本发明属于金属材料生产
技术领域：
，尤其涉及种特厚热轧高合金热作模具钢的制备方法。
背景技术：
：模具制造业未来的趋势是将向大型、精密、长寿命、高效率方向发展，开发更多具有优异性能的，更高效、更绿色的短流程的新型生产模式和模具钢成为未来的重要攻关方向。模具行业被称为制造业之母，可以说制造业水平的提升同模具钢的质量及技术革新息息相关。世界各国主要采用三种方式提高模具钢的质量，一是通过优化模具钢的成分和开发新钢种，二是改进模具钢的生产流程和优化工艺制技术，三是针对特定用途的装备技术改造和综合利用。如，申请号201611205030.1的申请专利《高合金热作模具钢的制备工艺》、申请号201710203441.5的申请专利《一种热作模具钢锻件的制造工艺》等。目前国内外精密模具用钢产品主要采用大型模铸锭、电渣锭进行锻造方式生产，如申请号201510689315.6的专利《一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法》，采用电渣重熔后的钢锭两次均质，两次锻造，用于消除钢坯中的液析碳化物以及枝晶偏析所产生的带状组织，工艺复杂，能源消耗高。申请号201610459770.1的专利《一种热作模具钢板及其制备方法》提出了采用模铸钢锭-轧制的一种解决方案，但是从生产形式上和性能方面并未看出轧制工艺对模铸方式决定的材料固有的偏析组织、初生相控制的有效手段，仅仅是在流程进行了简化，而且同样采用了高mo的高成本成分设计。此外，由于钢锭的凝固方式，在凝固末端往往会产生大量的缩孔、偏析等缺陷，凝固末端产生大量的共晶低熔点及杂质产物，而且越是大型锭模缺陷越是难以控制，此外对于对组织均质化有极高要求的模具产品来说，模铸钢锭的缺陷分布曾现v型分布，这同连铸坯规律性的中心偏析不同，很难进行规律型控制。冶金工作者采用不同的冒口形式以及锻造方式，往往只能减轻这种偏析的程度以及不规律性趋势，不能从根本上消除。另一方面采用冒口补缩的生产方式本身，决定了坯料的成材率只能在80％以下，带来巨大的材料损耗。因此从材料发展和有效利用两方面考虑，发展新型的坯料以及模具钢生产工艺成为必须。申请号201510789402.9的专利一种特厚碳素模具钢板的生产方法，采用了更为纯净、组织规律性更强的连铸坯料，该方法用于生产碳含量0.4-0.5％左右的45#、50#钢，无法满足高合金产品的组坯。申请号201210264180.5的专利一种150-400mm塑料模具用钢板的生产方法，介绍了一种复合组坯，多种焊接方法组合焊接的技术，工序复杂，但是仍无法满足更高碳更高合金的模具钢组坯。申请号201711079372.8的专利一种200-350mm厚高探伤要求中碳合金模具钢板及其制造方法，采用复合组坯但是并没有提供复合工艺，且制造方法同201210264180.5相似，仅适用于所述的中碳合金钢，而且采用的加温复合方法，极易造成钢坯氧化，这对于要求高均质性的模具产品来说是不利的。此外上述几个专利都需要优选坯料加上增加压缩比的方式提高产品的探伤质量，但是一方面这种方法对于连续化生产来说不易实施的，因为用于复合的坯料往往单重较大，而对于不同连铸阶段连铸坯内部质量千差万别，此外采用三倍以上压缩比生产的钢板，探伤仅能达到φ3mm水平，这对于精密模来说是远远不够的，仅能用于一般模架的加工，且存在砂眼等缺陷的风险。此外，对于有高等向性要求的材料，采用复合技术尚无解决方案。申请号201711299296.1的专利一种连铸板坯锻造生产高品质塑料模具钢锻件的方法，采用400mm连铸坯锻造的方式进行塑料特厚模具钢的生产方法，但是对于更高合金的精密模具钢连铸-生产，以及具有高等向性能的连铸坯生产缺乏解决办法。综上，面对大型化的精密模具钢发展，现有工艺成本极高，采用连铸工艺可以解决上述问题，但是由于材料高碳高合金的特点，限制了大板坯的发展。此外国内外模具钢普遍存在高成本，长流程、工艺复杂等问题，且受模铸材等原始凝固组织影响，性能可靠性、稳定性不佳，现有的复合技术对于高碳高合金材料尚无很好的解决手段，此外现有的复合模具内部质量仅能达到φ3mm水平，距精密模具的要求相差甚远，而对于复合坯料生产的特厚规格高合金产品，目前尚无高等向材料的技术方案。技术实现要素：本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种流程、高效绿色的特厚热轧高合金热作模具钢及其制备方法，应用本发明生产的热作模具钢具有高抛光度、高内部质量、高等向性能。本发明目的是这样实现的：一种特厚热轧高合金热作模具钢，该模具钢的成分按重量百分比计如下：c：0.24％～0.30％，si：0.36％～0.40％，p：≤0.010％，s：≤0.005％，mn：0.45％～0.55％，cr：0.90％～1.20％，ni：0.55％～0.95％，cu：0.50％～1.00％，w：0.30％～0.50％，als：0.015％～0.030％，b：0.0005％～0.0035％，其余为fe和不可避免的杂质。所述模具钢钢板成品厚度为200-610mm。所述模具钢钢板内部含有20-60nm的富cu纳米相及10-80nm的wc。c：热作模具钢中的碳含量是决定其硬度的最主要元素，在某种程度上c是最经济的合金化元素。碳含量太低，将不利于马氏体组织的获得，钢的硬度将不能够保证，碳含量过高时，会使碳化物不均匀性增加，严重影响其韧性以及退火后的组织状态。本发明选择加入碳含量为0.24％～0.30％。si：过高的si不仅对于热作模具钢中的偏析(带状组织等)有不利影响(导致等向性能的下降)，此外对于连铸过程奥氏体晶粒度也有有害的作用并且极易产生粗大的柱状晶粒，导致表面钢坯表面以及内部裂纹的产生，这对于连续铸造是不利的。综合考虑本发明控制si在0.36％-0.40％。mn：用于固溶强化和稳定奥氏体的作用，选择加入mn含量为0.45％～0.55％。cr：铬可以增加钢的淬透性，提高回火稳定性，并产生二次硬化现象；铬是中强碳化物形成元素，在钢中与碳可以形成碳化物，也可溶于固溶体与fe3c中，铬对钢的耐磨损性、高温强度、热态硬度、韧度都有有利的影响，本发明选择加入cr含量为0.90％～1.20％。cu：本发明微量cu的纳米析出有助于提升钢的韧性，加入含量为0.50-1.00％。p、s：过多会影响钢的均质性及纯净度，但考虑到生产成本，本发明选择加入p≤0.015％，s≤0.015％。b：b的加入可以提高整体淬透性，控制在0.0005％～0.0035％。w：w的高温强化作用明显，本发明合金体系下，以m2c的形式存在，相对于m6c、m7c3、m23c6等形式合金利用率更高，对于碳化物的形成更加的高效。热作工具钢中的合金碳化物结构、稳定性与相应的合金元素d电子壳层和s电子壳层的电子缺欠程度相关。随着电子缺欠程度下降，金属原子半径随之减小、碳和金属元素的原子半径比增加，合金间隙相有向合金间隙化合物转化的趋势，而相应的碳化物稳定性减弱，其相应的奥氏体中溶解温度降低，相应的硬度值下降。w2c具有相对较宽的工艺窗口内具有较强的二次析出效应，这不仅是此类热作钢调质工艺窗口的常用范围，且该温度窗口远优传统材料如传统钢种常用的使用环境温度。出于上述考虑和发现，本发明选择加入w含量为：0.30％-0.55％。als：本发明中钢中酸溶铝的含量控制在0.015％-0.030％，一方面作为冶炼过程脱氧核心元素加入，另一方面起到高温控制奥氏体晶粒度的作用。ni:用于控制cu带来的连铸过程裂纹倾向，并提高钢的整体淬透性，控制在0.55％-0.95％所述模具钢钢板成品厚度为200-610mm。一种特厚热轧高合金热作模具钢的制备方法，包括冶炼-大板坯连铸-坯料预处理-真空组坯-焊缝局部改性-再加热-高等向模块轧制-模块后处理-热处理；(1)大板坯连铸：连铸采用的低过热度浇铸，所述低过热度为10-15℃；连铸坯采用弱冷的方式进行生产，弱冷冷却速率控制在5-15℃/s，持续时间不大于1min，弱冷终冷控制温度范围在700-900℃，所述的铸坯压下分为前后两段，前段压下量控制在3-8mm，后段压下量控制在1-5mm；为保证连铸坯拉制成功，并得到良好的连铸坯质量，大板坯规格宽厚积x(m2)需要满足0.20≤x≤0.38，板坯厚度h控制在100mm≤h≤400mm，大板坯宽度w控制范围在1200mm≤w≤2000mm。(2)连铸坯预处理：所述连铸坯料下线需进行预处理，所述钢坯不得待温，须在钢坯温度600℃以上进行预处理，预处理温度850-1000℃，升温速率50-120℃/h，坯料净保温时间为2.5-3.5min/mm，充分利用和匹配钢坯余热及返红温度，保证钢坯表面至内部出现100-220nm的w2c碳化物组织及80-120nm纳米富cu相，平均间距5-10μm。(3)真空组坯：采用400-1500mm复合坯生产，采用多层结构制备；对于成品厚度200-410mm模具钢钢板采用2层复合坯料不对称设计，h厚/h薄≥2，其中h厚为厚坯料厚度，h薄为薄坯料厚度；可有效解决钢坯由于咬入冲击、轧制过程上下表面温差大引起的上下坯料变形不均问题，并能将薄弱的复合界面移向近表面位置，使得变形在轧制初期便能更有效的传递到复合界面。对于成品厚度410-610mm模具钢钢板采用>2层复合坯料；所述模具钢母坯对长边及短边比例控制在2.2≥l/w≥1.2；l为拉坯方向长度，mm；将连铸坯焊接面和接触面进行铣磨，保证复合界面表面粗糙度控制在ra＝10-20μm；进入真空室抽真空准备焊接；焊接工艺为，焊接电压20-100kv，焊接电流400-1000ma，焊接速度300-500mm/min，熔深60-100mm；所述焊接顺序为依次进行点焊，连续焊。所述的点焊和连续焊应在350-500℃真空状态下进行，保证热态气体不影响焊缝组织和性能。焊接采用“先长后短”的方式进行，对于多组坯，则采用“先外后内”的方式进行，具体步骤如下1.根据坯料长度，沿一条长边(记为b1边)进行等距3-5点点焊；沿对边对边(记为b2边)进行等距3-5点点焊；2.沿一条短边(记为c1边)进行等距3-5点点焊；沿另一条短边(记为c2边)进行等距3-5点点焊。3.沿b1边按照长度200-400mm断续焊接，每次断续焊接的方向同总体焊接方向相反；沿b2边按照b1边的方式进行断续焊；4.短边重复上述1-3的顺序和方式焊接，其中最后一条边可以一次焊接完成。(4)焊缝局部改性：所述钢坯焊接后不能直接进行热加工，采用快速电磁加热，对焊缝组织进行进行对焊缝进行局部改性处理，改性深度30-120mm，温度200-400℃，改性时间方法1-1.5min/cm3。烘烤过后钢坯可以长时间放置待轧，既可以提高钢坯的整体抗裂性，改善焊接部位的等向性能，同时也满足了连续化生产的需要。(5)再加热：总加热分为三阶段，保温时间控制在10-25小时以内。第一阶段：第一加热段温度控制在600-700℃，保温时间4-8h，第二加热段温度控制在1100-1200℃，升温速率≥150℃/h,到温保温时间2-6h，第三加热段温度控制在1230-1290℃，保温时间8-12h，较传统加热降低近100％。该加热制度作用有三，降低复合坯料的裂纹敏感性及逐步减下厚度截面方向的热应力，减小偏析组织对后续材料综合组织性能的遗传性影响以及对铸态组织进行预处理，以达到理想的初始组织状态，为热加工和退火过程组织的弥散析出打下基础。(6)高等向模块轧制：控制辊速8-15转/min。控制开轧钢坯表面温度为1200-1220℃，首道次压下量应大于100mm，保证各结合表面一次结合。全过程平均道次压下量控制在30mm以上，目的是利用高温大压下，促使材料充分再结晶，使奥氏体晶粒充分细化，并为后续的组织控制打下基础。首道次轧制后模块表面采用水冷的方式进行表层冷却硬化，冷速≥20℃/s。表层冷却硬化后模块表面温度≥950℃；终轧温度控制在870-930℃。同时轧制过程中采用大比例宽展轧制的方法进行生产，在轧制到目标变形率及目标规格之前，采用横-纵交叉轧制方式进行变形；拉坯方向变形率kl：65％-170％，宽度方向变形率kw：40％-90％，综合变形率k：1.4-3.9；k＝kl/kw，kw:复合坯料宽度方向变形率，％；kl:复合坯料长度方向变形率，％；轧制结束后，进入dq冷却装置进行冷却控制，2.5≥下上水比≥1.5。冷却速率控制在5-10℃/s，终冷温度控制在400-500℃，过快容易造成局部裂纹，过慢不利于组织控制。空冷后利用材料返红温度，综合达到细化晶粒，降低表面及心部的硬度梯度，促进析出，进而提高模具钢复合坯的综合性能。采用上述轧制工艺生产的复合钢板探伤可以达到φ1-φ2mm。(7)模块后处理：当模块表面温度返红至500-600℃后后随即保温，保温时间≥24h；钢板堆垛采用可采用“上盖下铺”的工艺进行后处理，铺盖钢板温度500-600℃，铺盖钢板厚度应为复合钢板的3倍以上，即厚度比例为：h铺、盖≥3×h复合。(8)热处理：回火+淬火+回火；所述回火：模块后处理之后模块进行回火处理，入炉温度应控制在200-400℃。回火温度控制在850-910℃，入炉钢板需要快速升到目标温度，升温速度应控制在1-2min/mm范围之内，净保温时间6-10min/mm，冷却至650-700℃以下出炉堆垛空冷。所述淬火：淬火温度控制在1000-1120±10℃，升温速率应控制在1.5-2.5min/mm范围之内，保温时间3-6min/mm，所述回火：淬火之后立即进行回火，回火入炉温度应≥250℃，回火温度控制在610-750，保温2-4h，钢板内部析出20-60nm的纳米富cu相及10-80nm的wc。进一步，所述步骤(2)中，经坯料预处理后，钢板内部距表面50mm范围内出现100-220nm的碳化物组织以及20-80nm的富cu纳米相，所述碳化物w2c。进一步，所述步骤(3)中，复合坯料为连铸坯或电渣坯，所述电渣坯料采用上述连铸坯做电极制备而成。所述的坯料采用冷加工方式在连铸坯料上截取，其宽度作为复合坯料的长度，长度作为复合坯料的宽度，所述电渣坯料采用上述连铸坯做电极制备而成。进一步，所述步骤(3)中，所述精铣为在对钢坯焊接面和接触面均进行铣磨且粗铣磨出新鲜金属后，仍要继续铣磨1-2mm。本发明的有益效果在于：(1)本发明提供的特厚热轧高合金热作模具钢的制备方法面对制造业大型、精密、长寿命、高效率方向发展。(2)解决了特厚高合金模具钢短流程、绿色化、高效生产的问题；(3)解决了高合金模具钢传统生产方式下，高温加热时间大幅降低至30h以下，不仅大幅降低生产成本，提高生产效率，而且解决了高温长时间加热条件下的表面脱碳问题；(4)解决了材料高温抗力较大、界面结合力不佳等组坯问题；(5)本发明提供一种新型控制轧制方法，通过坯料前处理-组坯-控制轧制-冷却-后处理-热处理工艺的复合设计实现了材料高三维等向性，高抛光度、高内部质量及高均质性。产品各项性能优异，达到电渣产品水平，极具推广价值。具体实施方式下面通过实施例对本发明作进一步的说明。本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行冶炼-大板坯连铸-坯料预处理-真空组坯-焊缝局部改性-再加热-高等向模块轧制-模块后处理-热处理；(1)大板坯连铸：连铸采用的低过热度浇铸，所述低过热度为10-15℃；连铸坯采用弱冷的方式进行生产，弱冷冷却速率控制在5-15℃/s，持续时间不大于1min，弱冷终冷控制温度范围在700-900℃；所述的铸坯压下分为前后两段，前段压下量控制在3-8mm，后段压下量控制在1-5mm；大板坯厚度h控制在100mm≤h≤400mm，大板坯宽度w控制范围在1200mm≤w≤2000mm；大板坯规格宽厚积x需要满足0.200m2≤x≤0.38m2；(2)连铸坯预处理：在600℃以上进行预处理，预处理温度850-1000℃，升温速率50-120℃/h，坯料净保温时间为2.5-3.5min/mm，保证钢坯表面至内部出现100-220nm的w2c碳化物组织和富cu纳米相，平均间距5-10μm；(3)真空组坯：采用400-1500mm复合坯生产，采用多层结构制备；对于成品厚度200-410mm模具钢钢板采用2层复合坯料不对称设计，h厚/h薄≥2，其中h厚为厚坯料厚度，h薄为薄坯料厚度；对于成品厚度410-610mm模具钢钢板采用>2层复合坯料；所述大板坯2.2≥l/w≥1.2；l为拉坯方向长度，mm；将连铸坯焊接面和接触面进行铣磨，保证复合界面表面粗糙度控制在ra＝10-20μm；进入真空室抽真空准备焊接；焊接工艺为，焊接电压20-100kv，焊接电流400-1000ma，焊接速度300-500mm/min，熔深60-100mm；(4)焊缝局部改性：焊接后的复合坯采用快速电磁加热，对焊缝组织进行对焊缝进行局部改性处理，改性深度30-120mm，温度200-400℃，改性时间方法1-1.5min/cm3；(5)再加热：总加热分为三阶段，保温时间控制在10-25小时；第一阶段：第一加热段钢板表面温度控制在600-700℃，保温时间4-8h，第二加热段钢板表面温度控制在1100-1200℃，升温速率≥150℃/h,到温保温时间2-6h，第三加热段钢板表面温度控制在1230-1290℃，保温时间8-12h；(6)高等向模块轧制：控制辊速8-15转/min；控制开轧温度为1200-1220℃，首道次压下量应大于100mm，首道次轧制后模块表面进行表层冷却硬化，冷速≥20℃/s；表层冷却硬化后模块表面温度≥950℃；终轧温度控制在870-930℃，轧制过程中平均道次压下量控制在30mm以上；同时轧制过程中采用大比例宽展轧制的方法进行生产，在轧制到目标变形率及目标规格之前，采用横-纵交叉轧制方式进行变形；拉坯方向变形率kl：65％-170％，宽度方向变形率kw：40％-90％，综合变形率k：1.4-3.9；k＝kl/kw，kw:复合坯料宽度方向变形率，％；kl:复合坯料长度方向变形率，％；轧后冷却，冷却速率控制在5-10℃/s，终冷温度控制在400-500℃；(7)模块后处理：当模块表面温度返红至500-600℃后随即保温，保温时间≥24h；(8)热处理：回火+淬火+回火；所述回火：模块后处理之后模块进行回火处理，入炉温度应控制在200-400℃，回火温度控制在850-910℃，入炉钢板需要快速升到目标温度，升温速度应控制在1-2min/mm范围之内，净保温时间6-10min/mm，冷却至650-700℃以下出炉堆垛空冷；所述淬火：淬火温度控制在1000-1120℃，升温速率应控制在1.5-2.5min/mm范围之内，保温时间3-6min/mm，所述回火：淬火之后立即进行回火，回火入炉温度应≥250℃，回火温度控制在610-750℃，保温2-4h，钢板内部析出20-60nm的富cu纳米相及10-80nm的wc。进一步，所述步骤(2)中，经坯料预处理后，钢板内部距表面50mm范围内出现100-220nm的w2c碳化物及80-120nm富cu纳米相。进一步，所述步骤(3)中，复合坯料为连铸坯或电渣坯，所述电渣坯料采用上述连铸坯做电极制备而成。进一步，所述步骤(3)中，所述精铣为在对钢坯焊接面和接触面均进行铣磨1-2mm。本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢的主要连铸工艺参数见表2。本发明实施例钢的连铸坯预处理工艺及组织控制参数见表3。本发明实施例钢的组坯工艺参数见表4。本发明实施例钢的钢坯焊后改性处理工艺参数见表5。本发明实施例钢的加热工艺参数见表6。本发明实施例钢的轧制工艺参数见表7。本发明实施例钢轧后冷却及模块后处理工艺参数见表8。本发明实施例钢的热处理工艺见表9。本发明实施例钢洛氏硬度见表10。本发明实施例钢等向性能及抛光度见表11。表1本发明实施例钢的成分表2本发明实施例钢的主要连铸工艺参数表3本发明实施例钢连铸坯预处理工艺及组织控制参数表4本发明实施例钢的组坯工艺参数表5本发明实施例钢的钢坯焊后改性处理工艺参数实施例改性深度(mm)改性温度(℃)改性时间(min/cm3)1352501.12702201.1531103151.324803701.25表6发明实施例钢的加热工艺参数表7本发明实施例钢的轧制工艺参数表8本发明实施例钢轧后冷却及模块后处理工艺参数表9本发明实施例钢热处理工艺表10本发明实施例钢洛氏硬度表11本发明实施例钢等向性能及抛光度为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关
技术领域：
的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。当前第1页12