一种热作模具钢板及其制备方法

摘要

本发明涉及一种热作模具钢板，该钢板的化学成分按质量百分数%计为，C：0.45～0.55，Si：0.20～0.80，Mn：0.50～0.80，Cr：3.00～3.50，Mo：1.30～1.80，V：0.05～0.20，Nb：0.02～0.10，Als：0.01～0.04，P≤0.015，S≤0.005，其余为Fe和不可避免的杂质。工艺流程为炼钢‑浇铸钢锭‑加热‑开坯‑扩氢‑加热‑轧钢‑热处理，提供了一种全新的热作模具钢板的生产方法，钢板本身具有良好的综合机械性能，其制备方法生产稳定性好，工艺流程简洁，便于大批量化生产热作模具钢。

权利要求

1.一种热作模具钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分数%计为，C：0.45～

0.55，Si：0.20～0.80，Mn：0.50～0.80，Cr：3.00～3.50，Mo：1.30～1.80，V：0.05～0.20，Nb：

0.02～0.10，Als：0.01～0.04，P≤0.015，S≤0.005，其余为Fe和不可避免的杂质；

该钢板是以钢锭轧制成材，步骤如下：

1）冶炼：选用优质废钢进行电炉冶炼，采用炉底铺石灰操作，提前造渣操作、炉前造泡沫渣冶炼及留钢留渣操作，来得到低P钢水；钢水经LF脱氧操作，并进行喂线操作；对脱氧钢水进行VD真空脱气处理，要求极限真空度在67Pa以下，保压时间不小于15min，之后喂硅钙线，进行夹杂物变性，喂线后软吹氩5min以上；

2）浇铸：控制钢水过热度20～30℃，全程采用氩气保护浇铸，浇铸成八角扁钢锭；

3）加热：钢锭带模热送至轧钢工序，带模热送时间：≥7小时；钢锭脱模后及时清理入炉，装钢后焖钢6小时以上，以80～100℃/h的升温速率，升温至950～1000℃，保温8～10小时后再以50～70℃/h的升温速率，升温至1220～1280℃，均热段温度1240～1260℃；

4）开坯轧制：开轧温度950～1050℃，采用低速大压下工艺轧制，单道次压下量≥10%，总压缩比为50～60%；

5）扩氢：钢锭开坯后入加热炉加热作扩氢处理，要求钢坯表面温度≥550℃，入炉时炉温＞500℃，退火温度设置为640±10℃，保温48小时及以上，保温后随炉冷却；根据生产要求尺寸对钢板带温分段，及时检查钢坯表面质量，对有缺陷处带温清理；

6）钢坯加热：钢坯带温入炉加热，升温速率、保温时间以及最高加热温度参照步骤3）的钢锭加热参数；

7）轧钢：包括粗轧和精轧两段，粗轧开轧温度1000±20℃，单道次压下量≥10%，精轧精确控制待温厚度，待温厚度100～150mm，以及待温温度900～940℃；轧制过程需2～3次高压水除鳞，保证钢板表面质量；轧制结束前增加2～3平整道次，确保钢板平直度，轧后钢板及时入罩堆缓冷；

8）热处理：钢板入台车炉作球化退火处理，钢板入炉需选用尺寸大于钢板的辅助厚板下铺上盖，钢板叠加装炉，钢板之间不加垫块，确保钢板板型；钢板分两段温度退火，第一阶段保温温度840±10℃，保温时间3～8小时，以不大于30℃/小时的冷速冷至700±10℃，进行第二阶段保温，保温时间3～8小时，以不大于30℃/小时的冷速冷至300℃出炉，最终得到球化退火态热作模具钢板。

说明书

一种热作模具钢板及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及热作模具钢及其制备方法。

背景技术

[0002] 近年来，我国模具钢行业飞速发展，我国热作模具钢研究方面也取得了较大的进展，现代制造业的快速发展对热作模具钢的性能提出了更高的要求。提高热作模具钢性能主要有两个途径：一是优化钢种成分以及开发新钢种；二是在已固定成分的基础上改进生产流程以及优化工艺技术。我国早在“十二五”规划中即对热作模具钢的研发提出了明确的要求。

[0003] 国内热作模具钢以锻材为主，也出现一部分以轧制工艺成材的圆棒，但轧制工艺成材的热作模具钢板生产规模难以扩大，原因主要为两方面：一是普遍认为轧制工艺成材的热作模具钢板心部质量较差，不适宜制作较为高档的模具。二是国内采用连铸连轧法生产热作模具钢，整个工艺流程复杂，难以控制，产品合格率低。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种热作模具钢及其制备方法，利用中厚板轧机，以模铸钢锭成材，通过合理的加热、轧制以及热处理工艺，生产出加工性能良好、抗热疲劳性能高、淬透性较好的钢板。且工艺过程简单，操作易控制，显著提高产品的合格率。

[0005] 本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种热作模具钢板，该钢板的化学成分按质量百分数%计为，C：0.45～0.55，Si：0.20～0.80，Mn：0.50～0.80，Cr：3.00～3.50，Mo：1.30～1.80，V：0.05～0.20，Nb：0.02～0.10，Als：0.01～0.04，P≤0.015，S≤0.005，其余为Fe和不可避免的杂质。

[0006] 本发明钢板化学成分的设计原理如下：

[0007] C：碳的固溶强化作用显著，是提高钢板硬度和强度最为有效的元素。钢板球化退火后，碳会以球状碳化物的形式析出，有利于热作模具钢的切削加工。但是碳含量不宜过高，过高的含碳量会降低钢板韧性，对热作模具钢的后续加工及使用不利，本发明控制碳的区间在0.45～0.55%。

[0008] Si：硅是炼钢脱氧的必要元素，也具有一定的固溶强化作用，合适的硅含量能够显著提高钢的弹性极限，屈服点以及抗拉强度，本发明控制硅的范围在0.20～0.80%。

[0009] Mn：考虑到此热作模具钢的高温轧制工艺，设定锰含量不宜过高，避免钢种晶粒过分粗大的倾向，本发明控制锰的范围在0.50-0.80%。

[0010] V：钒与碳形成的碳化物，可提高高温高压下钢种抗氢腐蚀能力；钒是钢铁材料中较易固溶的合金元素，其形成的碳氮化物在沉淀强化方面具有独特的优势，本发明控制钒的范围在0.05-0.20%。

[0011] Nb：铌是一种强碳氮化物形成元素，可以有效阻止均热时奥氏体晶粒的长大，显著提高钢的无再结晶温度，使钢板能够在较高和较宽的温度范围内进行未再结晶轧制，本发明控制铌的范围在0.02-0.10%。

[0012] Cr：铬是提高钢淬透性的元素，能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进低温组织贝氏体或马氏体的转变，提高钢的强度、硬度以及耐磨性，另外，铬能够提高钢锭 耐腐蚀性能。本发明中铬含量控制在3.00～3.50%。

[0013] Mo：钼能够细化钢种晶粒，提高钢的淬透性、热强性能以及红硬性，在高温时保持足够的强度与抗蠕变能力，本发明的钼含量控制在1.30～1.80%。

[0014] Al：铝是炼钢过程中一种重要的脱氧元素，钢水中加入微量的铝，可以有效减少钢中的夹杂物含量，并起到细化晶粒的作用。但过多的铝会促进B类夹杂物的形成，降低铸坯表面质量，本发明中铝含量控制在0.01～0.04%。

[0015] 本发明的热作模具钢板是以钢锭轧制成材，制作方法的步骤如下：

[0016] 1）冶炼：选用优质废钢进行电炉冶炼，采用炉底铺石灰操作，提前造渣操作、炉前造泡沫渣冶炼及留钢留渣操作，来得到低P钢水；钢水经LF脱氧操作，对脱氧钢水进行VD真空脱气处理，要求极限真空度在67Pa以下，保压时间不小于15min，之后喂硅钙线，进行夹杂物变性，喂线后软吹氩5min以上；

[0017] 2）浇铸：控制钢水过热度20～30℃，全程采用氩气保护浇铸，浇铸成八角扁钢锭；

[0018] 3）加热：钢锭带模热送至轧钢工序，带模热送时间：≥7小时；钢锭脱模后及时清理入炉，装钢后焖钢6小时以上，以80～100℃/h的升温速率，升温至950-1000℃，保温8-10小时后再以50～70℃/h的升温速率，升温至1220-1280℃，均热段温度1240-1260℃；

[0019] 4）开坯轧制：开轧温度950-1050℃，采用低速大压下工艺轧制，单道次压下量≥10%，总压缩比为50～60%；

[0020] 5）扩氢：钢锭开坯后入加热炉加热作扩氢处理，要求钢坯表面温度≥550℃，入炉时炉温＞500℃，退火温度设置为640±10℃，保温48小时及以上，保温后随炉冷却；根据生产要求尺寸对钢板带温分段，及时检查钢坯表面质量，对有缺陷处带温清理；

[0021] 6）钢坯加热：钢坯带温入炉加热，升温速率、保温时间以及最高加热温度参照步骤3）的钢锭加热参数；

[0022] 7）轧钢：包括粗轧和精轧两段，粗轧开轧温度1000±20℃，单道次压下量≥10%，精轧精确控制待温厚度和温度，待温厚度100-150mm，待温温度900-940℃；轧制过程需2～3次高压水除鳞，保证钢板表面质量；轧制结束前增加2～3平整道次，确保钢板平直度，轧后钢板及时入罩堆缓冷；

[0023] 8）热处理：钢板入台车炉作球化退火处理，钢板入炉需选用尺寸大于钢板的辅助厚板下铺上盖，钢板叠加装炉，钢板之间不加垫块，确保钢板板型；钢板分两段温度退火。第一阶段保温温度840±10℃，保温时间3-8小时，以不大于30℃/小时的冷速冷至700±10℃，进行第二阶段保温，保温时间3-8小时，以不大于30℃/小时的冷速冷至300℃出炉，最终得到球化退火态热作模具钢板。

[0024] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0025] （1）本发明的热作模具钢属于中碳高合金钢，裂纹敏感性强。为避免模铸钢锭脱模后冷却过快产生表面裂纹，钢锭需要带温入均热炉，均热炉需要预热，设定焖钢工序，减缓钢锭冷却速度。

[0026] （2）本发明采用均热炉对钢锭进行加热，设计分段加热制度，严格设定加热速率，确保加热的通透，均匀。

[0027] （3）钢锭设置有开坯工序，在初轧高温段采用低速大压下工艺轧制，确保轧制变形能够渗透到铸坯中心部分。

[0028] （4）本发明采用钢材料扩氢工艺，通过实验室摸索出该热作模具钢合理的扩氢温度以及时间并应用于实际生产。对钢锭开坯后的钢板进行扩氢热处理，有助于提高大厚度钢板的心部质量，为进一步的轧制工序作良好的铺垫。

[0029] （5）本发明生产的热作模具钢板完善了企业的供货品种，以轧材代替锻材，解决了国内以“连铸-连轧”生产模式生产困难，产品性能不稳定，成品合格率低的技术难题。

[0030] 本申请提供了一种全新的热作模具钢板的生产方法，钢板本身具有良好的综合机械性能，其制备方法生产稳定性好，工艺流程简洁，便于大批量化生产热作模具钢。

附图说明

[0031] 图1为本发明实施例中热作模具钢板沿1/4板厚处的组织形态图；

[0032] 图2热作模具钢板球化退火工艺曲线图；

[0033] 图3热作模具钢板球化退火装炉示意图。

具体实施方式

[0034] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

[0035] 一种热作模具钢板的生产工艺，该生产工艺采用合适的成分设计，属于中碳高合金钢，钢板的化学成分按质量百分数%为C：0.45～0.55，Si：0.20～0.80，Mn：0.50～0.80，Cr：3.00～3.50，Mo：1.30～1.80，V：0.05～0.20，Nb：0.02～0.10，Als：0.01～0.04，P≤0.015，S≤0.005，其余为Fe和不可避免的杂质。

[0036] 具体步骤如下：

[0037] 1）冶炼：选用优质废钢进行电炉冶炼，采用炉底铺石灰操作，提前造渣操作、炉前造泡沫渣冶炼及留钢留渣操作，来得到低P钢水；钢水经LF脱氧操作，严格控制精炼时间，并进行喂线操作；对脱氧钢水进行VD真空脱气处理，要求极限真空度在67Pa以下，保压时间不小于15min，之后喂硅钙线，进行夹杂物变性，喂线后软吹氩5min以上；

[0038] 2）浇铸：控制钢水过热度20～30℃，全程采用氩气保护浇铸，浇铸成八角扁钢锭；

[0039] 3）加热：钢锭带模热送至轧钢工序，带模热送时间：≥7小时；钢锭脱模后及时清理入炉，装钢后焖钢6小时以上，以80～100℃/h的升温速率，升温至1000℃，保温8-10小时后再以50～70℃/h的升温速率，升温至1280℃，均热段温度1260℃；

[0040] 4）开坯轧制：开轧温度950-1050℃，采用低速大压下工艺轧制，单道次压下量≥10%，总压缩比为50～60%；

[0041] 5）扩氢：钢锭开坯后入加热炉加热作扩氢处理，要求钢坯表面温度≥550℃，入炉时炉温＞500℃，退火温度设置为640±10℃，保温48小时及以上，保温后随炉冷却；根据生产要求尺寸对钢板带温分段，及时检查钢坯表面质量，对有缺陷处带温清理；

[0042] 6）钢坯加热：钢坯带温入炉加热，升温速率、保温时间以及最高加热温度参照步骤3）的钢锭加热参数；

[0043] 7）轧钢：包括粗轧和精轧两段，粗轧开轧温度1000±20℃，单道次压下量≥10%，精轧精确控制待温厚度，待温厚度100-150mm，以及待温温度，900-940℃；轧制过程需2～3次高压水除鳞，保证钢板表面质量；轧制结束前增加2～3平整道次，确保钢板平直度，轧后钢板及时入罩堆缓冷；

[0044] 8）热处理：钢板入台车炉作球化退火处理，钢板入炉需选用尺寸大于钢板的辅助厚板下铺上盖，钢板叠加装炉，钢板之间不加垫块，确保钢板板型；钢板分两段温度退火。第一阶段保温温度840±10℃，保温时间3-8小时，以不大于30℃/小时的冷速冷至700±10℃，进行第二阶段保温，保温时间3-8小时，以不大于30℃/小时的冷速冷至300℃出炉，最终得到球化退火态热作模具钢板。

[0045] 上述工艺生产的热作模具钢板可以满足ASTM E381-01标准，无缩孔、砂眼、气泡存在，可以满足S2-R2-C3要求。按照ASTM E-112规定，钢板平均奥氏体晶粒度达到7.0级以上。按照ASTM E45(A法)检验夹杂物，夹杂物总级别不大于2.5级。钢板组织均匀，如图1所示，为热作模具钢板厚度1/4处的金相组织，组织中黑色球化物为球化退火形成的球化碳化物，球化退火后的钢板硬度≤229HB，满足用户的加工需求。利用该工艺生产的热作模具钢板在经过“正火（空冷）+低温回火”的热处理之后硬度值达到56HRC以上，钢板综合性能良好，特别是晶粒度和钢板表面质量较锻材有所提高，该工艺生产成本较锻造成材工艺大幅度降低。