化組織的500倍的金相照片如附圖1所示。從附圖1中可以看出，高合金熱作模具鋼球化組織達到AS1～AS4級。

具體實施方式二：

根據具體實施方式一的高合金熱作模具鋼的制備工藝，10％Cr含量的熱作模具鋼是在H13鋼種的基礎上，增加Ni和Wo元素含量，Cr元素含量增加了5％，由于合金含量增加，在電渣鋼錠內部易產生嚴重的成分偏析，鋼錠在鍛造加工時熱塑性性能較差，生產制造難度較大。材質本身碳化物網狀、帶狀、液析以及夾雜物、氣體、探傷等要求指標都很嚴格。根據此鋼種自身特性，合理制定電渣鋼錠在鍛造加工前高溫均勻化溫度和時間，在鍛造加工時采用多向鍛造的鍛造方式，使碳化物得到一定程度的破碎及改善纖維方向，鍛后進行超細化球化退火處理，最終使模具的使用壽命得到提升，綜合效益得到提高。

具體實施方式三：

根據具體實施方式一的高合金熱作模具鋼的制備工藝，針對10％Cr含量熱作模具鋼的成品化學成分要求，并考慮進行電渣重熔時易燒損元素的燒損量，首先設定了該鋼種的內控坯料成分。

鋼的冶煉選擇爐料時要嚴格控制有害元素Pb、Sn、As、Sb、Bi含量。化學元素P及鋼水溫度合適時全扒渣，且保證足夠的扒渣量。當脫氧良好，渣子變白，出鋼溫度合適時出鋼，出鋼同時吹氬。鋼包到LF精煉位后給電升溫，加熱一定時間后取樣，根據分析結果調整成分符合要求。當鋼液溫度適宜，渣子白、脫氧良好后進行真空精煉。真空度在67帕以下，保持15分鐘，破真空后弱吹氬15分鐘。澆注電極坯料，在生產過程中選擇合適的澆鑄溫度和澆鑄速度。電極坯料退火，退火出爐后清理，進行電渣重熔。

具體實施方式四：

根據具體實施方式一的高合金熱作模具鋼的制備工藝，電渣重熔時，首先要加強對渣料的烘烤，確保渣料的加熱溫度和加熱時間；且在化渣時，渣料要均勻地分批加入，以保證化渣質量，渣化清后方可進入精煉期。尤其要注意補縮期操作的控制，以保證實現縮孔深度最小、體積最小，提高電渣鋼錠的成材率。電渣重熔過程中根據鋼錠錠型大小合理的控制熔化速度，保證熔化速度均衡穩定。電渣鋼錠退火處理，退火后進行清理取樣，然后轉到鍛造廠進行加熱、鍛造工序。

具體實施方式五：

電渣鋼錠裝入待料爐預熱，在升至鍛造溫度后，進行高溫均勻化處理，其目的是為了改善或消除在冶金過程中形成的成分不均勻性，保溫后進行鍛造。10％Cr含量鋼其鍛造特性比較差。采用鐓粗、拔長的鍛造方式，滿足鍛造比≥3的要求，充分破碎粗大的樹枝狀碳化物。鍛造過程中關鍵控制高溫擴散的溫度和保溫時間、鍛造每火次的返爐保溫溫度和時間、每火次的變形量和終鍛溫度的控制。

鍛后熱處理實際上是預備熱處理，其重點是要完成以下任務：一是消除網狀碳化物，二是消除應力軟化組織得到超細化球狀珠光體組織，因此熱處理工藝曲線主要由二個部分組成：淬火+超細化球化退火。