一种冷作模具钢棒材制造方法

技术领域

本发明属于金属制造技术领域，特别涉及一种冷作模具钢棒材制造方法。

背景技术

模具钢是制造模具的材料，其现状与发展反映了一个国家的工业水平。冷作模具钢包括制造冲截用的模具(落料冲孔模、修边模、冲头、剪刀)、冷镦模和冷挤压模、压弯模及拉丝模等。目前，我国常用的冷作模具钢仍是低合金工具钢CrWMn和高碳高铬工具钢Cr12MoV及Cr12这些老钢号。CrWMn钢有适当的淬透性和耐磨性，热处理变形小，但CrWMn钢锻后需较严格地控制冷速，并采用适当的热处理，使碳化物呈均匀细小的粒状，分布于基体上，否则易形成网状碳化物，导致模具在使用中的崩刃和开裂。高碳高铬工具钢有高的耐磨性，但其碳化物偏析较严重，导致变形的方向性和强韧性的降低。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种冷作模具钢棒材制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种冷作模具钢棒材制造方法，包括以下步骤：

选取原料；

基于原料依次进行电炉工艺、钢包精炼工艺、真空脱气工艺、浇铸工艺、锻造工艺、退火工艺和产品检测；

获取目标规格的棒材。

优选地，所述棒材的目标规格包括Φ150-220mm。

优选地，所述棒材的化学成分以质量百分比计如下：

C的含量为0.68％～0.78％；

Si的含量为0.7％～1.2％；

Mn的含量为0～0.4％；

P的含量为0～0.03％；

S的含量为0～0.02％；

Cr的含量为6.5％～7.5％；

Mo的含量为1.9％～2.5％；

V的含量为1.8％～2.2％；

Ni的含量为0～0.25％；

Cu的含量为0～0.25％。

优选地，所述棒材的硬度范围为≤235HB。

优选地，所述棒材的共晶≤3级。

优选地，所述电炉工艺，包括：

将合金原料装入电炉并送电熔化，随后吹氧脱碳；

加入石灰、萤石和脱氧剂进行预还原，随后出钢并清除钢渣。

优选地，所述合金原料中C的含量为0.93～1.05wt％，Mo的含量为1.9～2.1wt％，V的含量为0.25～0.40wt％；所述脱氧剂包括CaSi、Al和C。

优选地，所述钢包精炼工艺，包括：

通过钢包精炼炉对钢渣进行精炼，精炼温度1500～1650℃，直至钢渣中S≤0.008wt％；

所述真空脱气工艺包括：

往精炼钢包炉吹入惰性气体，直至氢≤2.5ppm，得到钢水。

优选地，所述浇铸工艺，包括：

将钢水浇铸到模具中，浇铸温度1440～1450℃，模温50～100℃，水口与浇口之间的高度差≤100mm，最后得到铸锭；

所述锻造工艺，包括：

对铸锭采用45MN压机快锻，并多次镦拔，使总锻比≥8，得到锻件。

优选地，所述退火工艺，包括：

设置退火炉初始温度为400～500℃，将锻件装入退火炉中；

将温度上升至840～860℃，升温时间≥5h，随后在840～860℃保持10h以上；

以≤30℃/h的速度进行降温，直至温度下降至700℃～720℃，在700℃～720℃下持续15h以上；

以≤30℃/h的速度进行降温，直至冷却，得到棒材。

优选地，所述产品检测，包括：

检测棒材的化学成分、非金属夹杂物占比、低倍组织、硬度和共晶等级。

本发明的有益效果：

本发明提出了一种冷作模具钢棒材制造方法，生产出高强高韧的冷作模具钢，工艺成熟、质量稳定、合格率高废品少、成材率稳定在较高水平，满足市场需求，创造了经济效益；本发明在保证化学成分满足技术要求和工艺内控要求的前提下，并采电渣结合锻造的核心技术，采用高温均质化处理可使铸锭中的小颗粒共晶碳化物基本消失，大颗粒共晶碳化物部分溶解，成分偏析明显改善，进而使钢材中碳化物细小、均匀，横向冲击性能明显提高。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书中所指出的结构来实现和获得。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种冷作模具钢棒材制造方法，包括以下步骤：首先选取原料，然后基于原料依次进行电炉工艺、钢包精炼工艺、真空脱气工艺、浇铸工艺、锻造工艺、退火工艺和产品检测，最后获取目标规格的棒材。

需要说明的是，通过采用上述工艺技术，在保证化学成分满足技术要求和工艺内控要求的前提下，并采电渣+锻造的核心技术，采用高温均质化处理可使铸锭中的小颗粒共晶碳化物基本消失，大颗粒共晶碳化物部分溶解，成分偏析明显改善，进而使钢材中碳化物细小、均匀，横向冲击性能明显提高。

进一步地，通过上述工艺制备的棒材需要满足以下要求，其中棒材的化学成分以质量百分比计如下：

C的含量为0.68％～0.78％；Si的含量为0.7％～1.2％；Mn的含量为0～0.4％；P的含量为0～0.03％；S的含量为0～0.02％；Cr的含量为6.5％～7.5％；Mo的含量为1.9％～2.5％；V的含量为1.8％～2.2％；Ni的含量为0～0.25％；Cu的含量为0～0.25％。另外，棒材的硬度范围为≤235HB，而且棒材的共晶≤3级。

进一步地，电炉工艺包括以下步骤：

将合金原料装入电炉并送电熔化，随后吹氧脱碳；

加入石灰和萤石和脱氧剂进行预还原，随后出钢并清除钢渣。

需要说明的是，合金原料中C的含量为0.93～1.05wt％，Mo的含量为1.9～2.1wt％，V的含量为0.25～0.40wt％；脱氧剂包括CaSi、Al和C。

进一步地，钢包精炼工艺包括以下步骤：

通过钢包精炼炉对钢渣进行精炼，精炼温度1500～1650℃，直至钢渣中S≤0.008wt％；另外，在钢包精炼工艺中，精炼温度可以进一步控制在1550℃至1620℃，而且钢渣的加入时间为精炼10min后，具体在精炼期每间隔10min再分三次依次加入钢渣。

真空脱气工艺包括以下步骤：

往精炼钢包炉吹入惰性气体，直至[H]≤2.5ppm，得到钢水；具体地，此过程中的真空度为≤67Pa，保持时间为10～20min，开始时吹氩流量为100～150L/min，破空前1～2min，吹氩流量为20～50L/min，在VD精炼之后[H]≤2.5ppm。

进一步地，浇铸工艺包括以下步骤：

将钢水浇铸到模具中，浇铸温度1440～1450℃，模温50～100℃，水口与浇口之间的高度差≤100mm，最后得到铸锭；具体的，模铸的浇注温度为1442-1448℃，模温为60～80℃，水口和浇注口之间的高度为60～80mm。

锻造工艺包括以下步骤：

对铸锭采用45MN压机快锻，并多次镦拔，使总锻比≥8，得到锻件。需要说明的是，在快锻之前一般需要对砧子预热，预热时优选为预热至200～250℃。另外，开锻温度为1080～1150℃，终锻温度为900～980℃。而且本发明采用二轻一重的锻造方式进行，开锻和终锻要轻压，中间进行重压；始锻和终锻的压下量为5～10mm，中间锻的压下量为30～50mm，锻造的拔长比≥6，镦粗比≥2。

进一步地，退火工艺包括以下步骤：

首先设置退火炉初始温度为400～500℃，将锻件装入退火炉中；然后将温度上升至840～860℃，升温时间≥5h，随后在840～860℃保持10h以上；接着以≤30℃/h的速度进行降温，直至温度下降至700℃～720℃，在700℃～720℃下持续15h以上；最后以≤30℃/h的速度进行降温，直至冷却，得到棒材。

进一步地，产品检测需要检测的内容包括：棒材的化学成分、非金属夹杂物占比、低倍组织、硬度和共晶等级。

需要说明的是，电炉工艺+钢包精炼工艺+真空脱气工艺的工艺要点如下：

①合金元素控制：C含量按中下限控制，减少C含量的聚集；Mo含量按0.85％控制，提高此钢的淬透性；V含量控制在0.75-1.00％，细化组织及晶粒。

②降低此钢的浇注温度，减少偏析。

③提高纯净度，降低钢锭中气体含量，O含量≤15ppm，N含量≤150ppm。

下面结合具体的实施例，制造目标规格为Φ150-220mm的棒材：

实施例一

1、电炉工艺：将合金原料(C含量0.93wt％、Mo含量1.9wt％)装入电炉，料前炉底垫石灰800kg，然后装料送电熔化，在温度为1580℃使炉料全熔；在1600℃进行氧化，吹氧脱C；加石灰400kg、萤石100kg和脱氧剂进行预还原，脱氧剂用量为CaSi 40kg/炉、Al块130kg/炉和80kg/炉C粉，预还原的时间为10min，直至钢渣中S≤0.008wt％，温度为1650℃钢渣混冲出钢，在出钢量1/3时加入FeMo和FeCr到钢包中；出钢完及时除渣进行钢包精炼。

2、钢包精炼工艺：精炼温度为1500℃，喂Al线100m/炉，加入渣料石灰500kg、精炼渣400kg，入罐渣厚20mm；进行送电还原，使用80kg/炉C粉和250kg/炉钢渣进行还原，钢渣加入方式为精炼10min时加入钢渣150kg，精炼期间隔10min按50kg、30kg、20kg加入钢渣，精炼过程白渣保持时间为15min；精炼后期补加C粉保持还原气氛，精炼后期终渣控制为：50wt％的氧化钙，10wt％的二氧化硅，33wt％的三氧化二铝，8wt％的氧化镁，直至化学成分[S]≤0.008wt％、吊包温度为1620℃后除渣约1/2进行真空吹气。

3、真空吹气工艺：控制精炼钢包炉的真空度≤67Pa，保持时间10min，然后吹入100L/min的氩气，破空前1～2min，吹氩流量为20L/min，直至[H]≤2.5ppm。

4、浇铸工艺：浇注温度为1440℃，模温为50℃；浇注前通氩气3～5分钟，浇注时采用Ar气保护浇注；浇注过程中水口和浇口之间高度不能过高，高度尽量控制在≤100mm，减少钢液的二次污染，使用的中注管高度比锭模高300mm以上，保证钢水浇注时有足够的静压力；浇注时间为6～8min，最后得到铸锭。

5、锻造工艺：锻造优选采用45MN压机快锻，开锻前砧子必须预热至200～250℃(或用锻造后的热砧子)，严禁使用冷砧子；开锻温度：1080～1150℃，终锻温度900～980℃，回炉再烧时间≥2h；操作过程中应执行“二轻一重”的锻造方法，始锻、终锻要轻压(压下量5～10mm)、中间进行重压(压下量30～50mm)，锻压过程中注意各部分变形要均匀，要保持各部分的温度的均匀；棱角发暗时应停锻，及时回炉。采用多次镦拔方法进行锻造，总锻比(拔长比)

6，需进行镦粗时，镦粗比2；镦拔次数在1次以上，以保证变形充分；锻造的总锻比为8；棱角发暗时应停锻，及时回炉。

6、退火工艺：首先设置退火炉初始温度为400℃，将锻件装入退火炉中；然后将温度上升至840℃，升温时间5h，随后在840℃保持10h以上；接着以≤30℃/h的速度进行降温，直至温度下降至700℃℃，在700℃下持续15h以上；最后以≤30℃/h的速度进行降温，直至冷却，得到棒材。

实施例二

1、电炉工艺：将合金原料(C含量1.05wt％、Mo含量2.1wt％)装入电炉，料前炉底垫石灰800kg，然后装料送电熔化，在温度为1580℃使炉料全熔；在1600℃进行氧化，吹氧脱C；加石灰400kg、萤石100kg和脱氧剂进行预还原，脱氧剂用量为CaSi 40kg/炉、Al块130kg/炉和80kg/炉C粉，预还原的时间为10min，直至钢渣中S≤0.008wt％，温度为1650℃钢渣混冲出钢，在出钢量1/3时加入FeMo和FeCr到钢包中；出钢完及时除渣进行钢包精炼。

2、钢包精炼工艺：精炼温度为1650℃，喂Al线100m/炉，加入渣料石灰500kg、精炼渣400kg，入罐渣厚20mm；进行送电还原，使用80kg/炉C粉和250kg/炉钢渣进行还原，钢渣加入方式为精炼10min时加入钢渣150kg，精炼期间隔10min按50kg、30kg、20kg加入钢渣，精炼过程白渣保持时间为15min；精炼后期补加C粉保持还原气氛，精炼后期终渣控制为：50wt％的氧化钙，10wt％的二氧化硅，33wt％的三氧化二铝，8wt％的氧化镁，直至化学成分[S]≤0.008wt％、吊包温度为1620℃后除渣约1/2进行真空吹气。

3、真空吹气工艺：控制精炼钢包炉的真空度≤67Pa，保持时间20min，然后吹入150L/min的氩气，破空前1～2min，吹氩流量为50L/min，直至[H]≤2.5ppm。

4、浇铸工艺：浇注温度为1450℃，模温为100℃；浇注前通氩气3～5分钟，浇注时采用Ar气保护浇注，浇注过程中水口和浇口之间高度不能过高，高度尽量控制在≤100mm，减少钢液的二次污染，使用的中注管高度比锭模高300mm以上，保证钢水浇注时有足够的静压力，浇注时间为6～8min，最后得到铸锭。

5、锻造工艺：锻造优选采用45MN压机快锻，开锻前砧子必须预热至200～250℃(或用锻造后的热砧子)，严禁使用冷砧子；开锻温度：1080～1150℃，终锻温度900～980℃，回炉再烧时间≥2h；操作过程中应执行“二轻一重”的锻造方法，始锻、终锻要轻压(压下量5～10mm)、中间进行重压(压下量30～50mm)，锻压过程中注意各部分变形要均匀，要保持各部分的温度的均匀；棱角发暗时应停锻，及时回炉。采用多次镦拔方法进行锻造，总锻比(拔长比)6，需进行镦粗时，镦粗比2；镦拔次数在1次以上，以保证变形充分；锻造的总锻比为8；棱角发暗时应停锻，及时回炉。

6、退火工艺：首先设置退火炉初始温度为500℃，将锻件装入退火炉中；然后将温度上升至860℃，升温时间5h，随后在860℃保持10h以上；接着以≤30℃/h的速度进行降温，直至温度下降至720℃，在720℃下持续15h以上；最后以≤30℃/h的速度进行降温，直至冷却，得到棒材。

对实施例一至实施例二进行产品检测，结果如下：

表1：化学成分表wt％

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从表1中可知，各化学成分均满足要求。

表2：非金属夹杂物表

以实施例1为例，在A、B、C、D四个组别中，分别取两组棒材，然后对两组棒材的粗系和细系进行分类，以A组为例，两组棒材的粗系夹杂物根据GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》的评级为0，细系夹杂物的评级为0.5，均满足质量要求，同理在B、C、D组中也同样对棒材进行了评级。

表3：低倍组织表

在表3中，低倍组织在横酸浸下无明显变化，根据《GBT1979-2001-结构钢低倍组织缺陷评级图》，在锭型偏析和中心疏松的评级中均评为0.5。

另外，在实施例一中，共晶等级：1.5、2.0，显微组织合格，硬度为219HB，规格150-220mm圆钢探伤满足按GB/T4162 B级要求；在实施例二中，共晶等级：2、2；显微组织合格，硬度221HB，规格150-220mm圆钢探伤满足按GB/T4162 B级要求。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。