CN103981445A

CN103981445A - H13热作模具钢生产工艺

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Publication number: CN103981445A
Application number: CN201410224856.7A
Authority: CN
Inventors: 沈金森
Original assignee: Nanping City Shuan You Metal Co Ltd
Current assignee: Nanping City Shuan You Metal Co Ltd
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2034-05-26
Also published as: CN103981445B

Abstract

本发明涉及一种H13热作模具钢生产工艺，目的在于解决目前H13热作模具钢普遍存在的“热强性好而韧性差，韧性好热强性又差”的问题，通过对4Cr5MoSiV1(H13)热作模具钢化学成份的合理设计、调整，控制Cr、Mo、V、Si等合金元素的含量，充分发挥其交互作用，使晶粒细化、分布均匀，同时通过优化电渣重熔工艺、锻造工艺和热处理工艺，提高钢的纯净度、致密度、减少偏析，进一步改善钢的机械性能和各向同性，确保锻件热均匀性，并且获得尺寸稳定、分布均匀的碳化物球物组织，从而提高产品的机械性能和使用寿命。

Description

H13热作模具钢生产工艺

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体说是一种H13热作模具钢生产工艺。

背景技术

4Cr5MoSiV1(H13)热作模具钢是我国根据美国H13热作模具钢生产标准研发的钢种，国产的产品同进口同钢种产品比高温强度和热疲劳性能都低，目前国内产品普遍存在“热强性好而韧性差，韧性好热强性又差”的问题，故国内该产品常以进口为主。目前生产H13热作模具钢仅通过合金成分的控制，通过传统的电渣重熔来生产，产品存在纯净度低、不致密、成分偏析、夹杂物多、晶粒粗等缺陷，导致产品的性能差，制作的模具使用寿命低，模具在使用过程中会发生早期开裂等失效现象。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种可有效提高产品的机械性能和使用寿命的H13热作模具钢生产工艺。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种H13热作模具钢生产工艺，包括以下步骤：

步骤1、按照以下化学成分要求进行配料和冶炼：

C：0.38～0.44wt％；Si：0.90～1.20wt％；Mn：0.35～0.50wt％；P：≤0.020wt％；S：≤0.020wt％；Cr：4.95～5.45wt％；Mo：1.35～1.60wt％；V：0.90～1.20wt％；

步骤2、将冶炼好的钢水直接浇注双实锭用作电渣重熔电极；

步骤3、采用二元渣型Al₂O₃-CaF₂进行电渣重熔，其中，Al₂O₃的含量要大于或等于98wt％，CaF₂的含量要大于或等于97wt％，渣料在电渣重熔前经400～700℃烘烤至干燥，渣料的重量比例为Al₂O₃∶CaF₂＝3∶7，电渣重熔温度为1450～1470℃，上结晶器的出水温度控制在45～65℃，上、下结晶器的进水压力大于0.15MPa，熔速控制在450～500kg/h；

步骤4、将电渣重熔后得到的电渣锭依次进行模冷、缓冷和退火；

步骤5、按照锻造后成品的尺寸要求选择锭型，确定锻造比，保证锻造比大于3，将坯料加热至1100～1200℃，经保温使其内外温度一致后，出炉锻造，锻造方法为先用轻、快捶捶打四面，再用重锤锻打，上铁量要均匀，进铁量控制在下砧宽的1/2～1/3，终锻温度≥850℃；

步骤6、将锻后成品放入退火炉中随炉升温至840～860℃，保温12～15h后随炉降温冷却。

本发明的有益效果在于：采用上述H13热作模具钢生产工艺，可有效提高产品的纯净度、致密度，减少偏析，提高产品的等向性、冲击韧性、热疲劳抗力从而改善产品的机械性能，并取得提高模具的使用寿命，节能降耗、提高劳动生产率的效果。

附图说明

图1所示为本发明实施例的钢锭退火曲线。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本发明最关键的构思在于：通过对4Cr5MoSiV1(H13)热作模具钢化学成份的合理设计、调整，控制Cr、Mo、V、Si等合金元素的含量，充分发挥其交互作用，使晶粒细化、分布均匀，同时通过优化电渣重熔工艺、锻造工艺和热处理工艺，提高钢的纯净度、致密度、减少偏析，进一步改善钢的机械性能和各向同性，确保锻件热均匀性，并且获得尺寸稳定、分布均匀的碳化物球物组织，从而提高产品的机械性能和使用寿命。

实施例

1、配料、冶炼

按照以下化学成分要求进行配料和电炉冶炼：

C：0.38～0.44wt％；Si：0.90～1.20wt％；Mn：0.35～0.50wt％；P：≤0.020wt％；S：≤0.020wt％；Cr：4.95～5.45wt％；Mo：1.35～1.60wt％；V：0.90～1.20wt％。

具体的，电炉冶炼工艺规程如下：

1.1、装料前检查炉体侵蚀状况，需补炉时，可用0-1#镁砂加适量玻璃水调和均匀，补炉时打紧抹平。

1.2、为了保持炼钢材料的清洁干燥,钢屑等废料、合金、石灰、萤石，Fe-Si粉等造渣，脱氧材料使用前必须烘烤干燥，否则不得使用。

1.3、炉底加1％料重的石灰，然后将烘烤好的大小料均匀加入炉中，炉料加入炉体1/3左右时开始送电熔化。凡含铝的废模块不得加入炉中，待将铝清除干净后再作废料使用。

1.4、熔化开始时送小电流6～8分钟，待电流稳定后送最大功率电流进行化料。

1.5、钢水化至炉体2/3时，用铁杆进行搅拌，确认钢料化清后停电测温，温度>1540℃时取一样做光谱化学分析。

1.6、取完炉中样后送电继续装料熔化，待炉中样结果回来后，根据成品成分要求计算补加合金。

1.7、停吹氧后及时扒除全部氧化渣，再在钢液面上覆盖石灰和萤石造还原渣。凡吹氧、扒渣、取样操作必须在停电状态下进行。

1.8、满炉钢水化完后，进行全熔扩散脱氧，加Fe-Si粉0.5kg/t或铝粉适量，5分钟后搅拌测温，待钢水温度>1580℃时停电扒全部渣，氧化渣必须扒除干净，加新渣料造还原渣，渣量要适中，并在渣面上加适量脱氧剂进行脱氧，送电保温，如单炼钢需扒渣两次，第一次换渣后进行预脱氧。

1.9、加脱氧剂次数不得小于四次，第一次加入后，>5分钟打渣搅拌，搅拌时若炉渣粘度大，可加适量萤石造稀薄渣，薄渣形成后再充分搅拌，这时可根据合金加入量的多少或化合金的时间，确认合金化好后，可停电取炉中二样进行全分析，随后每间隔3～5分钟加扩散脱氧剂，共3～4批，每批脱氧剂不得少于0.5～0.8kg/t，白渣保持时间>15分钟。化学成分按成品成分要求的中限调整，C和Cr必须在成品成分要求范围内按同高同低进行控制。

1.10、出钢前必须测量钢水温度，为保证吹氩效果，出钢温度应控制在1650℃～1670℃，出钢前将先磅好的0.3～0.5kg/t铝块(粒)加入包中，以便终脱氧。出钢时必须保持白渣状态，钢水翻至包中1/3时可开氩气进行吹氩，吹氩压力不得过大，以钢水在渣层内小翻即可，吹氩1-2分钟后，进行包中测温，停吹氩的温度可控制在1560℃～1580℃，停吹氩后，包中取成品样，并迅速将碳化稻壳丢入包中并打渣扒平。若遇氩气设备发生故障不能吹氩时，可镇静3～5分钟，钢包吊至浇注台对包浇注。

1.11、炉中二样回来后，各种成分符合要求可提高电流升温，但要防止后期升温过快，如还需追加合金，必须待合金化好后再提电流升温。

1.12、出钢时做到先出渣后出钢或钢渣混出，以便夹杂物相互碰撞上浮和进一步脱S。

2、浇注

将冶炼好的钢水直接浇注双实锭用作电渣重熔电极。

具体的，该步骤工艺规程如下：

2.1、模子的准备

2.1.1、冷钢锭模、冷底板使用前必须预热>100℃，如久置未用生锈的模子必须进行清刷，模底砖用石棉布或废报纸包紧捶平。

2.1.2、底板和中柱管在砌制前必须将砖孔内以及公母口的毛刺，飞边清理干净，各种耐火材料使用前必须进窑烘烤。

2.1.3、底板和中柱管的砌制必须符合“选、平、正、直、匀、紧、净”的七字要求，防止底板跑钢。

2.1.4、底板、浇口砌制完后，必须用大风进行吹扫，直至将中柱管和汤道砖内的渣砂吹扫干净，再进行摆模操作。

2.1.5、钢锭模摆好后，再进行一次彻底的吹扫抽风，然后安装绝热板帽口，用捣模棍将模底砖捣打齐平。

2.1.6、绝热板帽口必须烘烤干燥，帽口装好后，用黄砂或耐火砂加玻璃水调和将四周糊匀、糊紧并压好压铁，防止帽口跑钢或帽口内钢水沸腾。

2.1.7、模子准备工作完成后将按要求裁好的马粪纸丢入模内盖好上升眼，将烘烤好的保护渣适量加入模内，加入量见下表1。

表1、保护渣的加入量单位：kg

锭型	200-300	420-630	830-1000	1500-2000	3000	1200
							加入量	1	1.5	2	3.5	5	2.5

2.2、钢包的准备

2.2.1、新钢包砌好后，先风干几天，再用柴火烘烤一天，然后在煤炉上大火烘烤，以钢包不冒水气为止，若急需使用可进行倒包1～2次，但新包前两炉不得浇注单炼钢锭。

2.2.2、旧包使用前需进行预热，当天出完最后一炉钢后吊至煤炉进行保温。

2.2.3、出完钢的钢包，要及时将渣子翻干净，然后用氧气将水口和透气砖的残钢吹扫干净，需更换的水口和滑板及时趁热更换，调试好上下滑板，上好锁销。

2.2.4、出钢前20分钟，将备用钢包吊至炉前彻底清理包内的残钢残渣，然后用大风吹扫包内的渣砂。

2.2.5、出钢前上好包架保险叉关闭下滑板、检查滑板锁销是否上好，再用填料筒将引流砂小心填进上水口，吊至炉前出钢坑待出钢。

2.3、出钢与浇注

2.3.1、指挥天车使钢包随翻炉钢水方向下落或进退。

2.3.2、准备好引流氧管，以便引流。

2.3.3、对包时将水口中心对准漏斗的外沿，水口与漏斗水平面高度的150～200m/m之间，将预先做好的马粪纸尖帽套在漏斗上，放完引流砂后迅速将尖帽掀掉。

2.3.4、浇注时，开包不宜过猛，用保护渣保护浇注时，钢水出模底速度不宜过小，但不得出现喷溅或大翻现象，整个锭身的注速应以平稳上升为宜，一般根据钢种、锭型和注温采取“高温慢注，低温快注”的浇注方法，锭身和帽口的注速参见下表2和下表3。

表2、帽口注速表单位：秒

锭型

200-300

420-630

830-1000

1500-2000

3000

1200

速度

50-90

60-110

80-140

100-180

160-250

90-150

表3、锭身注速表单位：秒

2.3.5、帽口注速的控制、减速要均匀，不能忽大忽小，保护渣浇注时上帽口1/2减速50％，以后逐步减少至30～40％，以钢水不散花为原则。

2.3.6、钢水上帽口1/2时逐支帽口加适当碳化稻壳并扒平复盖均匀，以保证帽口钢水平稳均匀收缩。

2.4、钢锭的缓冷与退火

2.4.1、红钢到点才能扒出，具体规定见下表4。

表4、红钢扒除时间单位：分

锭型	200-300	420-630	830-1000	1500-2000	3000	1200
							时间	≥30	≥50	≥60	≥100	≥120	≥80

2.4.2、坑冷钢到点后必须及时入坑，红钢入坑前，坑内必须干燥，坑温≥80℃，否则要预热两小时以上，如果是连续使用的坑，钢锭起坑8小时以上者，要烤坑预热后才许装入下炉红钢。

2.4.3、多炉一坑的钢，必须按炉做好标记，起坑后按标记用油柒在锭身或锭头上写明炉号、钢种。红钢下完坑后，迅速将坑盖盖严不能留有缝隙，以免裂钢。

2.4.4、凡坑冷钢到点后，小锭可全部揭开坑盖，再经坑内缓冷两小时以上出坑。大锭只移开坑盖500m/m左右，再经坑内缓冷4～5小时以上出坑，但出坑时锭温要在300℃以下。≤1t的钢锭为小锭，>1t以上的钢锭为大锭，小锭坑冷24小时，大锭坑冷32小时，才能揭盖缓冷。

2.4.5、电渣母料不需保温，冷凝后即可扒除脱模，但应脱在干燥无潮湿的地方。

2.4.6、钢锭起坑后应及时装炉退火，一般规定不得超过24小时。

2.4.7、钢锭装炉前认真检查退火炉设备运行状况，确认没有问题时，才能装炉。

2.4.8、钢锭装炉要按炉号，冷钢可用高温粉笔在锭身上写清炉号，同时在记录纸上按层、按顺序做好标记。

2.4.9、装码钢锭应根据炉门高度确定装码层数，多层者大小头交错，大小钢锭同炉退火者，将较大锭装在炉子中部。

2.4.10、送电升温，升温速度最好控制在>60<100度/h，退火曲线见图1所示。

2.4.11、钢锭出炉时要有专人负责按顺序、炉号卸炉堆码，同时用油漆重新标识炉号、钢种。

2.5、钢锭的修磨及精整

2.5.1、钢锭退火出炉后要冷却一定时间才能加工精整，2-3t锭夏季20小时，冬季16小时<2t>1t锭夏季16小时，冬季12小时，1t以下锭夏季14小时，冬季10小时。

2.5.2、清除钢锭缺陷的深、宽、长为1:6:10，其边缘有一定的坡度。

2.5.3、砂轮放下研磨时，禁止锰力按压，以防压破砂轮，研磨时不要老磨一点，应在缺陷处左右来回研磨，以防局部温度升高产生裂纹。

2.5.4、钢锭表面缺陷清理的规定：

2.5.4.1、凡有纵横裂纹者，必须彻底清理。

2.5.4.2、注温高蚀坏模壁的粘铁要清除。

2.5.4.3、凡供锻造一火成材的钢，其表面的结疤、夹渣、气泡、麻孔等缺陷深度≥4m/m，2t以下锭≥3m/m者要清除，夹砂、重皮不论深度如何，都要全部清除。

2.5.4.4、钢锭从尾部的顶面向上，3t锭100m/m，2t以下锭50m/m，1t以下锭30m/m以内的表面缺陷可不清理。

2.5.4.5、凡有皮下气泡的钢锭必须彻底清理。

3、电渣重熔

采用二元渣型Al₂O₃-CaF₂进行电渣重熔，其中，Al₂O₃的含量要大于或等于98wt％，CaF₂的含量要大于或等于97wt％，渣料在电渣重熔前经400～700℃烘烤至干燥，渣料的重量比例为Al₂O₃∶CaF₂＝3∶7，电渣重熔温度为1450～1470℃，上结晶器的出水温度控制在45～65℃，上、下结晶器的进水压力大于0.15MPa，熔速控制在450～500kg/h。

在该步骤中，要严格控制熔速，严格按工艺要求控制重熔电流、电压，严格控制冷却速度(进出水温控制)，控制横向结晶速度，以确保纵向结晶，减少缩孔，消除中心疏松。

进一步的，采用计算机自动控制与人工干预相结合的方式对电渣重熔过程进行控制。传统的电渣重熔工艺，对电渣母材的要求非常严格，其熔速无法根据电渣母材的情况进行适时的调整，导致在母材存在缺陷的情况下，电渣重熔过程中无法完全得到消除。本发明通过对电渣重熔采用计算机自动控制与人工干预相结合的控制方式，在电渣母材存在气孔缺陷时可适时调整熔速使产品更加致密，在电渣母材存在夹杂物缺陷时可适时调整熔速使夹杂物有效的吸附在渣饼中而被消除，从而提高产品的纯净度。

进一步的，所述渣料的加入顺序为先加入部分CaF₂形成渣池后再将Al₂O₃和CaF₂混匀缓慢加入，加入时间为5～10分钟。

4、缓冷、退火

将电渣重熔后得到的电渣锭依次进行模冷、缓冷和退火。模冷时间为35～60分钟，所述缓冷方式为砂冷，电渣锭从脱模至进沙坑时间为1t≤6分钟，1.5t以上者≤9分钟，沙坑深度大于电渣锭的直径，电渣锭表面盖沙的高度大于200mm，缓冷时间为60～96小时，退火曲线见图1所示。

5、锻造

按照锻造后成品的尺寸要求选择锭型，确定锻造比，保证锻造比大于3，将坯料加热至1100～1200℃，经保温使其内外温度一致后，出炉锻造，锻造方法为先用轻、快捶捶打四面，再用重锤锻打，上铁量要均匀，进铁量控制在下砧宽的1/2～1/3，终锻温度≥850℃。

在该步骤中，钢锭经锻打充分击碎钢中的碳化物，使其晶粒细化，以提高其均匀性和致密度，从而获得良好的高温性能和韧性。该步骤使用先进的快锻机成材，采用“二轻一重，二均匀”六面锻造工艺，使锻件变形均匀。

6、热处理

将锻后成品放入退火炉中随炉升温至840～860℃，保温12～15h后随炉降温冷却。

为了提高4Cr5MoSiV1(H13)热作模具钢的等向性，必须通过热处理得到均匀的化学成分和均匀的组织，将片层状珠光体和网状渗碳体转变为球状珠光体和均匀分布的细小碳化物，便于切削加工，提高机械韧性。

检测分析：

将上述实施例制得的产品按照以下检测方法进行检测：

a、检测标准：

GB/T1299-2000、国际标准、企业标准或其他技术协议

b、检测项目：

化学成分、尺寸公差、力学性能、外观质量、金相、超声波探伤

c、检测方法：

(1)化学成分：取样送实验室进行光谱分析或化学成分手工分析。

(2)尺寸公差：采用卷尺、游标卡尺测量直径(宽度)、长度等。

(3)力学性能：取样送实验室根据GB/T231.1进行室温硬度试验。

(4)外观质量：用钢板尺、游标卡尺或目测的方法来检测。

(5)金相：检验金相高倍、低倍项目。

(6)探伤：采用超声波接触法垂直探伤。

d、取样位置和数量：

检验项目	取样位置	取样数量
			化学成分	GB/T222	每根1个
尺寸公差	材料头、中、尾	2～3个
			力学性能	任意部位	2个
外观质量	整根	逐根

金相	任意部位	2个
			探伤	整根	逐根

检测结果：

1、4Cr5MoSiV1(H13)热作模具钢的化学成分比较

2、临界点

Ac1	Ac3	Ar1	Ar3	Ms	Mf
						860℃	915℃	775℃	815℃	34℃	215℃

3、淬回火性能(目前国家标准除硬度而外，对其他机械性能没有要求，表中数值为参考值)

4、4Cr5MoSiV1(H13)热作模具钢的低倍组织

5、4Cr5MoSiV1(H13)热作模具钢非金属夹杂物

比对对象	硫化的(A)	氧化铝(B)	硅酸盐(C)	球状氧化物D	单颗粒球状DS
						中国现有产品	1.0	1.0	1.5	1.5	1.5
外国产品	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
						本发明实施例	0.5	≤1.0	≤1.0	≤1.0	≤1.0

从上述检测结果可知，本发明实施例制得的H13热作模具产品质量水平与进口同类产品相当，可替代进口。每吨产品单价较进口同类产品低2000美元。按每年生产8000吨4Cr5MoSiV1(H13)热作模具钢基计算，除了可为国家节约数量客观的外汇外，可获毛利5200万元(按获毛利6500元/吨计)，也为模具需求厂家节约成本1600万美元，具有明显的经济效益和社会效益。对于通过电渣重熔提纯钢质生产的优质H13热作模具钢，由于解决了目前国内热作模具钢“热强性好而韧性差，韧性好则热强性差”的问题，模具的使用寿命大大提高，这更具有可观的经济社会效益和广阔的市场前景。具有明显的经济效益和社会效益。

另外，本发明实施例制得的产品的氧化膜内层的FeO更为牢固，其氧化膜稳定性高，解决了其他钢制作的模具使用前必须预热，必须使模具内外温度均匀一致，否则，模具在使用过程中会发生早期开裂等失效现象，对模具的使用寿命大大提高、节省工时，提高了劳动生产率，同时它的较轻的比重又增加了材料的利用率，提高了经济效益。

综上所述，本发明提供的H13热作模具钢生产工艺，可有效提高产品的纯净度、致密度，减少偏析，提高产品的等向性、冲击韧性、热疲劳抗力从而改善产品的机械性能，并取得提高模具的使用寿命，节能降耗、提高劳动生产率的效果。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.H13热作模具钢生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、按照以下化学成分要求进行配料和冶炼：

步骤2、将冶炼好的钢水直接浇注双实锭用作电渣重熔电极；

2.根据权利要求1所述的H13热作模具钢生产工艺，其特征在于：在步骤3中，采用计算机自动控制与人工干预相结合的方式对电渣重熔过程进行控制。

3.根据权利要求1所述的H13热作模具钢生产工艺，其特征在于：在步骤3中，所述渣料的加入顺序为先加入部分CaF₂形成渣池后再将Al₂O₃和CaF₂混匀缓慢加入，加入时间为5～10分钟。

4.根据权利要求1所述的H13热作模具钢生产工艺，其特征在于：在步骤4中，模冷时间为35～60分钟。

5.根据权利要求1所述的H13热作模具钢生产工艺，其特征在于：在步骤4中，所述缓冷方式为砂冷，电渣锭从脱模至进沙坑时间为1t≤6分钟，1.5t以上者≤9分钟，沙坑深度大于电渣锭的直径，电渣锭表面盖沙的高度大于200mm，缓冷时间为60～96小时。