一种冷作模具钢的制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种冷作模具钢的制备方法。

背景技术

近20年来，我国模具工艺发展非常迅速，尤其是近几年，模具需求一直以每年15％的速度快速增长，国民经济高速发展对模具工艺提出了越来越高的要求。Cr12系列钢属于高耐磨微变形冷作模具钢，其具有高的耐磨性、淬透性、微变形、高的热稳定性，高抗弯强度等特点，是重要的冲模、冷镦模材料，其消耗量居冷作模具钢首位。

由于汽车等行业轻量化的发展，冷作模具在汽车行业使用量最大，并且近几年各种新型车不断推向市场，因此，冷冲压市场需求呈逐年增加趋势，并且随之对冷作模具钢的性能和质量提出了更高的要求。原有冷作模具钢的基本系列，如Cr12系等不能满足需要，为了提高冷作模具钢的韧性并使钢的耐磨性不降低，需要开发高韧性、高耐磨性兼备的冷作模具钢。此类钢一般以Cr12MoV钢成分为基础，进一步优化元素控制范围，提升产品的综合性能，满足多用途使用要求，此类钢韧性和耐磨性远高于Cr12类型钢，它们的硬度、抗弯强度、疲劳强度和断裂韧性高，抗回火稳定性也高于Cr12型模具钢。针对国内冷作模具钢质量良莠不齐以及高端冷作模具钢长期依赖进口的局面等现状，为满足国内高端冷作模具市场的需求，开发出新型精密冲压成型的冷作模具钢具有重要意义。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种冷作模具钢的制备方法，本申请制备的冷作模具钢的非金属夹杂物减少、低倍组织缺陷少，且冲击性能优异。

有鉴于此，本申请提供了一种冷作模具钢的制备方法，包括依次进行的电弧炉熔炼、LF精炼、VD精炼、模铸、锻造、轧制和等温球化退火，

所述电弧炉熔炼的过程中：C的含量为1.4～1.6wt％，Mo的含量为0.75～1.2wt％，V的含量为0.20～0.80wt％；

所述锻造的过程中，采用45MN压机快锻，且开锻前砧子预热。

优选的，所述LF精炼的过程中，精炼的温度为1500～1650℃，还原剂为碳粉和钢渣友。

优选的，所述钢渣友的加入时机为：精炼10min时加入钢渣友，精炼期每间隔10min再分三次依次加入钢渣友。

优选的，所述VD精炼的过程中，VD开始时吹氩流量为100～150L/min，破空前1～2min，吹氩流量为20～50L/min。

优选的，所述VD精炼后的[H]≤2.5ppm。

优选的，所述模铸的浇注温度为1440～1450℃，模温为50～100℃；水口和浇口之间的高度≤100mm。

优选的，所述锻造的开锻温度为1000～1200℃。

优选的，所述锻造的过程中，始锻和终锻的压下量为5～10mm，中间锻的压下量为30～50mm。

优选的，所述锻造的拔长比≥6，镦粗比≥2。

优选的，所述轧制为热轧，所述热轧包括预热段、加热段和均热段，所述预热段的温度为950℃～1000℃，所述加热段的温度为1140～1150℃，所述均热段的温度为1140～1150℃。

本申请提供了一种冷作模具钢的制备方法，其包括依次进行的电弧炉熔炼、LF精炼、VD精炼、模铸、锻造、轧制和等温球化退火；进一步的，本申请对熔炼和锻造过程中的参数进行了调整，最终使得制备的冷作模具钢的非金属夹杂物减少、低倍组织缺陷少。

附图说明

图1为本发明第一炉冷作模具钢的金相照片；

图2为本发明第二炉冷作模具钢的金相照片；

图3为本发明铸锭加热流程曲线图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

鉴于现有技术中冷作模具钢性能不均的问题，本申请提供了一种冷作模具钢的制备方法，其通过各个过程的优化和参数的调整，使得制备的冷作模具钢的非金属夹杂物减少，低倍组织缺陷少。具体的，本发明实施例公开了一种冷作模具钢的制备方法，包括依次进行的电弧炉熔炼、LF精炼、VD精炼、模铸、锻造、轧制和等温球化退火，

所述电弧炉熔炼的过程中：C的含量为1.4～1.6wt％，Mo的含量为0.75～1.2wt％，V的含量为0.20～0.80wt％；所述锻造的过程中，采用45MN压机快锻，且开锻前砧子预热。

在冷作模具钢制备的过程中，首先电弧炉熔炼的过程中，C的含量为1.4～1.6wt％，Mo的含量为0.75～1.2wt％，V的含量为0.20～0.80wt％。此过程中首先吹氧脱碳，再加入石灰、萤石和脱氧剂进行预还原，所述脱氧剂具体选自CaSi、Al块和碳粉。

在电弧炉熔炼之后则进行LF精炼，在此过程中，精炼的温度为1500～1650℃，具体的，所述精炼的温度为1550～1620℃。还原剂为碳粉和钢渣友，且钢渣的加入时机为：精炼10min时加入钢渣友，精炼期每间隔10min再分三次依次加入钢渣友。

按照本发明，然后进入VD精炼，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。

在模铸的过程中，所述模铸的浇注温度为1440～1450℃，模温为50～100℃；水口和浇口之间的高度≤100mm；具体的，所述模铸的浇注温度为1442～1448℃，模温为60～80℃，水口和浇注口之间的高度为60～80mm。

本申请在锻造的过程中采用45MN压机快锻，且开锻前砧子需要预热；所述预热优选为预热至200～250℃，具体可为200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃。本发明中，开锻温度为1080～1150℃，具体可为1080℃、1090℃、1100℃、1110℃、1120℃、1130℃、1140℃、1150℃；终锻温度为900～980℃，具体可为900℃、910℃、920℃、930℃、940℃、950℃、960℃、970℃、980℃。

在所述锻造的过程中，本申请采用二轻一重的锻造方式进行，始锻和终锻要轻压，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。所述锻造的拔长比≥6，镦粗比≥2。

本申请然后进行了轧制，所述轧制具体为热轧，其包括预热段、加热段和均热段，所述预热段的温度为950℃～1000℃，所述加热段的温度为1140～1150℃，所述均热段的温度为1140～1150℃。上述三个加热段的设置以保证加热的均匀性。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的冷作模具钢的制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例

1)工艺流程

电弧炉+炉外精炼+真空脱气+电渣精炼+锻造+轧制+等温球化退火→探伤；

2)具体生产工艺：

冶炼及浇注：

所述EF熔炼过程中：将合金原料装料前炉底垫石灰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；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LF精炼；

所述LF精炼过程中：精炼温度为1550℃，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/炉钢渣友进行还原，钢渣友加入方式为精炼10min时加入钢渣友150kg，精炼期间隔10min按50kg、30kg、20kg加入钢渣友还原，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；当化学成分[S]≤0.008wt％、吊包温度为1620℃后除渣约1/2进行VD精炼；

所述VD精炼过程中：渣厚为80mm；真空度≤67Pa，真空保持时间为15min，吹氩流量为120L/min，破空前1～2min，吹氩流量为30L/min；VD精炼完成后[H]≤2.5ppm；

所述模铸过程中：浇注温度为1445℃，模温为60℃；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，得到铸锭；

①合金元素控制：C含量按1.4～1.6％控制，减少C含量的聚集；Mo含量按0.75～1.2％控制，提高此钢的淬透性；V含量控制在0.20～0.50％，细化组织及晶粒；

②浇注温度1440～1450℃，减少偏析；

③提高纯净度，钢锭中气体含量氮≤130ppm、氢≤1.5ppm、氧≤20ppm；

所述电渣重熔过程中将渣料经过烘烤后使用，所述烘烤的温度为750℃，所述烘烤的时间为6.5小时，渣系包括质量比为70：30的CaF

所述电渣重熔的过程中结晶器出水温度为45℃，熔速为7kg/min；渣重为120kg，恒熔速保护气氛电渣炉冶炼；熔速控制6.0～5.0kg/min，渣系CaF

3)锻造：

锻造优选采用45MN压机快锻，本发明中，在开锻前将砧子预热(或者使用锻造后的热砧子)，只要砧子为热的即可，严禁使用冷砧子。

本发明中，预热至250℃；

然后将步骤2)得到的铸锭按照图3所示的加热方式加热至开锻温度，开锻温度为1070～1090℃，终锻温度为960～980℃，本发明中，采用二轻一重的锻造方式进行锻造，始锻、终锻要轻压(压下量5～6mm)、中间进行重压(压下量48～50mm)，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；锻造控制好终轧温度(≥950℃)，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；本发明中，所述锻造的总锻比为≥8；棱角发暗时应停锻，及时回炉；本发明中，在锻造过程中热切头尾，切净头尾烂料及毛刺，保证表面质量；

4)轧制：

表1不同厚度下的加热工艺数据表

钢坯进炉时，预热段温度控制950～1000℃，同时加热段温度控制在1050℃，当预热时间达到规定时间80％时，加热段开始升温至1140～1150℃，达到设定温度后，钢锭缓慢进入均热段加热，以保证加热均匀性。

5)检验：

检验项目包括：化学成分、非金属夹杂物、低倍、硬度、共晶、块状、显微组织。

2018年至今采用上述方法生产了三炉新型精密冲击成型的冷作模具钢模具钢，扁钢规格为20～60(厚度)*610(宽度)mm；检验结果合格，成功交付用户。成品材上取样检测结果如下：

化学成分化验结果见表2：

表2化学成分wt％

非金属夹杂物见表3：

表3非金属夹杂物

低倍组织见表4：

表4低倍组织

共晶：1、1；1.5、1；2、2级。

显微组织：合格(如图1所示)，合格(如图2所示)，合格。

块状25、28；23、26；28、30。

超声波探伤：规格20-60*610mm扁钢探伤满足按GB/T4162 A级要求。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。