本发明公开一种Φ300mm～Φ700mm高碳高铬冷作模具钢锻造圆钢制造工艺，目的是解决大型钢锭的铸态组织碳化物偏析恶化、造成大截面锻材共晶碳化物不均匀度十分严重以及锻造过程中的内裂和表面裂纹缺陷增加的问题。本发明通过采用LF精炼、VD脱气、喂铝线等炼钢工艺措施提高了钢水洁净度，对电渣重熔输出功率的控制以及锻造前均质化处理，改善共晶碳化物偏析和钢的热加工塑性；并通过对大型高碳高铬钢锭的锻造火次和不同变形量控制，破碎大颗粒碳化物和改善共晶碳化物不均匀度、防止锻造过程中裂纹缺陷，生产的高碳高铬钢大截面锻材达到共晶碳化物不均匀度4级～6级；超声波探伤达到E/e级或D/d级良好水平。
1.一种Φ300mm～Φ700mm高碳高铬冷作模具钢锻造圆钢制造工艺，其特征在于：所述工艺如下： ⑴钢的化学成分控制在：C：1.4%～1.8%、Mn：0.30%～0.80%、Si：0.30%～0.80%、S：≤0.010%、P：≤0.030%、Cr：11.0%～13.0%、Mo：0.8%～1.4%、V：0.8%～1.4%、氧含量-6≤20×10 ，其余为Fe；
⑵钢采用EAF+LF+VD或EAF+LF+VD+ESR方法冶炼，精炼钢钢锭：4t～9t；电渣钢锭：Φ930mm～Φ1100mm；
①在采用EAF+LF+VD工艺生产4t～9t精炼钢钢锭或Φ700mm电极棒时，LF炉精炼用-6白渣法，在VD炉脱气后喂铝线,控制钢水氧含量不大于20×10 ；
②在Φ930mm和Φ1100mm电渣钢锭冶炼中，电极棒重熔输入功率分别控制在
1350kW～1450kW和1750kW～1850kW；充填阶段输入功率以不大于100kW/h的速度逐渐降低；
⑶钢锭在锻造前进行高温均质化处理，加热温度为1170℃～1200℃，保温时间根据锭型按4h～10h控制； ⑷采用多火次锻造，分为三个步骤：
第一步，对称变形锻造：钢锭按1140℃～1160℃加热，再烧保温时间按1.5h-3.0h控制；采用上下等宽平砧对钢锭轻压，该工序每道次变形量按3%～6%控制；终锻温度不低于
第二步，不对称变形锻造：钢坯按1120℃～1140℃加热，再烧保温时间按1.5h-3.0h控制；对中间钢坯采用上宽平砧、下平台锻造，该工序每道次变形量按15%～30%控制；终锻温度不低于850℃；
第三步，成品锻造：将锻坯采用圆孔型砧精整成形，该工序每道次变形量在5%～15%；
2.根据权利要求1所述Φ300mm～Φ700mm高碳高铬冷作模具钢锻造圆钢制造工艺生产的锻造圆钢，其特征在于：所述生产的锻造圆钢共晶碳化物不均匀度按GB/T 14979标准中第四评级图评定为4级～6级；退火出炉后的成品材按SEP1921中3组超声波探伤，质量等级满足E/e级、D/d级。
3.根据权利要求1所述Φ300mm～Φ700mm高碳高铬冷作模具钢锻造圆钢制造工艺，其特征在于：所述工艺如下：生产尺寸外形为Φ300mm圆钢；
⑴钢的化学成分（%）熔炼分析：C：1.51、Mn：0.37、Si：0.42、S：0.008、 P：≤0.021、Cr：-6
11.92、Mo：0.89、V：0.83、氧含量：16×10 ，其余为Fe；
⑵采用EAF+LF+VD方法冶炼，LF炉采用4.25高碱度渣，渣子中[FeO]含量为0.61%，白渣时间为35min；VD真空度≤1mbar，保持15min，浇注前软吹Ar气10min，浇注5t锭型，浇注温度为1471℃，5t锭红送下步分厂；
⑶钢锭经高温均质化处理，加热温度1178℃，保温时间4h；
第一步，对称变形锻造，前三火采用上下等宽平砧对钢锭轻压，道次变形量为3.83%～
第二步，不对称变形锻造，第四火至第七火采用上宽平砧、下平台锻造，道次变形量为
22.01%～29.79%，终锻温度为854℃～865℃；
第三步，成品锻造：将锻坯采用圆孔型砧精整成型，道次变形量为12.67%，终锻温度为
4.根据权利要求3所述Φ300mm～Φ700mm高碳高铬冷作模具钢锻造圆钢制造工艺生产的锻造圆钢，其特征在于：所述生产的锻造圆钢共晶碳化物不均匀度按GB/T 14979标准中第四评级图评定为4级；退火出炉后的成品材按SEP1921中3组超声波探伤，质量等级满足E/e级。
5.根据权利要求1所述Φ300mm～Φ700mm高碳高铬冷作模具钢锻造圆钢制造工艺，其特征在于：所述工艺如下：生产尺寸外形为Φ480mm圆钢；
⑴钢的化学成分（%）熔炼分析：C：1.53、Mn：0.38、Si：0.40、S：0.005、P：0.022、Cr：-6
12.01、Mo：0.91、V：0.84、氧含量：15×10 ，其余为Fe；
⑵采用EAF+LF+VD方法冶炼，LF炉采用4.21高碱度渣，渣子中[FeO]含量为0.63%，白渣时间为33min；VD真空度≤1mbar，保持15min，浇注前软吹Ar气10min，浇注9t锭型，浇注温度为1468℃，9t锭红送下步分厂；
⑶钢锭经高温均质化处理，加热温度1177℃，保温时间6h；
第一步，对称变形锻造：前四火采用上下等宽平砧对钢锭轻压，道次变形量为3.71%～
第二步，不对称变形锻造：第五火至第八火采用上宽平砧、下平台锻造，道次变形量为
16.96%～21.86%，终锻温度为851℃～862℃；
第三步，成品锻造：将锻坯采用圆孔型砧精整成型，道次变形量为9.05%，终锻温度为
6.根据权利要求5所述Φ300mm～Φ700mm高碳高铬冷作模具钢锻造圆钢制造工艺生产的锻造圆钢，其特征在于：所述生产的锻造圆钢共晶碳化物不均匀度按GB/T 14979标准中第四评级图评定为6级；退火出炉后的成品材按SEP1921中3组超声波探伤，质量等级满足D/d级。
7.根据权利要求1所述Φ300mm～Φ700mm高碳高铬冷作模具钢锻造圆钢制造工艺，其特征在于：所述工艺如下：生产尺寸外形为Φ510mm圆钢；
⑴钢的电极棒化学成分（%）分析：C：1.56、Mn：0.37、Si：0.39、S：0.005、P：≤0.022、-6Cr：11.92、Mo：0.90、V：0.89、氧含量：19×10 ，其余为Fe；
⑵采用EAF+LF+VD方法冶炼，LF炉采用4.23高碱度渣，渣子中[FeO]含量为0.62%，白渣时间为32min；VD真空度≤1mbar，保持15min，浇注前软吹Ar气10min，浇注Φ700mm圆电极棒，浇注温度为1469℃，电极棒红送退火，退火为890℃；电渣重熔时采用三元渣系CaF2：Al2O3：MgO=65%：30%：5%,其重熔渣量为370kg，重熔电压控制在75V～82V，重熔电流控制在16000A～20000A，电渣重熔锭型为Φ930mm电渣钢锭，电渣钢锭温送下步分厂；
⑶Φ930mm电渣锭经高温均质化处理，加热温度1182℃，保温时间8h；
第一步，对称变形锻造：前三火采用上下等宽平砧对钢锭轻压，道次变形量为4.36%～
第二步，不对称变形锻造：第四火至第六火采用上宽平砧、下平台锻造，道次变形量为
16.56%～20.76%，终锻温度为861℃～869℃；
第三步，成品锻造：将锻坯采用圆孔型砧精整成型，道次变形量为7.48%，终锻温度为
8.根据权利要求7所述Φ300mm～Φ700mm高碳高铬冷作模具钢锻造圆钢制造工艺生产的锻造圆钢，其特征在于：所述生产的锻造圆钢共晶碳化物不均匀度按GB/T 14979标准中第四评级图评定为5级；退火出炉后的成品材按SEP1921中3组超声波探伤，质量等级满足E/e级。
Φ300mm～Φ700mm高碳高铬冷作模具钢锻造圆钢制造工
艺
技术领域
[0001] 本发明涉及冷作模具钢锻造圆钢制造方法，具体涉及一种Φ300mm～Φ700mm高碳高铬冷作模具钢锻造圆钢制造工艺。
背景技术
[0002] 合金钢模具钢可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢，其中冷作模具钢主要用于制造在室温条件下将金属材料压制成型的各种模具；冷作模具的种类很多、应用范围广，其产值占模具总产值的1/3左右。根据模具的工作条件和生产产品的批量，冷作模具钢按性能可分为：淬透性低的碳素工具钢T8～T12等、淬透性较高的9SiCr、CrWMn等、高韧性的6CrW2Si等、高淬透性高耐磨性和淬火变形小的高碳高铬Cr12Mo1V1、Cr6WV等及粉末冶金的高合金冷作模具钢等。
[0003] 高碳高铬冷作模具钢属于莱氏体钢，由于钢中含有大量Cr、Mo、V等碳化物形成元素，在凝固和共析转变过程中会形成大量共晶碳化物，导致钢材的热塑性差，在锻造加工过程中容易出现表面裂纹。同时，尽管经锻造变形工序能够破碎鱼骨状共晶碳化物，但受锻造方向影响，大截面钢材中的碳化物分布仍然是不均匀的；钢中存在的大颗粒碳化物或碳化物分布不均匀严重时降低钢的力学性能，并导致模具在热处理过程中出现变形、开裂等质量问题，并且随锻材尺寸增大，共晶碳化物不均匀度愈发严重。因此共晶碳化物不均匀度是衡量高碳高铬冷作模具钢材实物质量水平的重要技术指标。
[0004] 目前，国内外市场上的高碳高铬型冷作模具钢锻材尺寸已增大至Φ300mm～Φ700mm，随锻材尺寸规格增大，只能采用更大型钢锭和大锻压加工比。而大型钢锭的铸态组织碳化物偏析更为严重，如图1所示，在大锻压加工比在锻造过程中产生内裂和表面裂纹缺陷的几率大大增加。
[0005] 采用特殊的控制方法在铸锭过程中减少碳化物的偏析程度，并通过热加工进一步降低碳化物的不均匀性和探伤质量，是目前国内外特殊钢材制造业亟待解决的课题。
[0006] 目前国内市场上的国产高碳高铬型冷作模具钢锻材最大尺寸规格仅为Φ250mm，按照GB/T1299-2000合金工具钢标准交货。标准规定直径大于120mm的钢材，共晶碳化物不均匀度合格级别一般不大于6级（或供需双方协议），钢材的质量水平无法满足用于制作大截面、重负荷、形状复杂能经受大冲击力的大型冷作模具需求。
[0007] 目前国内外在高碳高铬型冷作模具钢大型锻材生产中采用上下平砧法锻造，该方法为对称变形，便于控制压下。受材料热塑性影响，高碳高铬型冷作模具钢的道次变形量一般在3%～10%，容易产生拉应力，当拉应力超过材料临界强度后，沿大颗粒碳化物尖角部分产生开裂。
发明内容
[0008] 本发明的目的是公开一种Φ300mm～Φ700mm高碳高铬冷作模具钢锻造圆钢制造工艺，以解决大型钢锭的铸态组织碳化物偏析恶化、造成大截面锻材共晶碳化物不均匀度十分严重以及锻造过程中的内裂和表面裂纹缺陷增加的问题。
[0009] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
[0010] ⑴钢的化学成控制：C：1.4%～1.8%、Mn：0.40%～0.80%、S i：0.40%～0.80%、S：≤0.010%、P：≤0.030%、Cr：11.0%～13.0%、Mo：1.0%～1.5%、V：1.0%～1.5%、氧含量-6≤20×10 ，其余为Fe；部分牌号含有或W：0.6%～1.0%。
[0011] ⑵钢采用EAF+LF+VD或EAF+LF+VD+ESR方法冶炼，精炼钢钢锭：4t～9t；电渣钢锭：Φ930mm～Φ1100mm。
[0012] ①在采用EAF+LF+VD工艺生产4t～9t钢锭或Φ700mm电极棒时，LF炉精炼用白-6渣法，在VD炉脱气后喂铝线,控制钢水氧含量不大于20×10 。
[0013] ②在Φ930mm和Φ1100mm大型电渣锭冶炼中，电极坯重熔输入功率分别控制在1350KW～1450KW和1750KW～1850KW；充填阶段输入功率以不大于100kW/h的速度逐渐降低。
[0014] ⑶大型钢锭在锻造前进行高温扩散，扩散温度为1170℃～1200℃，扩散时间根据锭型按4h～10h控制；
[0015] ⑷采用多火次锻造，分为三个步骤：
[0016] 第一步，对称变形锻造：钢锭按1140℃～1160℃加热，再烧保温时间按1.5h-3.0h控制；采用上下等宽平砧对钢锭轻压，该工序每道次变形量按3%～6%控制；终锻温度不低于850℃。
[0017] 第二步，不对称变形锻造：钢坯按1120℃～1140℃加热，再烧保温时间按1.5h-3.0h控制；对中间钢坯采用上宽平砧、下平台锻造，该工序每道次变形量按15%～30%控制；终锻温度不低于850℃。
[0018] 第三步，成品锻造：将锻坯采用圆孔型砧精整成形，该工序每道次变形量在5%～15%；终锻温度不低于850℃。
[0019] ⑸成品材锻后红送退火，温度为850℃～900℃。
[0020] 本发明通过采用LF精炼、VD脱气、喂铝线等炼钢工艺措施提高了钢水洁净度，对电渣重熔输出功率的控制以及锻造前均质化处理，改善共晶碳化物偏析和钢的热加工塑性；并通过对大型高碳高铬钢锭的锻造火次和不同变形量控制，破碎大颗粒碳化物和改善共晶碳化物不均匀度、防止锻造过程中裂纹缺陷，生产的高碳高铬钢大截面锻材共晶碳化物不均匀度按GB/T 14979标准中第四评级图评定为4级～6级；退火出炉后的成品材按SEP1921中3组超声波探伤，质量等级满足E/e级、D/d级良好水平。
[0021] 本发明通过上述工艺方案来改善共晶碳化物不均匀度，主要工艺措施如下：
[0022] ①化学成分优化设计
[0023] 高碳高铬冷作模具钢中的C、Cr、Mo、V是强碳化物形成元素，在退火态钢中含有16%～18%的碳化物。在保证材料性能的基础上，通过调整、控制上述元素的含量，能够有效控制碳化物的含量。化学成分调整后的铸态组织如图2所示，与图1相比，钢的铸态组织中的碳化物显著细化。
[0024] ②LF炉、VD炉精炼和电渣重熔工艺参数的控制
[0025] 通过对LF炉渣子碱度和渣中[FeO]含量的控制，达到预期的脱氧效果。
[0026] 在电渣重熔过程中，电压和电流的控制能够稳定金属电极熔化速度，减少组织偏析。
[0027] ③均质化处理工艺参数的控制
[0028] 将钢锭加热至略低于固相线的温度下长时间保温，能够消除铸锭在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化。通过对高碳高铬冷作模具钢铸态组织高温扩散温度和时间的交叉试验，确定1170℃～1200℃为合理的扩散温度，扩散时间按4h～10h控制。
[0029] ④自由锻造工艺参数的控制
[0030] 在拔长工序中，通过锻造工具的调整，实现对称变形和不对称变形工艺的合理使用；确保铸态组织的破碎以及避免拉应力造成锻材内裂，成品道次通过控制变形量以保证表面质量。
[0031] 与现有技术相比，本发明具有下列优点：
[0032] 采用LF+VD精炼工艺控制钢水洁净度，氧含量不大于20×10-6；
[0033] 控制大型电渣锭重熔速度和充填速度，减少成分和碳化物偏析；
[0034] 通过均质化处理改善共晶碳化物偏析、提高铸态组织热塑性；
[0035] 采用上宽平砧子、下平台法大变形量锻造，压实锻材内部疏松缺陷。
附图说明
[0036] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
[0037] 图1是1.2379钢铸态组织金相照片；
[0038] 图2是化学成分调整、控制后的1.2379钢铸态组织金相照片；
[0039] 图3是Φ300mm电炉钢锻材共晶碳化物不均匀度金相组织照片；
[0040] 图4是Φ480mm电炉钢锻材共晶碳化物不均匀度金相组织照片；
[0041] 图5是Φ510mm电渣钢锻材碳化物金相组织照片；
[0042] 图6是Φ700mm电渣钢锻材碳化物金相组织照片。
具体实施方式
[0043] 按照上述技术方案实施，提供以下四项优选实施例。
[0044] 实施例1
[0045] 生产尺寸外形为Φ300mm圆钢。
[0046] 采用EAF+LF+VD方法冶炼，LF炉采用4.25高碱度渣，渣子中[FeO]含量为0.61%，白渣时间为35min；VD真空度≤1mbar，保持15min，浇注前软吹Ar气10min，浇注5t锭型，浇注温度为1471℃，5t锭红送下步分厂。
[0047] 钢锭化学成分熔炼分析结果见表1。
[0048] 表1化学成分
[0049]
[0050] 钢锭经高温均质化处理，加热温度1178℃，保温时间4h。
[0051] 钢锭采用八火次锻造，共分为三个步骤：第一步对称变形锻造，前三火采用上下等宽平砧对钢锭轻压，道次变形量为3.83%～4.9%，终锻温度为855℃～860℃；第二步不对称变形锻造，第四火至第七火采用上宽平砧、下平台锻造，道次变形量为22.01%～29.79%，终锻温度为854℃～865℃；第三步成品锻造，将锻坯采用圆孔型砧精整成型，道次变形量为12.67%，终锻温度为855℃。成品材锻后红送退火，退火温度为882℃。
[0052] 表2变形量统计
[0053]
[0054] 退火出炉后的成品材按SEP1921中3组超声波探伤，质量等级满足E/e级别，如图3所示，共晶碳化物不均匀度按GB/T 14979标准中第四评级图评定为4级。
[0055] 实施例2
[0056] 生产尺寸外形为Φ480mm圆钢。
[0057] 采用EAF+LF+VD方法冶炼，LF炉采用4.21高碱度渣，渣子中[FeO]含量约为0.63%，白渣时间为33min；VD真空度≤1mbar，保持15min，浇注前软吹Ar气10min，浇注9t锭型，浇注温度为1468℃，9t锭红送下步分厂。
[0058] 钢锭化学成分熔炼分析结果见表3。
[0059] 表3化学成分
[0060]
[0061] 钢锭经高温均质化处理，加热温度1177℃，保温时间6h。
[0062] 钢锭采用九火次锻造，共分为三个步骤：第一步对称变形锻造，前四火采用上下等宽平砧对钢锭轻压，道次变形量为3.71%～5.28%，终锻温度为853℃～861℃；第二步不对称变形锻造，第四火至第八火采用上宽平砧、下平台锻造，道次变形量为16.96%～21.86%，终锻温度为851～862℃；第三步成品锻造，将锻坯采用圆孔型砧精整成型，道次变形量为9.05%，终锻温度为852。成品材锻后红送退火，退火温度为885。
[0063] 表4变形量统计
[0064]
[0065] 退火出炉后的成品材按SEP1921中3组超声波探伤，质量等级满足D/d级别，如图4所示，共晶碳化物不均匀度按GB/T 14979标准中第四评级图评定为6级。
[0066] 实施例3
[0067] 生产尺寸外形为Φ510mm圆钢。
[0068] 采用EAF+LF+VD方法冶炼，LF炉采用4.23高碱度渣，渣子中[FeO]含量约为0.62%，白渣时间为32min；VD真空度≤1mbar，保持15min，浇注前软吹Ar气10min，浇注Φ700mm圆电极棒，浇注温度为1469℃，电极棒红送退火，退火为890℃。电渣重熔时采用三元渣系CaF2：Al2O3：MgO=65%：30%：5%,其重熔渣量为370kg，重熔电压控制在75V～82V，重熔电流控制在16000A～20000A，电渣重熔锭型为Φ930mm电渣锭，电渣锭温送下步分厂。
电极棒化学成分分析结果见表5。
[0069] 表5化学成分
[0070]
[0071] Φ930mm电渣锭经高温均质化处理，加热温度1182℃，保温时间8h。钢锭采用七火次锻造，共分为三个步骤：第一步对称变形锻造，前三火采用上下等宽平砧对钢锭轻压，道次变形量为4.36%～5.82%，终锻温度为856℃～862℃；第二步不对称变形锻造，第四火至第六火采用上宽平砧、下平台锻造，道次变形量为16.56%～20.76%，终锻温度为861℃～869℃；第三步成品锻造，将锻坯采用圆孔型砧精整成型，道次变形量为7.48%，终锻温度为
857℃。成品材锻后红送退火，退火温度为883℃。
[0072] 表6变形量统计
[0073]
[0074] 退火出炉后的成品材按SEP1921中3组超声波探伤，质量等级满足E/e级别，如图5所示，共晶碳化物不均匀度按GB/T 14979标准中第四评级图评定为5级。
[0075] 实施例4
[0076] 生产尺寸外形为Φ700mm圆钢。
[0077] 采用EAF+LF+VD方法冶炼，LF炉采用4.20高碱度渣，渣子中[FeO]含量约为0.64%，白渣时间为35min；VD真空度≤1mbar，保持15min，浇注前软吹Ar气10min，浇注Φ700mm圆电极棒，浇注温度为1474℃，电极棒红送退火，退火为890℃。电渣重熔时采用三元渣系CaF2：Al2O3：MgO=65%：30%：5%,其重熔渣量为630kg，重熔电压控制在80V～100V，重熔电流控制在18000A～22000A，电渣重熔锭型为Φ1100mm电渣锭，电渣锭温送下步分厂。
[0078] 电渣钢化学成分分析结果见表7。
[0079] 表7化学成分
[0080]
[0081] Φ1100mm电渣锭经高温均质化处理，加热温度1183℃，保温时间10h。钢锭采用六火次锻造，共分为三个步骤：第一步对称变形锻造，前三火采用上下等宽平砧对钢锭轻压，道次变形量为3.65%～4.95%，终锻温度为854℃～859℃；第二步不对称变形锻造，第四火至第五火采用上宽平砧、下平台锻造，道次变形量为15.82%～16.95%，终锻温度为858℃～865℃；第三步成品锻造，将锻坯采用圆孔型砧精整成型，道次变形量为6.29%，终锻温度为
855℃。成品材锻后红送退火，退火温度为881℃。
[0082] 表8变形量统计
[0083]
[0084] 退火出炉后的成品材按SEP1921中3组超声波探伤，质量等级满足D/d级别，如图6所示，如图共晶碳化物不均匀度按GB/T 14979标准中第四评级图评定为6级。
[0085] 附表：
[0086] 表1本发明锻材化学成分表
[0087] 表2本发明各实施例的规格、化学成分表
[0088] 表3本发明各实施例的制造工艺参数表
[0089] 表4本发明各实施例的理化性能检验结果数据表
[0090] 表1本发明锻材化学成分表
[0091]
[0092] 表2本发明各实施例的规格、化学成分表
[0093]
[0094]
[0095] 表3本发明各实施例的制造工艺参数表
[0096]
[0097] 表4本发明各实施例的理化性能检验结果数据表
[0098]
