CN101713052A - 非淬火高强韧性冷作工模具钢及生产工艺 - Google Patents

Abstract

一种非淬火高强韧性冷作模具钢，属于冶金制造技术领域。主要是对产品成份配方进行了优化和创新，通过添加合金元素和轧制及冷细化组织，采用电炉加电渣重熔精炼与多次大锻比锻造和特殊热处理工艺，开发出新型冷作模具钢。制造工艺流程包括：选定化学成份范围→根据化学成份范围制定配料方案→中频冶炼→电渣重熔(精炼)→退火→下料→扩氢→锻造→正火+回火处理→机械加工→检验。其重点制造工艺步骤：(1)精炼、(2)锻造、(3)扩氢处理、(4)正火回火处理，获得非淬火高强韧性冷作模具钢。本发明化学成份配比合理，制造成本低，合金化效果好；锻造比变大，金属组织的致密度良好；本体的强韧性能指标高。产品各相性能指标均达到或超过了国内外同类产品水品。

Description

非淬火高强韧性冷作工模具钢及生产工艺

技术领域

本发明属于冶金制造技术领域。

背景技术

近几年，随着模具工业的迅猛发展，为国产模具钢提供了一个巨大的市场，带动了国内模具钢的产量、品种、规格及品质水准的提高。我国冶金行业研制开发和引进了大量模具行业所需的钢种，但国产模具钢无论在品种还是质量上仍难以全部满足国内模具市场的需求。目前国产现行冷作模具钢只有Cr12、Cr12MoV、CrWMn、9CrSi、T10等几个牌号钢种。

由于现行冷作模具钢其合金元素C、Cr、Mo、V及含碳量较高，导致制造成本较高，且容易产生严重的网状碳化物，影响使用性能。例如Cr12MoV的成分配方为：C：1.45％-1.70％；Si：≤0.4％；Mn：≤0.35％；Mo：0.4％-0.6％；P≤0.02％；S≤0.01％；Cr：11％-12.5％；V 0.15％-0.3％；余为Fe。单从化学成分来讲，贵重金属元素Cr、Mo、V的含量较高，这样就大大增加了模具钢的制造成本，对节能降耗带来不利的影响；同时须经复杂热处理工艺后才能使用。此类冷作模具钢属于莱氏体钢，由于C含量较高，碳化物分布不均匀，钢在热加工过程中，共晶碳化物被破碎，呈网状分布的碳化物变成颗粒状的碳化物并沿着变形方向延长产生了带状碳化物。Cr12MoV系列钢的碳化物不均匀性包括网状共晶碳化物和带状碳化物：网状共晶碳化物的存在使钢的韧性明显降低，带状碳化物使钢材的力学性能和物理性能出现明显的各向异性，碳化物分布不均匀使钢的磨削性和研磨性都很差，热加工和淬火裂纹形成的倾向性增大，从而导致其使用过程中经常开裂。另外，此类模具钢在淬火过程中，使用的淬火油对坏境保护也带来了不利的影响。

发明内容：

本发明的目的是提供一种非淬火高强韧性冷作工模具钢及生产工艺，以解决现有技术合金元素C、Cr、Mo、V含量较高；制造成本较大；容易产生严重的网状碳化物，影响使用性能；且需经复杂热处理工艺后才能使用；污染环境等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是对产品成份配方进行了优化和创新，所采用原材料配方(质量分数w％)为：

C：0.45％-0.48％；Si：1.50％-1.80％；Mn：2.20％-2.55％；Ni：0.30％-0.45％；Mo：0.15％-0.25％；P≤0.02％；S≤0.01％；Ti：0.1％-0.3％；Cu≤0.15％；Cr：1.3％-1.4％，工业纯铁92.77-94％。

该非淬火高强韧性冷作工模具钢，主要是通过添加合金元素和轧制及冷细化组织，采用电炉加电渣重熔精炼与多次大锻比锻造和特殊热处理工艺，开发出新型冷作模具钢，具有钢质纯净、组织均匀、高强韧性等特点。冷作模具钢用来制造在冷态下使金属塑性变形的工模具。是一种既耐磨又具有高强韧性的工模具材料，即在使用中具有很高的抗裂、抗剥落、抗冲击等性能。

制造工艺流程包括：制定配料方案→中频冶炼→电渣重熔(精炼)→退火→下料→扩氢→锻造→正火+回火处理→机械加工→检验。

其重点制造工艺如下：

(1)精炼：采用电渣重熔，提高钢材的纯净度。电渣重熔工艺参数为：

a、渣系：采用四元素非标准渣系，即氧化铝20％-35％，氧化钙提高10％-12％，氟化钙提高50％-60％，氧化硅减少3％-5％

b、渣量：提高电渣重熔的渣量，由正常状态下的80mm-100mm提高到100mm-120mm。

c、电流：电流的大小决定了生产效率和产品质量，电流越大生产效率越高，而对产品质量却产生不利影响，所以电流强度比冶炼常规合金钢降低10％-12％。

d、电压：电压控制在50V-60V，比冶炼常规模具钢低2％。

e、填充比：将填充比控制在0.35-0.4之间，比冶炼常规模具钢减小10％左右。

f、结晶器水温：结晶器出口水温控制在30℃-60℃之间。

(2)锻造：锻造比≥8，其中镦粗比≥4，有利于细化晶粒，改善组织。其工艺参数为：

a、加热：装炉温度≤400℃，加热至850℃保温(按0.25分钟/mm)，升至1250℃再次保温(按0.3分钟/mm)，被加热工件表芯温度差≤30℃，升温速度≤10℃/分钟。

b、始锻温度：1200℃-1250℃

c、终端温度：800℃-850℃

d、锤击力量：按轻-重-轻的原则。

(3)扩氢处理：为了去除钢中氢和其它有害气体的含量，采用以下扩氢处理工艺：

室温装炉，升温至600-700℃进行保温，升温速度为≤10℃/分钟；然后进行保温，保温时间按工件的厚度计算，2.5分钟/mm；保温完成后，随炉冷却，至室温后出炉。

(4)正火+回火处理：为了得到均匀的贝氏体组织，提高强韧性能，非淬火模具钢的正回火工艺如下：

I  正火

室温装炉，升温至900-920℃进行保温，升温速度为≤14℃/分钟；然后进行保温，保温时间按工件的厚度计算，0.25分钟/mm；保温完成后，出炉空冷至室温。

II  回火

室温装炉，升温至200-350℃保温，升温速度为≤14℃/分钟；然后进行保温，保温时间按工件的厚度计算，0.3分钟/mm；保温完成后，出炉空冷至室温。

采用本发明的积极效果是：

1、化学成份配比合理，合金化效果好；制造成本低；锻造比变大；金属组织的致密度良好；本体的强韧性高。具体指标是：

抗弯强度：σbb≥3500MPa

屈服强度：σs≥1200MPa

延伸率：δ5：≥50％

冲击韧性：aku：≥80J.cm-2(室温)

硬度：HRC：≥55HRC

使用寿命：比传统模具钢提高50％以上

焊接性能：CE≤0.25％

PC≤0.25％

2、新型非淬火高强韧性冷作工模具钢采用独创的合金成份设计，即根据钢的合金化成分设计原理并结合我国资源与冶金技术的实情，研制高性能、长寿命、节约资源(尽量少用贵重合金元素)的新钢种。具有如下特点：

a.采用电渣重熔技术冶炼，提高钢的纯净度、致密度、均匀性和质量稳定性。

b.锻造后正火得到贝氏体和马氏体组织，不经淬火处理，可达到预性能，免除传统的淬火工序，简化生产工序，减少模具变形开裂，节约能源；

c.产品性能具有高强度、高韧性和高耐磨性；具有显著的经济效益。

d.新型非淬火高强韧性冷作模具钢与国内目前使用较多的冷作模具钢Cr12MoV相比，具有碳和稀贵合金元素钼钒的含量较低，钢的纯净度高，成分均匀，强韧性高等特点。

该非淬火高强韧性冷作模具钢解决了现行冷作工模具钢(Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、9CrSi、T10等)由于韧性低，易于开裂、折断等损坏问题，提高其产品的使用寿命，同时降低钢材成本，简化工艺过程，降低加工过程中的能耗(煤、电)，降低产品的制造加工难度，减少环境污染。

具体实施方式

实施例一  用于冷剪切刀片

9CrSi是常用的冷作工模具钢，使用该钢制造的冷剪刀片，原模具加工流程为：冶炼→锻造→球化退火→粗车→精加工→淬火回火→磨削→时效→精磨。最终热处理为870℃加热淬火，200℃回火，冷剪刀片在使用中常因压塌、崩刃或剥落早期失效，寿命较短。将其改用非淬火高强韧性冷作工模具钢经锻后900℃正火，300℃回火后其硬度比常规将3～5HRC，但断裂韧度K_IC提高近20％。在600t棒材剪切机上应用表明，正火加低温回火处理的刀片平均剪切废钢15467t/副，常规退火刀片平均切废钢2570t/副。用于剪切φ12～φ15mm螺纹钢、φ18～φ22mm碳素工具钢和φ12～φ25mm普通碳钢时，后者比前者使用寿命提高1倍。具体材料成份及制造工艺参数如下：

1、制定配料方案(质量分数w％)：

Mn：2.3-2.4％，Cr：1.2-1.4％，Ni：0.35-0.45％，Mo：0.15-0.25％，Ti：0.15-0.25％，Si：1.5-1.8％，C：0.45-0.48％，工业纯铁93.45-94.35％。对上述原材料应进行检验，其纯度不应低于99.9％。

2、中频冶炼：使用碱性炉衬，使用前进行烘烤，烘烤温度200-300℃，烘烤时间6-8小时。除Mn之外，其余原料放入炉中。出炉前三十分钟再将Mn放入炉中。出炉前取样检验，检验设备用直读式光谱，检验结果符合化学成份要求时，出炉浇筑，出炉温度1580-1600℃，浇筑成Φ300的电极锭。保留炉前试样。

3、精炼(电渣重熔)：

a、渣系组成：氧化铝50kg，氧化钙20kg，氟化钙80kg，氧化硅5kg。

b、渣量：120mm

c、电流：起弧电流≤2000A，正常熔炼电流8000-8500A，补缩电流3000-3500A。

d、电压：电压控制在55V。

e、填充比：0.36

f、结晶器水温：结晶器出口水温控制在40℃-60℃之间。

g、钢锭保温扩氢：钢锭出模后及时转入保温炉保温，保温温度控制在700-720℃，保温时间不小于12小时。

4、退火处理：

工艺如下：钢锭室温装炉，按14℃/分钟升温速度升温至500℃，进行保温，保温时间为2小时；然后进行第二次升温，按14℃/分钟升温速度升温至870℃，进行第二次保温，保温时间为4小时；随炉冷却至300℃出炉。

5、下料：使用高速金属带锯，根据工件重量下料。

6、锻造：

a、锻造比＝8，其中镦粗比4，制坯时镦拔三次。

b、加热：装炉温度≤400℃，加热至850℃保温(按0.25分钟/mm)，升至1250℃再次保温(按0.3分钟/mm)，被加热工件表芯温度差≤30℃，升温速度≤10℃/分钟。

c、始锻温度：1200℃-1250℃。

d、终端温度：800℃-850℃。

e、锤击力量：按轻-重-轻的原则。

7、扩氢处理工艺：

室温装炉，升温至700℃进行保温，升温速度为10℃/分钟；然后进行保温，保温时间12小时；保温完成后，随炉冷却，至室温后出炉。

8、锻后正火、回火处理

工艺如下：

I  正火：

室温装炉，升温至910℃进行保温，升温速度为14℃/分钟；然后进行保温，保温时间1小时，出炉空冷至室温。

II  回火：

室温装炉，升温至300℃保温，升温速度为14℃/分钟；然后进行保温，保温时间2小时保温完成后，出炉空冷至室温。

9、机械加工：根据客户图纸尺寸加工至400×200×40。

10、检验试验：

a、外形尺寸检验：用游标卡尺及样板检验，符合图纸尺寸即可。

b、硬度：按GB/T230-2004进行检验。

c、超声波探伤：按GB/T74163-1984进行检验。

d、性能试验及气体含量检验：按200件为一批，随机抽检1件进行性能试验及气体含量检验，合格则判定为批合格，否则加倍试验。

实施例二  用于冷挤压模

某厂旋压模用Cr12MoV制造。原模具加工流程为：冶炼→锻造→球化退火→粗车→精加工→淬火回火→磨削→时效→精磨。模具硬度为HRC52-55，寿命只有几百件，皆系脆性开裂而失效。改用非淬火高强韧性冷作工模具钢经锻后850℃正火，250℃低温回火后其硬度比Cr12MoV提高3～5HRC，但断裂韧度K_IC提高近20％从而提高了模具的韧性，模具最终硬度为HRC，使其脆性进一步降低，模具寿命提高到轧制2000多件，达到了进口模具的水平。具体材料成份及制造工艺参数如下：

1、制定配料方案(质量分数w％)：

Mn：2.3-2.4％，Ni：0.35-0.4％，Mo：0.15-0.25％，Ti：0.15-0.25％，Cr：1.3-1.4％，Si：1.5-1.8％，C：0.45-0.48％，工业纯铁93.02-93.8％，对上述原材料应进行检验，其纯度不应低于99.9％。

2、中频冶炼：与应用实例1相同。

3、精炼(电渣重熔)：与应用实例1相同。

4、退火：与应用实例1相同。

5、下料：与应用实例1相同。

6、锻造：与应用实例1相同。

7、扩氢处理：与应用实例1相同。

8、锻后正火、回火处理

工艺如下：

I  正火：

室温装炉，升温至850保温，升温速度为14℃/分钟；然后进行保温，保温时间1小时，出炉空冷至室温。

II  回火：

室温装炉，升温至250℃保温，升温速度为14℃/分钟；然后进行保温，保温时间2小时保温完成后，出炉空冷至室温。

9、机械加工：φ240×40(需方图纸)

10、检验试验：与应用实例1相同。

本产品对影响其性能的气体含量做了规定：N≤60PPm    H≤1PPm    O≤25PPm。控制气体含量更有利于提高焊接性能。

Claims (2)

1.一种非淬火高强韧性冷作工模具钢，其特征是原料配方配比为：C：0.45％-0.48％；Si：1.50％-1.80％；Mn：2.20％-2.55％；Ni：0.30％-0.45％；Mo：0.15％-0.25％；P≤0.02％；S≤0.01％；Ti：0.1％-0.3％；Cu≤0.15％；Cr：1.3％-1.4％，工业纯铁92.77-94％。

2.一种非淬火高强韧性冷作工模具钢生产工艺，制造工艺流程包括：制定配料方案→中频冶炼→电渣重熔(精炼)→退火→下料→扩氢→锻造→正火+回火处理→机械加工→检验，其特征是重点制造工艺如下：

(1)精炼：采用电渣重熔，提高钢材的纯净度。电渣重熔工艺参数为：

a、渣系：采用四元素非标准渣系，即氧化铝20％-35％，氧化钙提高10％-12％，氟化钙提高50％-60％，氧化硅减少3％-5％；

b、渣量：提高电渣重熔的渣量，由正常状态下的80mm-100mm提高到100mm-120mm；

c、电流：电流的大小决定了生产效率和产品质量，电流越大生产效率越高，而对产品质量却产生不利影响，所以电流强度比冶炼常规合金钢降低10％-12％；

d、电压：电压控制在50V-60V，比冶炼常规合金钢低2％；

e、填充比：将填充比控制在0.35-0.4之间，比冶炼常规合金钢减小10％左右。

f、结晶器水温：结晶器出口水温控制在30℃-60℃之间。

(2)锻造：锻造比≥8，其中镦粗比≥4，有利于细化晶粒，改善组织。其工艺参数为：

a、加热：装炉温度≤400℃，加热至850℃保温(按0.25分钟/mm)，升至1250℃再次保温(按0.3分钟/mm)，被加热工件表芯温度差≤30℃，升温速度≤10℃/分钟；

b、始锻温度：1200℃-1250℃；

c、终端温度：900℃-950℃；

d、锤击力量：按轻-重-轻的原则。

(3)扩氢处理：为了去除钢中氢和其它有害气体的含量，采用以下扩氢处理工艺：

室温装炉，升温至600-700℃进行保温，升温速度为≤10℃/分钟；然后进行保温，保温时间按工件的厚度计算，2.5分钟/mm；保温完成后，随炉冷却，至室温后出炉；

(4)正火、回火：为了得到贝氏体马氏体组织，达到预期性能寿命，热处理工艺如下：

I  正火

室温装炉，升温至850-920℃进行保温，升温速度为≤14℃/分钟；然后进行保温，保温时间按工件的厚度计算，0.25分钟/mm；保温完成后，出炉空冷至室温；

II  回火

室温装炉，升温至200-350℃保温，升温速度为≤14℃/分钟；然后进行保温，保温时间按工件的厚度计算，0.3分钟/mm；保温完成后，出炉空冷至室温。