CN102312172B - 高强韧性抗回火b3r热作模具钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强韧性抗回火4Cr3MoWVNi（B3R）热作模具钢及制备工艺，其原料成分含量及重量百分比：C：0.35-0.42%；Si：0.15-0.35%；Mn：0.3-0.5%；Cr：2.50-3.50%；Mo：1.00-1.50%；W：0.50-0.80%；V：0.50-0.80%；Ni：1.45-1.85%；S：0.003-0.010%；P：0.008-0.018%；Fe：余量。制备工艺步骤包括：中频冶炼—电渣重熔（精炼）—电渣锭扩氢、退火处理—锻造—锻坯退火—粗加工—真空热处理，完成第二次回火后获得模具钢新产品。本发明制得的热作模具钢具有较高的洛氏硬度，冲击韧性、抗回火（热疲劳）性能优良；具有配比优化、钢质纯净、组织均匀、高强度、强韧性、抗回火性能好等优点。
Description
技术领域
本发明属冶金工艺技术领域，涉及一种新型热作模具材料。
背景技术
热作模具分为锤锻、模锻、挤压和压铸几种主要类型，包括热锻模、压力机锻模、冲压模、热挤压模和金属压铸模等。热作模具的工作条件相当复杂和恶劣，在工作中除要承受巨大的机械应力外，还要承受反复受热和冷却所引起的热应力。因此，由于其工作环境及其使命的决定，对热作模具的材料即热作模具钢就提出了更高的要求：热作模具钢除应具有高的硬度、强度、耐磨性和韧性外，还应具有良好的高温强度、热疲劳稳定性、导热性和耐蚀性，此外还要求具有较高的淬透性和抗回火性能，以保证整个截面具有一致的力学性能。
我国现行常用热做模具钢大致有：4Cr5MoSiV1（H13）、3Cr2W8V、3Cr2MoWVNi（B3）等。
4Cr5MoSiV1（H13）热作模具钢是我国最常用的热作模具钢，它具有良好的韧性、抗冷热疲劳性能和抗液体金属冲蚀性能，但是其工作温度却局限于630℃以下，由于Cr、Mo、V贵重元素的含量偏高，导致制造成本也较高，同时其抗回火（热疲劳）性能较差；3Cr2W8V是一种传统的热做模具钢，3Cr2MoWVNi（B3）是一种新型常用的热作模具钢，它们均具有高热强性的特点，即抗回火性能比较高，工作温度可以达到650℃左右，且具有良好的锻造、机械加工和热处理工艺性能，但它们的化学成分配比合金化效果不是太优良，它们的锻造性能、冷热疲劳性能较差、冲击韧性较差，模具常会因为发生龟裂、开裂，从而导致模具早期失效报废，特别是采用水为冷却介质时，此现象更为突出，同时这两种材料制作的模具热疲劳性能也比较低下。
因此，目前的国内热作模具钢技术领域，急需开发出一种具有良好机械性能、强度、冲击韧性和抗回火（热疲劳）性能的新型热作模具钢材料，它须比现行热作模具钢4Cr5MoSiV1（H13）、3Cr2W8V、3Cr2MoWVNi（B3）具有更高的综合性能、应用范围更广范的优点，因为模具乃工业之母，所以在工业制造领域及模具技术领域具有十分重要的意义，也将会带来良好的经济效益和社会效益。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强韧性抗回火4Cr3MoWVNi（B3R）热作模具钢及其制备方法，以解决现有技术产品温度局限于630℃以下，制造成本高，抗回火（热疲劳）性能较差；冷热疲劳性能较差、冲击韧性较差，致使模具发生龟裂、开裂，从而导致模具早期失效报废等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是改进热作模具钢原料成分配比及制备方法，原料成分配比相对H13提高了C、W、Ni的含量，降低了Cr、Mo、V的含量；相对3Cr2W8V、3Cr2MoWVNi（B3）提高了C、Cr、Ni的含量，降低了S、P有害元素的含量，获得高强韧性抗回火4Cr3MoWVNi（B3R）热作模具钢，使成分配方更趋于合理优化，降低了材料的制造成本，提高了锻造性能和韧性，为通过后续工艺的处理得到良好的综合性能奠定基础。本发明的制备工艺中同时采用了电渣重熔、电渣锭扩氢、锻造、真空热处理等先进技术，使产品的优良综合性能得以实现。其原料成分含量及重量百分比为：C：0.35-0.42%；Si：0.15-0.35%；Mn：0.3-0.5%；Cr：2.50-3.50%；Mo：1.00-1.50%；W：0.50-0.80%；V：0.50-0.80%；Ni：1.45-1.85%；S：0.003-0.010%；P：0.008-0.018%；Fe：余量。制备方法步骤如下：
（1）中频冶炼：
按照上述化学成分配方配料，投入中频感应炉中，投炉前将所采用的碱性炉衬500℃烘干3小时，待所投炉料完全均匀熔化后，出炉浇铸成电极锭，钢水出炉温度控制在1550-1580℃，所浇铸成的电极锭，转入下一步骤使用；
（2）电渣重熔（精炼）：
将上述电极锭进行电渣重熔，得到电渣锭，以达到合金精炼、降低气体含量和夹杂物质、获取化学成分均匀、组织致密的电渣重熔钢锭，其工艺参数如下：
四元素渣系配比：氧化铝32-34%；氧化钙15-17%；氟化钙45-47%；氧化硅2-8%；
电压：电渣重熔冶炼时电压控制在55-65V;
电流：由于电流的大小决定熔炼速度，而熔炼速度过快会导致电渣锭的内部疏松，所以将电流控制在7500-8000A范围之内；
熔炼填充比：控制在0.45-0.5之间；
结晶器出水水温：控制在45-65℃之间；
（3）电渣锭扩氢、退火处理：
将上述电渣锭装炉后升温至845-855℃保温6个小时，随炉冷却至715-725℃保温10个小时，然后随炉冷至675-685℃保温10个小时，保温完成后随炉冷至400℃以下出炉，完成电渣锭扩氢、退火处理，达到进一步均匀组织、去除钢中氢气含量，提高钢材综合性能的目的；
（4）锻造：
将上述扩氢、退火处理后的电渣锭室温装炉，加热到650-680℃保温45-60分钟；再次升温至950-1000℃保温45-60分钟；完成后再次升温加热，加热至1150-1180℃保温20-30分钟；出炉锻造，始锻温度1150℃，经多次镦拔锻造，锻比≥7，终锻温度控制在900-930℃，锻造完成后将锻坯转入保温炉保温；
（5）锻坯退火：
将上述锻坯由保温炉转入球化退火炉；升温至860-880℃保温8小时，随炉冷至400℃以下出炉，完成锻坯的退火；
（6）粗加工：
将上述退火后的锻坯通过金属带锯床、铣床等传统机加工设备完成锻坯的粗加工，达到订单或设计要求几何尺寸；
（7）真空热处理：
淬火：
将粗加工好的料坯装进真空淬火炉后加热至545-555℃保温，保温时间视料坯厚度而定，按0.25分钟/mm计算；保温完成后进行第二阶段升温，升温至875-885℃保温，保温时间视料坯厚度而定，按0.3分钟/mm计算；二次保温完成后进行第三次升温，升温至1025-1035℃保温，保温时间视料坯厚度而定，按0.3分钟/mm计算；保温完成后预冷2-3分钟下油淬火，油温控制在35-50℃，待工件冷至150-180℃出炉，立即转入下工序回火；
b、回火：
将上述已淬火的工件立即装入真空回火炉，升温至565-575℃保温6小时，出炉空冷至室温，完成第一次回火；待工件冷至室温后，再次装入真空回火炉，加热至545-555℃保温6小时出炉空冷至室温，完成第二次回火；最终制得本发明4Cr3MoWVNi（B3R）热作模具钢。
本发明在工艺方法上采用了电渣重熔，使材料得到了二次精炼，降低了钢材中的非金属夹杂物质和有害气体含量，同时可以实现降低钢材中的有害元素硫，改善了电渣重熔钢锭的宏观和微观组织，得到了化学成分均匀、组织致密的优质的钢材；同时本发明采用了先进的真空热处理工艺技术，使本发明的淬火后材料得到了均匀的洛氏硬度和良好的冲击韧性，并无表面脱碳层，提高了材料的综合性能。
采用本发明制得的热作模具钢具有较高的洛氏硬度，抗回火（热疲劳）性能也较优良，同时也具有良好的冲击韧性，解决了现行常用4Cr5MoSiV1（H13）热作模具钢抗回火（热疲劳）性能较差；3Cr2W8V、3Cr2MoWVNi（B3）冲击韧性较差所带来的不利影响，集以上三种材料的优点，是一种新型的优质热作模具钢。具有配比优化、钢质纯净、组织均匀、高强度、强韧性、抗回火性能好等优点。
附图说明
在本发明的实施过程中，我们做了大量相对4Cr5MoSiV1（H13）、3Cr2W8V、3Cr2MoWVNi（B3）比对实验，得到了以下图示结论：
附图1、附图2是本发明和现行常用4Cr5MoSiV1（H13）、3Cr2W8V、3Cr2MoWVNi（B3）热作模具钢采用各自淬火工艺淬火后，在相同回火温度条件下同对这几种热作模具钢的硬度和冲击韧性的比对结果：
图1是本发明在相同回火温度条件下与4Cr5MoSiV1（H13）热作模具钢的硬度比较图，由图中试验结果可以看出，本发明比现行常用4Cr5MoSiV1（H13）热作模具钢有较好的抗回火性能。
图2是本发明与3Cr2W8V、3Cr2MoWVNi（B3）热作模具钢在相同回火温度条件下的冲击韧性比较图，由图中试验结果可以看出，本发明比现行3Cr2W8V、3Cr2MoWVNi（B3）热作模具钢具有较好的韧性。
具体实施方式
实施例1
本实施例采用本发明制作500×500×230 高强韧性抗回火4Cr3MoWVNi（B3R）热作模具钢，所采用的化学成分配比为C：0355%；Si：0.17%；Mn：0.32%；Cr：2.55%；Mo：1.11%；W：0.55%；V：0.55%；Ni：1.55%；S：0.005%；P：0.009%；Fe：余量。
本实施例的具体方法步骤如下：
（1）中频冶炼：
按照上述化学成分配方配比配料550kg，投入中频感应炉中，投炉前将所采用的碱性炉衬500℃烘干3小时，待所投炉料完全均匀熔化后，出炉浇铸成电极锭，钢水出炉温度为1550℃；
（2）电渣重熔（精炼）：将上述电极锭进行电渣重熔，其工艺参数如下：
a、四元素渣系配比：氧化铝32%；氧化钙15%；氟化钙46%；氧化硅7%；
b、电压：本实施过程采用电压55V；
c、电流：本实施过程采用电流为7700A；
d、熔炼填充比：本实施过程的填充比为0.45；
e、本实施例结晶器出水水温为45℃；
（3）电渣锭扩氢、退火处理：
本实施例工艺为：上述电渣锭装炉后升温至845℃保温6个小时，随炉冷却至715℃保温10个小时，然后随炉冷至675℃保温10个小时，保温完成后随炉冷至380℃出炉；
（4）锻造：
将上述扩氢、退火处理后的电渣锭室温装炉，加热到650℃保温50分钟；再次升温至950℃保温50分钟；完成后再次升温加热，加热至1150℃保温25分钟；出炉锻造，经红外线测温仪检测，始锻温度1150℃，经4次镦拔锻造，计算锻为7.55，经红外线测温仪检测，终锻温度为900℃，锻造完成后将锻坯转入保温炉保温；
（5）锻坯退火：
将上述锻坯由保温炉转入球化退火炉；升温至860℃保温8小时，随炉冷至380℃出炉，完成锻坯的退火；
（6）粗加工：
将上述退火后的锻坯通过金属带锯床、铣床等传统机加工设备完成锻坯的粗加工，达到设计要求几何尺寸500×500×230；
（7）真空热处理：
a、淬火：
将上述粗加工好的料坯装进真空淬火炉后加热至545℃保温，保温时间60分钟；保温完成后进行第二阶段升温，升温至875℃保温，保温时间70分钟；二次保温完成后进行第三次升温，升温至1025℃保温，保温时间70分钟；保温完成后预冷2分钟后下油淬火，油温为50℃，待工件冷至150℃出炉，立即转入真空回火炉回火；
b、回火：
将上述已淬火的工件装入真空回火炉，升温至565℃保温6小时，出炉空冷至室温，完成第一次回火；待工件冷至室温后，再次装入真空回火炉，加热至545℃保温6小时出炉空冷至室温，完成第二次回火。
实施例2
本实施例采用本发明制作300×300×150高强韧性抗回火4Cr3MoWVNi（B3R）热作模具钢，所采用的化学成分配比为C：0.39%；Si：0.25%；Mn：0.41%；Cr：3.05%；Mo：1.25%；W：0.65%；V：0.66%；Ni：1.65%；S：0.007%；P：0.012%；Fe：余量。
本实施例的具体方法步骤如下：
（1）中频冶炼：
按照上述化学成分配方配比配料200kg，投入中频感应炉中，投炉前将所采用的碱性炉衬500℃烘干3小时，待所投炉料完全均匀熔化后，出炉浇铸成电极锭，钢水出炉温度为1570℃；
（2）电渣重熔（精炼）：
将上述电极锭进行电渣重熔，其工艺参数如下：
a、四元素渣系配比：氧化铝33%；氧化钙16%；氟化钙46%；氧化硅5%；
b、电压：本实施过程采用电压60V；
c、电流：本实施过程采用电流为7800A；
d、熔炼填充比：本实施过程的填充比为0.47；
e、本实施例结晶器出水水温为58℃；
（3）电渣锭扩氢、退火处理：
本实施例工艺为：上述电渣锭装炉后升温至850℃保温6个小时，随炉冷却至720℃保温10个小时，然后随炉冷至680℃保温10个小时，保温完成后随炉冷至390℃出炉；
（4）锻造：
将上述扩氢、退火处理后的电渣锭室温装炉，加热到660℃保温60分钟；再次升温至980℃保温55分钟；完成后再次升温加热，加热至1170℃保温30分钟；出炉锻造，经红外线测温仪检测，始锻温度1150℃，经5次镦拔锻造，计算锻为8.5，经红外线测温仪检测，终锻温度为920℃，锻造完成后将锻坯转入保温炉保温；
（5）锻坯退火：
将上述锻坯由保温炉转入球化退火炉；升温至870℃保温8小时，随炉冷至390℃出炉，完成锻坯的退火；
（6）粗加工：
将上述退火后的锻坯通过金属带锯床、铣床等传统机加工设备完成锻坯的粗加工，达到设计要求几何尺寸300×300×150；
（7）真空热处理：
a、淬火：
将上述粗加工好的料坯装进真空淬火炉后加热至550℃保温，保温时间40分钟；保温完成后进行第二阶段升温，升温至880℃保温，保温时间45分钟；二次保温完成后进行第三次升温，升温至1030℃保温，保温时间45分钟；保温完成后预冷3分钟后下油淬火，油温为45℃，待工件冷至180℃出炉，立即转入真空回火炉回火；
b、回火：
将上述已淬火的工件装入真空回火炉，升温至570℃保温6小时，出炉空冷至室温，完成第一次回火；待工件冷至室温后，再次装入真空回火炉，加热至550℃保温6小时出炉空冷至室温，完成第二次回火。
实施例3
本实施例采用本发明制作400×400×200高强韧性抗回火4Cr3MoWVNi（B3R）热作模具钢，所采用的化学成分配比为C：0.415%；Si：0.335%；Mn：0.49%；Cr：3.35%；Mo：1.45%；W：0.75%；V：0.77%；Ni：1.80%；S：0.009%；P：0.016%；Fe：余量。
本实施例的具体方法步骤如下：
（1）中频冶炼：
按照上述化学成分配方配比配料350kg，投入中频感应炉中，投炉前将所采用的碱性炉衬500℃烘干3小时，待所投炉料完全均匀熔化后，出炉浇铸成电极锭，钢水出炉温度为1580℃；
（2）电渣重熔（精炼）：将上述电极锭进行电渣重熔，其工艺参数如下：
a、四元素渣系配比：氧化铝34%；氧化钙17%；氟化钙47%；氧化硅2%；
b、电压：本实施过程采用电压65V；
c、电流：本实施过程采用电流为8000A；
d、熔炼填充比：本实施过程的填充比为0.49；
e、本实施例结晶器出水水温为63℃；
（3）电渣锭扩氢、退火处理：
本实施例工艺为：上述电渣锭装炉后升温至855℃保温6个小时，随炉冷却至725℃保温10个小时，然后随炉冷至685℃保温10个小时，保温完成后随炉冷至350℃出炉；
（4）锻造：
将上述扩氢、退火处理后的电渣锭室温装炉，加热到680℃保温60分钟；再次升温至1000℃保温50分钟；完成后再次升温加热，加热至1180℃保温28分钟；出炉锻造，经红外线测温仪检测，始锻温度1150℃，经4次镦拔锻造，计算锻为7.5，经红外线测温仪检测，终锻温度为930℃，锻造完成后将锻坯转入保温炉保温；
（5）锻坯退火：
将上述锻坯由保温炉转入球化退火炉；升温至880℃保温8小时，随炉冷至385℃出炉，完成锻坯的退火；
（6）粗加工：
将上述退火后的锻坯通过金属带锯床、铣床等传统机加工设备完成锻坯的粗加工，达到设计要求几何尺寸400×400×200；
（7）真空热处理：
a、淬火：
将上述粗加工好的料坯装进真空淬火炉后加热至555℃保温，保温时间50分钟；保温完成后进行第二阶段升温，升温至885℃保温，保温时间60分钟；二次保温完成后进行第三次升温，升温至1035℃保温，保温时间60分钟；保温完成后预冷2分钟后下油淬火，油温为40℃，待工件冷至180℃出炉，立即转入真空回火炉回火；
b、回火：
将上述已淬火的工件装入真空回火炉，升温至575℃保温6小时，出炉空冷至室温，完成第一次回火；待工件冷至室温后，再次装入真空回火炉，加热至555℃保温6小时出炉空冷至室温，完成第二次回火。
Claims (1)
1.一种高强韧性抗回火B3R热作模具钢制备工艺，其特征是制备工艺步骤如下：
（1）电渣重熔精炼：将中频冶炼得到的电极锭进行电渣重熔，制作成电渣锭其工艺参数如下：
a、四元素渣系配比：氧化铝32-34%；氧化钙15-17%；氟化钙45-47%；氧化硅2-8%；
b、电压：电渣重熔冶炼时电压控制在55-65V;
c、电流：将电流控制在7500-8000A范围之内；
d、熔炼填充比：控制在0.45-0.5之间；
e、结晶器出水水温：控制在45-65℃之间；
（2）电渣锭扩氢、退火处理：
将电渣锭装炉后升温至845-855℃保温6个小时，随炉冷却至715-725℃保温10个小时，然后随炉冷至675-685℃保温10个小时，保温完成后随炉冷至400℃以下出炉，完成电渣锭扩氢、退火处理；
（3）锻造：
将扩氢、退火处理后的电渣锭室温装炉，加热到650-680℃保温45-60分钟；再次升温至950-1000℃保温45-60分钟；完成后再次升温加热，加热至1150-1180℃保温20-30分钟；出炉锻造，始锻温度1150℃，经多次镦拔锻造，锻比≥7，终锻温度控制在900-930℃，锻造完成后将锻坯转入保温炉保温；
（4）锻坯退火：
将锻坯由保温炉转入球化退火炉；升温至860-880℃保温8小时，随炉冷至400℃以下出炉，完成锻坯的退火；
（5）真空热处理：
a、淬火：
将粗加工好的料坯装进真空淬火炉后加热至545-555℃保温，保温时间视料坯厚度而定，按0.25分钟/mm计算；保温完成后进行第二阶段升温，升温至875-885℃保温，保温时间视料坯厚度而定，按0.3分钟/mm计算；二次保温完成后进行第三次升温，升温至1025-1035℃保温，保温时间视料坯厚度而定，按0.3分钟/mm计算；保温完成后预冷2-3分钟下油淬火，油温控制在35-50℃，待工件冷至150-180℃出炉，立即转入下工序回火；
b、回火：
将上述已淬火的工件立即装入真空回火炉，升温至565-575℃保温6小时，出炉空冷至室温，完成第一次回火；待工件冷至室温后，再次装入真空回火炉，加热至545-555℃保温6小时出炉空冷至室温，完成第二次回火。
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