高合金热作模具钢的制备工艺的制作方法

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种高合金热作模具钢的制备工艺。

背景技术：

近年来，我国每年进口高端工模具钢约10万吨，产值约合人民币60亿元，高昂的价格不仅增加了制造和生产成本，而且严重制约了我国高端模具钢的制造能力。模具行业重点是向大型、精密、复杂、组合等模具发展，对于在航空航天、高速铁路、电子、新能源等领域要求的高强、高韧性、耐高温、高耐磨性材料要有重大突破。发展趋势是在模具钢生产工艺上，总体向高纯净度、高等向性、高韧性、高均匀性方向发展。我国虽然已经是全球第三大模具钢生产国，但高档次模具钢材料几乎全部依赖进口。特别是模具型腔部分模具用钢在短时间内进口的格局很难改变。通过“十三五”规划的实施，国内市场模具自配率达到85％以上，中高档模具的比例达到40％以上，模具的使用寿命在现有的基础上提高20％～30％。

瑞典、日本等模具钢质量水平先进的国家,对模具钢的组织微细化进行了研究,通过改善冶炼、高温扩散退火、大锻造比的等向锻造加工方法及后续的超细化热处理等一系列的综合工艺技术,消除钢中的一次碳化物、改善偏析，使二次碳化物呈球状均匀分布在铁素体基体上，减小了大截面模块表面和心部横向和纵向性能的差异，材料的等向性T/L＝0.8～0.9,(一般的为T/L＝0.4～0.6)，大大提高了模具的使用寿命。德国蒂森公司把2344EFS钢中磷降低到≤0.003％且细晶化,则钢的疲劳性能明显提高，日本山阳特殊钢公司规定高纯度模具钢中O的含量≤10ppm、S的含量≤0.001％。生产实践证明,一般国产H13钢制作的压铸模具寿命为3～5万模次,而进口的优质H13制作的压铸模具寿命可达20万次。

为此，国内企业及院所热作模具钢品种设计和工艺调整等方面做了很多工作，并取得了阶段性成果。但与国外厂家生产的材料相比，在钢水纯净、成分均匀性、组织细小、尺寸精确方面还存在一定的差距，表现在产品制备工艺不佳导致质量稳定性差、产品实际质量指标较低、退火组织中碳化物有明显沿晶界分布现象。

技术实现要素：

本发明目的是提供了一种成分均匀，高使用寿命的高合金热作模具钢的制备工艺。

本发明通过以下技术方案实现：

一种高合金热作模具钢的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1、电弧炉EBT初炼，LF精炼，VD真空除气，浇注成高合金热作模具钢电极坯料；

步骤2、将步骤1制成的高合金热作模具钢电极坯料进行电渣重熔得到高合金热作模具钢电渣钢锭，从高合金热作模具钢电极坯料进入结晶器中熔化的渣池开始，至高合金热作模具钢电极坯料从结晶器中提升，切断电源冶炼过程完毕，根据结晶器直径的的不同，整个重熔冶炼过程设定不同范围的熔化速度，每小时平均熔化速度(kg/h)＝结晶器平均直径D(mm)×A，A＝0.80～0.82(kg/h×mm)；

步骤3、将步骤2制成的高合金热作模具钢电渣钢锭进行高温均质化处理，得到高合金热作模具钢均质化钢锭；

步骤4、将步骤3得到的高合金热作模具钢均质化钢锭进行锻造处理，得到高合金热作模具钢锻造钢锭；

步骤5、将步骤4得到的高合金热作模具钢锻造钢锭进行淬火处理，淬火处理后进行2个温度段的退火处理，得到高合金热作模具钢预备成品；

步骤6、将步骤5得到的高合金热作模具钢预备成品进行表面车削，探伤检验后得到高合金热作模具钢成品。

本发明所述的高合金热作模具钢的制备工艺，步骤1中真空精炼保持真空度为67帕以下，保持时间15min，破真空后通氩气15min。

本发明所述的高合金热作模具钢的制备工艺，步骤3中高温均质化处理包括如下步骤：

步骤a：高温处理阶段，加热温度1230℃～1250℃，保温时间根据高合金热作模具钢电渣钢锭的直径分别设定，直径≤720mm，保温时间45～50h，720mm＜直径≤865mm，保温时间53～57h，865mm＜直径≤935mm，保温时间63～67h；

步骤b：次高温处理阶段，降低温度至1180℃～1200℃次高温段，保持温度时间1.5～2.0h。

相比于现有工艺只在高温段加热温度为1200℃保持一定时间后，将钢锭从加热炉中取出进行锻造。现有工艺加热温度较低，不能很好地改善钢锭铸态下成分的不均匀现象，同时，现有工艺在高温段钢锭保温时间较短，且用钢锭重量确定保温时间，钢锭高温均匀化效果不理想，达不到预期效果。

相比于现有的根据电渣钢锭重量的不同设定不同范围的熔化时间，本发明是通过高合金热作模具钢电渣钢锭的直径设定高温处理时间，保温时间根据高合金热作模具钢电渣钢锭的直径分别设定，直径≤720mm，保温时间48h，720mm＜直径≤865mm，保温时间55h，865mm＜直径≤935mm，保温时间65h。原工艺以钢锭重量为设计依据来规定熔化时间，没有考虑到结晶器直径这个重要参数。因为生产同一重量的钢锭，可以用不同直径的结晶器。电渣重熔的目的是进一步提纯钢液，并使钢锭的凝固结构得到有效控制。所以结晶器直径是关键参数。

本发明所述的高合金热作模具钢的制备工艺，步骤4中的锻造处理阶段，锻造采用3次镦粗与3次拔长方式操作，镦粗比控制在40％～50％，镦粗比＝镦粗后钢锭高度/镦粗前钢锭高度。相比与现有工艺锻造时采用2次镦粗与2次拔长方式操作，钢锭内部的碳化物被破碎程度还欠缺。而且现有工艺镦粗比值的计算方法是用钢锭横截面积计算，实际操作过程中计算很不方便，本发明通过镦粗高度比控制在40％～50％，精准控制镦粗过程。

本发明所述的高合金热作模具钢的制备工艺，步骤5中的淬火处理阶段，淬火温度为1040℃～1050℃，时间为12～16h。本发明提高了淬火温度，使得合金化合物固溶效果增强。

本发明所述的高合金热作模具钢的制备工艺，步骤5中的退火处理阶段是，将淬火加热的高合金热作模具钢锻造钢锭从加热炉中取出，迅速冷却到300～350℃，进行2个温度段退火处理，第一个退火处理温度段为870～890℃，处理时间为20～25h，第二个退火处理温度段为730～750℃，处理时间为90～95h。能够使球化组织均匀细化。

本发明所述的高合金热作模具钢的制备工艺，高合金热作模具钢中的Cr含量为10％～15％。通过本发明制备工艺后的高合金热作模具钢，球化组织达到AS1～AS4级，非金属夹杂物总和≤2.0级，无缺口冲击功大于200J，材料的等向性T/L≥0.80。碳化物分布细小、弥散，模具使用寿命长。

本发明在电渣重熔冶炼过程中，以结晶器直径作为关键参数，通过其设定冶炼过程平均熔化速度，由平均熔化速度控制结晶器内钢水熔池形状，以此达到预想的钢水凝固结构；通过提高钢锭加热温度与高温段保持时间，来大幅度改善钢锭成分的不均匀性，为得到超细化组织与高的冲击韧性做准备；锻造采用3次镦粗与3次拔长方式操作，可使钢锭内部的碳化物被破碎程度加大，使球化组织及性能得到提高；镦粗比值的计算方法采用钢锭镦粗前后高度的比值，可使操作简便并且镦粗目的与效果易于实现；将锻造完毕后球化的热处理温度给予提高，可在保留一定碳化物的基础上，合金元素溶入奥氏体内增多，球化效果得到提高，为后续的加工及再次热处理做好基础；锻造完毕后的淬火加热、冷却及退火可使球化组织均匀细化。

附图说明

图1为本发明具体实施方式一中制备的高合金热作模具钢的球化组织的500倍的金相照片。

具体实施方式

具体实施方式一：

一种高合金热作模具钢的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1、电弧炉EBT初炼，LF精炼，VD真空除气，浇注成高合金热作模具钢电极坯料；

步骤2、将步骤1制成的高合金热作模具钢电极坯料进行电渣重熔得到高合金热作模具钢电渣钢锭，从高合金热作模具钢电极坯料进入结晶器中熔化的渣池开始，至高合金热作模具钢电极坯料从结晶器中提升切断电源冶炼过程完毕，根据结晶器直径的的不同，整个重熔冶炼过程设定不同范围的熔化速度，每小时平均熔化速度(kg/h)＝结晶器平均直径D(mm)×A，A＝0.80～0.82(kg/h.mm)；

步骤3、将步骤2制成的高合金热作模具钢电渣钢锭进行高温均质化处理，得到高合金热作模具钢均质化钢锭；

步骤4、将步骤3得到的高合金热作模具钢均质化钢锭进行锻造处理，得到高合金热作模具钢锻造钢锭；

步骤5、将步骤4得到的高合金热作模具钢锻造钢锭进行淬火处理，淬火处理后进行2个温度段的退火处理，得到高合金热作模具钢预备成品；

步骤6、将步骤5得到的高合金热作模具钢预备成品进行表面车削，探伤检验后得到高合金热作模具钢成品。

本实施方式中步骤1中真空精炼保持真空度为67帕以下，保持时间15min，破真空后通氩气15min。

本实施方式中步骤3中高温均质化处理包括如下步骤：

步骤a：高温处理阶段，加热温度1250℃，保温时间根据高合金热作模具钢电渣钢锭的直径分别设定，直径＝720mm，保温时间48h；

步骤b：次高温处理阶段，降低温度至1200℃次高温段，保持温度时间2.0h。

本实施方式中步骤4中的锻造处理阶段，锻造采用3次镦粗与3次拔长方式操作，镦粗比控制在40％，镦粗比＝镦粗后钢锭高度/镦粗前钢锭高度。

本实施方式中步骤5中的退火处理阶段，淬火温度为1050℃，时间为12h；将淬火加热的高合金热作模具钢锻造钢锭从加热炉中取出，迅速冷却到300～350℃，进行2个温度段退火处理。第一个退火处理温度段为890℃，处理时间为16h，第二个退火处理温度段为740℃，处理时间为95h。

本实施方式中高合金热作模具钢中的Cr含量为10％～15％，通过本实施方式制得的高合金热作模具钢球化组织达到AS1～AS4级，非金属夹杂物总和≤2.0级，无缺口冲击功大于200J，材料的等向性T/L≥0.80。本实施方式制备的球化组织的500倍的金相照片如附图1所示。从附图1中可以看出，高合金热作模具钢球化组织达到AS1～AS4级。

具体实施方式二：

根据具体实施方式一的高合金热作模具钢的制备工艺，10％Cr含量的热作模具钢是在H13钢种的基础上，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，在电渣钢锭内部易产生严重的成分偏析，钢锭在锻造加工时热塑性性能较差，生产制造难度较大。材质本身碳化物网状、带状、液析以及夹杂物、气体、探伤等要求指标都很严格。根据此钢种自身特性，合理制定电渣钢锭在锻造加工前高温均匀化温度和时间，在锻造加工时采用多向锻造的锻造方式，使碳化物得到一定程度的破碎及改善纤维方向，锻后进行超细化球化退火处理，最终使模具的使用寿命得到提升，综合效益得到提高。

具体实施方式三：

根据具体实施方式一的高合金热作模具钢的制备工艺，针对10％Cr含量热作模具钢的成品化学成分要求，并考虑进行电渣重熔时易烧损元素的烧损量，首先设定了该钢种的内控坯料成分。

钢的冶炼选择炉料时要严格控制有害元素Pb、Sn、As、Sb、Bi含量。化学元素P及钢水温度合适时全扒渣，且保证足够的扒渣量。当脱氧良好，渣子变白，出钢温度合适时出钢，出钢同时吹氩。钢包到LF精炼位后给电升温，加热一定时间后取样，根据分析结果调整成分符合要求。当钢液温度适宜，渣子白、脱氧良好后进行真空精炼。真空度在67帕以下，保持15分钟，破真空后弱吹氩15分钟。浇注电极坯料，在生产过程中选择合适的浇铸温度和浇铸速度。电极坯料退火，退火出炉后清理，进行电渣重熔。

具体实施方式四：

根据具体实施方式一的高合金热作模具钢的制备工艺，电渣重熔时，首先要加强对渣料的烘烤，确保渣料的加热温度和加热时间；且在化渣时，渣料要均匀地分批加入，以保证化渣质量，渣化清后方可进入精炼期。尤其要注意补缩期操作的控制，以保证实现缩孔深度最小、体积最小，提高电渣钢锭的成材率。电渣重熔过程中根据钢锭锭型大小合理的控制熔化速度，保证熔化速度均衡稳定。电渣钢锭退火处理，退火后进行清理取样，然后转到锻造厂进行加热、锻造工序。

具体实施方式五：

电渣钢锭装入待料炉预热，在升至锻造温度后，进行高温均匀化处理，其目的是为了改善或消除在冶金过程中形成的成分不均匀性，保温后进行锻造。10％Cr含量钢其锻造特性比较差。采用镦粗、拔长的锻造方式，满足锻造比≥3的要求，充分破碎粗大的树枝状碳化物。锻造过程中关键控制高温扩散的温度和保温时间、锻造每火次的返炉保温温度和时间、每火次的变形量和终锻温度的控制。

锻后热处理实际上是预备热处理，其重点是要完成以下任务：一是消除网状碳化物，二是消除应力软化组织得到超细化球状珠光体组织，因此热处理工艺曲线主要由二个部分组成：淬火+超细化球化退火。