一种具有高纯净性微合金化模具钢及其制备方法

摘要

一种具有高纯净性微合金化模具钢及其制备方法，其化学成分的重量百分比为：C 0.38％‑0.48％，Si 1.50％‑2.00％，Mn 0.60％‑0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr 4.80％‑5.80％，Mo 0.60％‑0.90％，W 0.70％‑1.00％，Nb 0.03％‑0.08％，Sr 0.005％‑0.015％，Ca 0.002％‑0.008％；其中Sr+Ca≥0.01％，余量为Fe及不可避免杂质。本发明设计了一种微合金化成分，配以适当工艺，使其具有优异综合性能及高效的生产流程，获得优异综合性能及生产周期短、成本低的高品质模具钢。

权利要求

1.一种具有高纯净性微合金化模具钢，其特征在于，其化学成分的重量百分比为：C 

0.38%‑0.48%，Si 1.50%‑2.00%，Mn 0.60%‑0.78%，P≤0.015%，S≤0.015%，Cr5.60%‑5.80%，Mo 0.85%‑0.90%，W 0.70%‑0.95%，Nb 0.03%‑0.08%，Sr 0.005%‑0.015%，Ca 0.002%‑

0.008%；其中Sr+Ca≥0.01%，余量为Fe及不可避免杂质；

所述的具有高纯净性微合金化模具钢的制备方法：采用铁水预处理‑感应炉熔炼方式进行冶炼，浇注成钢锭，将钢锭放于电渣重熔装置中进行二次精炼；

将电渣钢锭进行轧制预变形，变形量控制在20%‑25%，随后进行高温均质化处理，将电渣锭加热到1230‑1280℃，并保温2‑4h；

板坯开轧温度控制在1100‑1180℃，第一道次压下量控制在10%‑15%，第二道次压下量控制在20%‑25%，第三道次压下量控制在10%‑15%；

精轧阶段开轧温度控制在810‑850℃，第一道次压下量控制在18%‑22%，第二道次压下量控制在20%‑25%；终轧温度790‑840℃，成品厚度为80‑150mm；

采用淬火+回火的热处理工艺，淬火温度1010‑1050℃，保温30‑60min，第一次回火温度

500‑560℃，保温2‑3h，空冷至室温；回火2‑3次，每次回火温度较上次降低8℃‑15℃，保温时间相同。

2.根据权利要求1所述的一种具有高纯净性微合金化模具钢，其特征在于，钢板不同位置处非金属夹杂物评级A类为粗系0‑0.5，细系0‑0.5；B类为粗系0‑1.0，细系0‑1.0；C类为粗系0‑0.5，细系0‑0.5；D类为粗系0‑0.5，细系0‑1.0。

说明书

一种具有高纯净性微合金化模具钢及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料生产技术领域，尤其涉及一种具有高纯净性微合金化模具钢及其制备方法。

背景技术

[0002] 模具行业被称为“制造业之母”，过去三十年间，在中国逐渐发展为全球制造业中心的过程中，模具行业在国内得以蓬勃发展。当下随着中国制造业的转型与升级，高端模具
制造成为国内众多模具制造公司的发展方向。对于高端模具制造从业者来说，其中最重要
一环是选择高品质的模具钢作为原材料以获得模具设计性能。

[0003] 热作模具钢是消耗最快和要求最高的模具钢之一。热作模具钢要求材料具有高的淬透性、高的高温强度、高的耐磨性、高的韧度等。其中，模具钢的纯净度对钢材的强度、塑
性、断裂韧性、切削、疲劳等性能均有很大影响。试验表明，夹杂物的成分、数量、形状、分布
以及在基体中的空间分布等都直接影响模具钢的物理特性，进而对模具的使用性能和寿命
产生直接影响。

[0004] 近年来国内一些钢铁制造企业、研究单位和高校一直以热作模具钢作为研究和开发对象，力求我国生产的热作模具钢材能达到国外优质钢的水平，并不断创新研究开发。

[0005] 申请号为CN201610459770.1的专利《一种热作模具钢板及其制备方法》中热作模具钢成分按质量百分数％计，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，P≤0.015，S≤0.005。工艺流程为炼钢‑浇注钢
锭‑加热‑开坯‑扩氢‑加热‑轧钢‑热处理，钢板本身具有良好的综合性能。但是其焖钢需6小
时以上，扩氢处理需保温48小时以上，生产周期相当长。

[0006] 申请号为CN201210020349.2的专利《一种铝压铸模用热作模具钢》对热作模具钢的化学成分进行了优化设计，减少了C含量，调整Mo、Co的含量，由此能够有效地抑制作为压
铸模型使用时从水冷孔开始的裂纹，在小于或等于500℃的低温回火，得到不易发生从水冷
孔开始的裂纹的小于或等于HRC45的硬度。但是该种热作模具钢不能保证其他机械性能。

[0007] 申请号为CN201610977623.3的专利《高红硬性高耐磨性热作模具钢材及其生产工艺》发明的热作模具钢成分按质量百分比计为：C：0.50‑0.75，Si：≤1.50％，Mn：≤0.50％，
P：0％‑0.030％，S：0％‑0.030％，Mo：2.50％‑3.50％，Cr：4.20％‑5.50％，V：0.60％‑
2.20％，Ni≤0.025％，Cu≤0.10％，其中Ni+Cu≤0.35％。该种热作模具钢克服了现有材料
使用硬度不宜超过HRC52的问题，其能够满足HRC53‑58的使用硬度，从而使用寿命至少提高
2倍。但是其不能保证热作模具钢的冲击性能，且其成品钢需5‑7天退火，生产效率低。

[0008] 申请号CN200910199544.4的专利《复合微合金化高热强性热作模具钢及其制备方法》发明的热作模具钢具有高的纯净度、高的热强性、好的热稳定性同时具有优异的热疲劳
性能。其成分及重量百分比为：C 0.25％‑0.40％，Si 1.0％‑1.8％，Mn 0.01％‑0.3％，Cr 
3.5％‑5.0％，Mo 2.0％‑3.5％，V 0.8％‑1.5％，Nb 0.03％‑0.07％，稀土元素(Ce+La)
0.05％‑0.1％，P<0.02％，S<0.02％。同时添加Mo和V，且Mo元素含量较高，合金成本高。采用
5‑10h高温均质化处理及锻造固溶处理，生产周期长，成本高昂。

[0009] 申请号CN201510776761.0的专利《一种提高4Cr5MoSiV1热作模具钢性能的制备方法》在控氧条件下添加纯稀土La和Ce，经扩散均匀化退火，三维方向的三次镦粗、拔长锻造，
锻后水、空气双介质交替快速冷却，其得到的4Cr5MoSiV1热作模具钢具有稳定的回火组织
及极佳的等向性，但是难以保证热稳定性。

[0010] 综上，提高热作模具钢性能只有两个途径：一是优化钢种成分以及开发新钢种；二是在已固有成分的基础上改进生产流程以及优化生产工艺。

发明内容

[0011] 本发明提供了一种具有高纯净性微合金化模具钢及其制备方法，设计一种微合金化成分，配以适当工艺，使其具有优异综合性能及高效的生产流程，获得优异综合性能及生
产周期短、成本低的高品质模具钢。

[0012] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

[0013] 一种具有高纯净性微合金化模具钢，其化学成分的重量百分比为：C 0.38％‑0.48％，Si 1.50％‑2.00％，Mn 0.60％‑0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr 4.80％‑
5.80％，Mo 0.60％‑0.90％，W 0.70％‑1.00％，Nb 0.03％‑0.08％，Sr 0.005％‑0.015％，
Ca 0.002％‑0.008％；其中Sr+Ca≥0.01％，余量为Fe及不可避免杂质。

[0014] 本发明钢成分设计理由如下：

[0015] C：是控制马氏体强度的关键因素，也是影响韧性的主要因素。对热作模具钢而言，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化，另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形
成元素结合成合金碳化物。这种合金碳化物除少量残留的以外，还要求它在回火过程中在
回火马氏体基体上弥散析出碳化物产生二次硬化现象，均匀分布的残留合金碳化物和回火
马氏体组织来决定热作模具钢的性能。为保证热作模具钢的综合机械性能，本发明选择加
入C含量为0.38％‑0.48％。

[0016] Si：硅作为钢中的合金元素，可提高淬火温度，提高淬透性。Si也为提高回火抗力的有效元素。Si降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，增加回火
稳定性。近期研究表明：加入适量的Si有助于改善钢的韧性，但随着Si含量的增加，球化的
碳化物尺寸变大，间距增加，促进偏析，形成带状组织，使横向性能低于纵向。因此，本发明
选择加入Si含量为1.50％‑2.00％。

[0017] Mn：钢中含有Mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与S有较大的亲合力，可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS，改善钢的热加工性能。由于本
发明降低Mo的含量，因此可突出Mn和Si的作用，本发明选择加入Mn含量为0.60％‑0.80％。

[0018] P、S：过多会影响钢的均质性及纯净度，但考虑到生产成本，本发明选择加入P≤0.015％，S≤0.015％。

[0019] Cr：铬对热作模具钢的耐磨性、高温强度、热态硬度、韧性和淬透性都有有利的影响。铬一部分固溶到基体起到固溶强化作用，另一部分与碳结合形成碳化物。淬火加热时铬
溶于奥氏体，淬火后固溶于马氏体中，可以提高钢的抗回火软化能力，回火时由基体中析
出，一般形成合金碳化物，随着回火温度的升高及时间的延长有粗化的趋势。本发明选择加
入Cr含量为4.80％‑5.80％。

[0020] Mo：钼在钢中可提高钢的淬透性，同时在钢中形成特殊的碳化物，提高钢的二次硬化能力和回火稳定性，钼与碳结合，在回火时析出更多细小短杆状碳化物，对提高钢的回火
稳定性起了很大的作用。由于其成本过高，因此采用W元素来代替部分Mo元素。本发明选择
加入Mo含量为0.60％‑0.90％。

[0021] Nb：本发明采用以Nb代V的设计思路，Nb相对于V更易形成稳定细小弥散的MC型碳化物，Nb与C、N均有较强的亲和力，其碳、氮化物溶解温度很高。在奥氏体化时，这些微合金
化碳、氮化物部分不溶解，阻碍奥氏体晶粒长大，相变时作为晶核，促使晶粒细化，添加少量
Nb即可得到显著效果。本发明选择加入Nb含量为0.03％‑0.08％。

[0022] Sr、Ca：热作模具钢在凝固过程中由于偏析而在固液前沿产生碳化物，其尺寸在几微米甚至几十微米以上，热稳定性高，难以在后续热变形过程中消除，在材料服役过程中容
易产生应力集中并引起微观裂纹生成及扩展。因此需控制液析碳化物的种类、尺寸、含量及
分布。本发明采用Sr、Ca微合金共同作用，降低液析碳化物的分解温度，使其经过常规淬火+
回火热处理即可消除液析碳化物的危害。同时使钢液净化，夹杂物上浮排出钢液中，使该种
模具钢具有高的纯净性，对钢中残留夹杂物的形态进行变质处理，使其形状由长条形变为
纺锤形或短条状，并均匀弥散分布于基体中，进而改善钢的等向性能。两种元素同时添加可
达到1+1＞2的效果，但添加过量可相互制约，因此本发明中添加Sr为0.005％‑0.015％，Ca
为0.002％‑0.008％，Sr+Ca≥0.01％。

[0023] 本发明采用Sr+Ca微合金化，以Nb代V，增W降Mo的设计思路进行合金成分优化以兼顾合金成本及热作模具钢性能。

[0024] 钢板不同位置处非金属夹杂物评级A类为粗系0‑0.5，细系0‑0.5；B类为粗系0‑1.0，细系0‑1.0；C类为粗系0‑0.5，细系0‑0.5；D类为粗系0‑0.5，细系0‑1.0。

[0025] 一种具有高纯净性微合金化模具钢的制备方法，采用铁水预处理‑感应炉熔炼方式进行冶炼，浇注成钢锭，将钢锭放于电渣重熔装置中进行二次精炼；

[0026] 将电渣钢锭进行轧制预变形，变形量控制在20％‑25％，随后进行高温均质化处理，将电渣锭加热到1230‑1280℃，并保温2‑4h；

[0027] 板坯开轧温度控制在1100‑1180℃，第一道次压下量控制在10％‑15％，第二道次压下量控制在20％‑25％，第三道次压下量控制在10％‑15％；

[0028] 精轧阶段开轧温度控制在810‑850℃，第一道次压下量控制在18％‑22％，第二道次压下量控制在20％‑25％；终轧温度790‑840℃，成品厚度为80‑150mm；

[0029] 采用淬火+回火的热处理工艺，淬火温度1010‑1050℃，保温30‑60min，第一次回火温度500‑560℃，保温2‑3h，空冷至室温；回火2‑3次，每次回火温度较上次降低8℃‑15℃，保
温时间相同。

[0030] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0031] 本发明采用Sr+Ca微合金化，以Nb代V，增W降Mo的设计思路进行合金成分优化以兼顾合金成本及热作模具钢性能。采用电渣重熔工艺去除钢内各类夹杂的作用和良好的结晶
条件，使该种热作模具钢具有良好的纯净度。其铸态组织精细、致密、均匀，无白点、疏松和
缩孔，偏析较小。采用机械扩散与热扩散共同作用，使该种热作模具钢成分均匀化，大大缩
短合金元素均匀化所需要的时间，提高生产效率，减小生产成本，生产出的热作模具钢具有
高的纯净度，洛氏硬度为58‑60HRC，特厚钢板的不同位置均质度控制在3HRC之内，等向性能
为0.889‑0.931，具有优异的综合性能，符合模具钢未来发展方向，是具有发展潜力的高品
质模具钢。

具体实施方式

[0032] 下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明：

[0033] 一种具有高纯净性微合金化模具钢，其化学成分的重量百分比为：C 0.38％‑0.48％，Si 1.50％‑2.00％，Mn 0.60％‑0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr 4.80％‑
5.80％，Mo 0.60％‑0.90％，W 0.70％‑1.00％，Nb 0.03％‑0.08％，Sr 0.005％‑0.015％，
Ca 0.002％‑0.008％；其中Sr+Ca≥0.01％，余量为Fe及不可避免杂质。

[0034] 钢板不同位置处非金属夹杂物评级A类为粗系0‑0.5，细系0‑0.5；B类为粗系0‑1.0，细系0‑1.0；C类为粗系0‑0.5，细系0‑0.5；D类为粗系0‑0.5，细系0‑1.0。结果优于
NADCA#207高级优质钢标准要求，本发明的模具钢具有较高的纯净性。

[0035] 一种具有高纯净性微合金化模具钢的制备方法，采用铁水预处理‑感应炉熔炼方式进行冶炼，浇注成钢锭，将钢锭放于电渣重熔装置中进行二次精炼；

[0036] 电渣重熔工艺由于“渣洗”去除钢内各类夹杂的作用和良好的结晶条件，使该种模具钢具有良好的纯净度。结晶是由下而上逐次地进行，铸态组织精细、致密、均匀，无白点、
疏松和缩孔，偏析较小。可使该种产品的金相组织和化学成分均匀，表面光洁，硫含量极低，
非金属夹杂物少且细小弥散。本发明的钢锭经电渣重熔后轧成的钢板，横向塑性、韧性可大
大提高，改善了各向异性，具有良好的内部质量及均质性。

[0037] 将电渣钢锭进行轧制预变形，变形量控制在20％‑25％，随后进行高温均质化处理，将电渣锭加热到1230‑1280℃，并保温2‑4h；

[0038] 本发明采用机械扩散与热扩散共同作用，使该种热作模具钢成分均匀化，防止成分偏析，改善钢的凝固组织，且大大缩短合金元素均匀化所需要的时间，较常规成分均匀化
时间8‑10h缩短至2‑4h，减少占用加热炉时间，提高生产效率，减小生产成本。

[0039] 板坯开轧温度控制在1100‑1180℃，在轧制阶段过程用高压水充分除磷，第一道次压下量控制在10％‑15％，第二道次压下量控制在20％‑25％，第三道次压下量控制在10％‑
15％；使热作模具钢组织充分奥氏体化，促进高温再结晶，为后续控制轧制做好组织准备。

[0040] 精轧阶段开轧温度控制在810‑850℃，第一道次压下量控制在18％‑22％，第二道次压下量控制在20％‑25％；终轧温度790‑840℃，成品厚度为80‑150mm；

[0041] 由于成品钢板目标厚度属于超厚规格，因此本发明采用低温大压下轧制，可达到细化晶粒、组织均匀，提高该种模具钢综合力学性能、改善轧材表面质量的目的。轧后钢板
进行堆垛缓冷。

[0042] 采用淬火+回火的热处理工艺，淬火温度1010‑1050℃，保温30‑60min，第一次回火温度500‑560℃，保温2‑3h，空冷至室温；回火2‑3次，每次回火温度较上次降低8℃‑15℃，保
温时间相同。

[0043] 模具钢淬火为了获得该种钢所能达到的最大硬度，为了得到该种材料的高强度且避免韧性降低，需设定该种淬火温度上限。随后进行回火使模具钢硬度下降，主要是由于淬
火时形成过饱和高硬度的马氏体，过饱和马氏体在热力学是不稳定的状态，在回火处理时，
将会发生碳合金元素的脱溶，伴随着马氏体硬度的逐渐降低。回火后，析出细小弥散的碳化
物，使钢板具有稳定均匀的组织及良好的综合性能。

[0044] 以下实施例仅为本发明的一些最优实施方案，并不对前述发明范围和技术手段有任何限制。其中表1为各实施例所涉及的成分，表2为实施例钢锭的预变形与加热工艺，表3
为实施例的热轧工艺，表4为实施例的热处理工艺，表5为实施例不同位置处非金属夹杂物
的评级结果，表6为终态钢板的洛氏硬度性能，表7为各实施例的等向性能。

[0045] 表1本发明实施例热作模具钢化学成分(wt％)

[0046]实施例 C Si Mn P S Cr Mo W Nb Sr Ca
1 0.39 1.50 0.70 0.011 0.013 5.20 0.70 0.80 0.07 0.007 0.006
2 0.42 1.90 0.65 0.012 0.012 5.60 0.80 0.95 0.04 0.009 0.003
3 0.45 1.70 0.80 0.014 0.010 5.80 0.60 1.00 0.05 0.015 0.002
4 0.47 1.60 0.75 0.015 0.015 5.00 0.85 0.75 0.08 0.005 0.008
5 0.38 2.00 0.60 0.013 0.014 4.80 0.90 0.70 0.03 0.010 0.004
6 0.48 1.80 0.78 0.010 0.011 5.40 0.75 0.85 0.06 0.008 0.007

[0047] 表2实施例连铸坯的预变形与加热工艺

[0048] 实施例 变形量(％) 加热温度(℃) 保温时间(h)1 21 1240 3.8
2 22 1230 4
3 25 1270 2.2
4 20 1250 3
5 23 1260 3.5
6 24 1280 2

[0049] 表3实施例的热轧工艺

[0050]

[0051]

[0052] 表4实施例的热处理工艺

[0053]

[0054] 表5为实施例及对比例不同位置处非金属夹杂物的评级结果

[0055]

[0056] 表6终态钢板的洛氏硬度性能(实施例、对比例)

[0057]

[0058] 表7各实施例及对比例的等向性能

[0059]