專利名稱：Φ300mm～Φ700mm高碳高鉻冷作模具鋼鍛造圓鋼制造新工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及冷作模具鋼鍛造圓鋼制造方法，具體涉及一種Φ 300mm Φ 700mm高碳高鉻冷作模具鋼鍛造圓鋼制造新工藝。
背景技術：
合金鋼模具鋼可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼，其中冷作模具鋼主要用于制造在室溫條件下將金屬材料壓制成型的各種模具；冷作模具的種類很多、應用范圍廣，其產值占模具總產值的1/3左右。根據模具的工作條件和生產產品的批量，冷作模具鋼按性能可分為淬透性低的碳素工具鋼T8 T12等、淬透性較高的9SiCr、CrWMn等、高韌性的6CrW2Si等、高淬透性高耐磨性和淬火變形小的高碳高鉻Crl2MolVl、Cr6WV等及粉末冶金的高合金冷作模具鋼等。高碳高鉻冷作模具鋼屬于萊氏體鋼，由于鋼中含有大量Cr、Mo、V等碳化物形成元素，在凝固和共析轉變過程中會形成大量共晶碳化物，導致鋼材的熱塑性差，在鍛造加工過程中容易出現表面裂紋。同時，盡管經鍛造變形工序能夠破碎魚骨狀共晶碳化物，但受鍛造方向影響，大截面鋼材中的碳化物分布仍然是不均勻的；鋼中存在的大顆粒碳化物或碳化物分布不均勻嚴重時降低鋼的力學性能，并導致模具在熱處理過程中出現變形、開裂等質量問題，并且隨鍛材尺寸增大，共晶碳化物不均勻度愈發嚴重。因此共晶碳化物不均勻度是衡量高碳高鉻冷作模具鋼材實物質量水平的重要技術指標。目前，國內外市場上的高碳高鉻型冷作模具鋼鍛材尺寸已增大至Φ300πιπι Φ700mm,隨鍛材尺寸規格增大，只能采用更大型鋼錠和大鍛壓加工比。而大型鋼錠的鑄態組織碳化物偏析更為嚴重，如圖1所示，在大鍛壓加工比在鍛造過程中產生內裂和表面裂紋缺陷的幾率大大增加。采用特殊的控制方法在鑄錠過程中減少碳化物的偏析程度，并通過熱加工進一步降低碳化物的不均勻性和探傷質量，是目前國內外特殊鋼材制造業亟待解決的課題。目前國內市場上的國產高碳高鉻型冷作模具鋼鍛材最大尺寸規格僅為Φ250πιπι， 按照GB/T1299-2000合金工具鋼標準交貨。標準規定直徑大于120mm的鋼材，共晶碳化物不均勻度合格級別一般不大于6級(或供需雙方協議)，鋼材的質量水平無法滿足用于制作大截面、重負荷、形狀復雜能經受大沖擊力的大型冷作模具需求。目前國內外在高碳高鉻型冷作模具鋼大型鍛材生產中采用上下平砧法鍛造，該方法為對稱變形，便于控制壓下。受材料熱塑性影響，高碳高鉻型冷作模具鋼的道次變形量一般在3% 10%，容易產生拉應力，當拉應力超過材料臨界強度后，沿大顆粒碳化物尖角部分產生開裂。

發明內容
本發明的目的是公開一種Φ300πιπι Φ700mm高碳高鉻冷作模具鋼鍛造圓鋼制造新工藝，以解決大型鋼錠的鑄態組織碳化物偏析惡化、造成大截面鍛材共晶碳化物不均勻度十分嚴重以及鍛造過程中的內裂和表面裂紋缺陷增加的問題。為實現上述目的，本發明采取以下技術方案(1)鋼的化學成控制C :1.4% 1. 8 %、Mn :0· 40 % 0. 80 %、Si :0· 40 %
0.80%,S ^ 0. 010%,P 彡 0. 030%、Cr :11. 0% 13. 0%、Mo :1. 0% 1. 5%、V :1. 0% 1.5%、氧含量< 20X10-6，其余為！^ ；部分牌號含有或W :0. 6% 1.0%。 (2)鋼采用EAF+LF+VD或EAF+LF+VD+ESR方法冶煉，精煉鋼鋼錠4t 9t ；電渣鋼錠Φ 930mm Φ 1100mm。①在采用EAF+LF+VD工藝生產4t 9t鋼錠或Φ 700mm電極棒時，LF爐精煉用白渣法，在VD爐脫氣后喂鋁線，控制鋼水氧含量不大于20X 10_6。②在Φ930mm和Φ 1100mm大型電渣錠冶煉中，電極坯重熔輸入功率分別控制在 1350KW 1450KW和1750KW 1850KW ；充填階段輸入功率以不大于100kW/h的速度逐漸降低。(3)大型鋼錠在鍛造前進行高溫擴散，擴散溫度為1170°C 1200°C，擴散時間根據錠型按4h IOh控制；(4)采用多火次鍛造，分為三個步驟第一步，對稱變形鍛造鋼錠按1140°C 1160°C加熱，再燒保溫時間按1. 5h_3. Oh 控制；采用上下等寬平砧對鋼錠輕壓，該工序每道次變形量按3% 6%控制；終鍛溫度不低于850 0C ο第二步，不對稱變形鍛造鋼坯按1120°C 1140°C加熱，再燒保溫時間按
1.5h-3. Oh控制；對中間鋼坯采用上寬平砧、下平臺鍛造，該工序每道次變形量按15% 30%控制；終鍛溫度不低于850°C。第三步，成品鍛造將鍛坯采用圓孔型砧精整成形，該工序每道次變形量在5% 15% ；終鍛溫度不低于850°C。(5)成品材鍛后紅送退火，溫度為850°C 900°C。本發明通過采用LF精煉、VD脫氣、喂鋁線等煉鋼工藝措施提高了鋼水潔凈度，對電渣重熔輸出功率的控制以及鍛造前均質化處理，改善共晶碳化物偏析和鋼的熱加工塑性；并通過對大型高碳高鉻鋼錠的鍛造火次和不同變形量控制，破碎大顆粒碳化物和改善共晶碳化物不均勻度、防止鍛造過程中裂紋缺陷，生產的高碳高鉻鋼大截面鍛材共晶碳化物不均勻度按GB/T14979標準中第四評級圖評定為4級 6級；退火出爐后的成品材按 SEP1921中3組超聲波探傷，質量等級滿足E/e級、D/d級良好水平。本發明通過上述工藝方案來改善共晶碳化物不均勻度，主要工藝措施如下①化學成分優化設計高碳高鉻冷作模具鋼中的C、Cr、Mo、V是強碳化物形成元素，在退火態鋼中含有 16% 18%的碳化物。在保證材料性能的基礎上，通過調整、控制上述元素的含量，能夠有效控制碳化物的含量?；瘜W成分調整后的鑄態組織如圖2所示，與圖1相比，鋼的鑄態組織中的碳化物顯著細化。②LF爐、VD爐精煉和電渣重熔工藝參數的控制通過對LF爐渣子堿度和渣中PeO]含量的控制，達到預期的脫氧效果。
在電渣重熔過程中，電壓和電流的控制能夠穩定金屬電極熔化速度，減少組織偏析。③均質化處理工藝參數的控制將鋼錠加熱至略低于固相線的溫度下長時間保溫，能夠消除鑄錠在凝固過程中產生的枝晶偏析及區域偏析，使成分和組織均勻化。通過對高碳高鉻冷作模具鋼鑄態組織高溫擴散溫度和時間的交叉試驗，確定1170°C 1200°C為合理的擴散溫度，擴散時間按4h IOh控制。④自由鍛造工藝參數的控制在拔長工序中，通過鍛造工具的調整，實現對稱變形和不對稱變形工藝的合理使用；確保鑄態組織的破碎以及避免拉應力造成鍛材內裂，成品道次通過控制變形量以保證
表面質量。與現有技術相比，本發明具有下列優點采用LF+VD精煉工藝控制鋼水潔凈度，氧含量不大于20 X 10_6 ；控制大型電渣錠重熔速度和充填速度，減少成分和碳化物偏析；通過均質化處理改善共晶碳化物偏析、提高鑄態組織熱塑性；采用上寬平砧子、下平臺法大變形量鍛造，壓實鍛材內部疏松缺陷。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細描述。圖1是1. 2379鋼鑄態組織金相照片；圖2是化學成分調整、控制后的1. 2379鋼鑄態組織金相照片；圖3是Φ300mm電爐鋼鍛材共晶碳化物不均勻度金相組織照片；圖4是Φ480πιπι電爐鋼鍛材共晶碳化物不均勻度金相組織照片；
圖5是Φ 510mm電渣鋼鍛材碳化物金相組織照片；圖6是Φ 700mm電渣鋼鍛材碳化物金相組織照片。
具體實施例方式按照上述技術方案實施，提供以下四項優選實施例。實施例1生產尺寸外形為Φ 300mm圓鋼。采用EAF+LF+VD方法冶煉，LF爐采用4. 25高堿度渣，渣子中PeO]含量為0. 61 %， 白渣時間為35min ；VD真空度彡lmbar,保持15min，澆注前軟吹Ar氣lOmin，澆注5t錠型， 澆注溫度為1471°C，5t錠紅送下步分廠。鋼錠化學成分熔煉分析結果見表1。表1化學成分
權利要求
1.一種Φ300πιπι Φ700mm高碳高鉻冷作模具鋼鍛造圓鋼制造新工藝，其特征在于 所述新工藝如下(1)鋼的化學成分控制在C:1. 4% 1. 8%、Mn :0. 40 % 0. 80%, Si :0. 40 % 0. 80%、S 彡 0. 010%、P 彡 0. 030%、Cr :11. 0% 13. 0%、Mo :1. 0% 1. 5%、V :1. 0% 1.5%、氧含量< 20X10—6，其余為！^ ；部分牌號含有或W :0. 6% 1.0%。(2)鋼采用EAF+LF+VD或EAF+LF+VD+ESR方法冶煉，精煉鋼鋼錠4t 9t；電渣鋼錠 Φ 930mm Φ 100mm。①在采用EAF+LF+VD工藝生產4t 9t鋼錠或Φ700mm電極棒時，LF爐精煉用白渣法， 在VD爐脫氣后喂鋁線，控制鋼水氧含量不大于20X 10_6。②在Φ930πιπι和ΦΙΙΟΟπιπι大型電渣錠冶煉中，電極坯重熔輸入功率分別控制在 1350KW 1450KW和1750KW 1850KW ；充填階段輸入功率以不大于100kW/h的速度逐漸降低。(3)大型鋼錠在鍛造前進行高溫擴散，擴散溫度為1170°C 1200°C，擴散時間根據錠型按4h IOh控制；(4)采用多火次鍛造，分為三個步驟第一步，對稱變形鍛造鋼錠按1140°C 1160°C加熱，再燒保溫時間按1. 5h-3. Oh控制；采用上下等寬平砧對鋼錠輕壓，該工序每道次變形量按3% 6%控制；終鍛溫度不低于 850 0C ο第二步，不對稱變形鍛造鋼坯按1120°C 1140°C加熱，再燒保溫時間按1. 5h-3. Oh控制；對中間鋼坯采用上寬平砧、下平臺鍛造，該工序每道次變形量按15% 30%控制；終鍛溫度不低于850°C。第三步，成品鍛造將鍛坯采用圓孔型砧精整成形，該工序每道次變形量在5 % 15 % ； 終鍛溫度不低于850°C。(5)成品材鍛后紅送退火，溫度為850°C 900°C。
2.根據權利要求1所述Φ300mm Φ 700mm高碳高鉻冷作模具鋼鍛造圓鋼制造新工藝生產的鍛造圓鋼，其特征在于所述生產的鍛造圓鋼共晶碳化物不均勻度按GB/T 14979標準中第四評級圖評定為4級 6級；退火出爐后的成品材按SEP1921中3組超聲波探傷，質量等級滿足E/e級、D/d級。
3.根據權利要求1所述Φ300mm Φ700mm高碳高鉻冷作模具鋼鍛造圓鋼制造新工藝，其特征在于所述新工藝如下生產尺寸外形為Φ 300mm圓鋼。(1)鋼的化學成分(%)熔煉分析:C :1. 51、Mn :0. 37,Si :0. 42,S :0. 008,P ^ 0. 021、 Cr :11. 92,Mo :0. 89、V :0. 83、氧含量16Χ1(Γ6，其余為 Fe ；(2)采用EAF+LF+VD方法冶煉，LF爐采用4.25高堿度渣，渣子中PeO]含量為0. 61 %， 白渣時間為35min ；VD真空度彡lmbar,保持15min，澆注前軟吹Ar氣lOmin，澆注5t錠型， 澆注溫度為1471°C，5t錠紅送下步分廠；(3)鋼錠經高溫均質化處理，加熱溫度1178°C，保溫時間4h； (4)鋼錠采用八火次鍛造， 共分為三個步驟第一步，對稱變形鍛造，前三火采用上下等寬平砧對鋼錠輕壓，道次變形量為3. 83% 4. 9%，終鍛溫度為855°C 860°C ；第二步，不對稱變形鍛造，第四火至第七火采用上寬平砧、下平臺鍛造，道次變形量為 22. 01% 29. 79%，終鍛溫度為 854°C 865°C ；第三步，成品鍛造將鍛坯采用圓孔型砧精整成型，道次變形量為12. 67 %，終鍛溫度為 855 0C ο(5)成品材鍛后紅送退火，退火溫度為882°C。
4.根據權利要求3所述Φ300mm Φ 700mm高碳高鉻冷作模具鋼鍛造圓鋼制造新工藝生產的鍛造圓鋼，其特征在于所述生產的鍛造圓鋼共晶碳化物不均勻度按GB/T 14979標準中第四評級圖評定為4級；退火出爐后的成品材按SEP1921中3組超聲波探傷，質量等級滿足E/e級。
5.根據權利要求1所述Φ300πιπι Φ700mm高碳高鉻冷作模具鋼鍛造圓鋼制造新工藝，其特征在于所述新工藝如下生產尺寸外形為Φ 480mm圓鋼。(1)鋼的化學成分(%)熔煉分析:C :1. 53,Mn :0. 38,Si :0. 40,S :0. 005,P ^ 0. 022、 Cr 12. OUMo :0. 90、V :0. 84、氧含量15Χ1(Γ6，其余為 Fe ；(2)采用EAF+LF+VD方法冶煉，LF爐采用4.21高堿度渣，渣子中含量為0. 63%, 白渣時間為33min ；VD真空度彡lmbar,保持15min，澆注前軟吹Ar氣lOmin，澆注9t錠型， 澆注溫度為1468°C，9t錠紅送下步分廠；(3)鋼錠經高溫均質化處理，加熱溫度1177°C，保溫時間他；(4)鋼錠采用九火次鍛造， 共分為三個步驟第一步，對稱變形鍛造前四火采用上下等寬平砧對鋼錠輕壓，道次變形量為 3. 71% 5.，終鍛溫度為853°C 861°C ；第二步，不對稱變形鍛造第四火至第八火采用上寬平砧、下平臺鍛造，道次變形量為 16. 96% 21. 86%，終鍛溫度為 851 °C 862°C ；第三步，成品鍛造將鍛坯采用圓孔型砧精整成型，道次變形量為9. 05%，終鍛溫度為 852 "C。(5)成品材鍛后紅送退火，退火溫度為885°C。
6.根據權利要求5所述Φ300mm Φ 700mm高碳高鉻冷作模具鋼鍛造圓鋼制造新工藝生產的鍛造圓鋼，其特征在于所述生產的鍛造圓鋼共晶碳化物不均勻度按GB/T 14979標準中第四評級圖評定為6級；退火出爐后的成品材按SEP1921中3組超聲波探傷，質量等級滿足D/d級。
7.根據權利要求1所述Φ300πιπι Φ700mm高碳高鉻冷作模具鋼鍛造圓鋼制造新工藝，其特征在于所述新工藝如下生產尺寸外形為Φ 510mm圓鋼。(1)鋼的電極棒化學成分(%)分析:C :1. 56、Mn :0. 37、Si :0. 39、S :0. 005、P (0. 022, Cr 11. 92,Mo :0. 90、V :0. 89、氧含量19Χ1(Γ6，其余為 Fe ；(2)采用EAF+LF+VD方法冶煉，LF爐采用4.23高堿度渣，渣子中含量約為 0. 62%,白渣時間為32min ；VD真空度彡lmbar，保持15min，澆注前軟吹Ar氣lOmin，澆注 Φ 700mm圓電極棒，澆注溫度為1469°C，電極棒紅送退火，退火為890°C ；電渣重熔時采用三元渣系CaF2 Al2O3 MgO = 65% 30% 5%，其重熔渣量為370kg，重熔電壓控制在 75V 82V，重熔電流控制在16000A 20000A，電渣重熔錠型為Φ930πιπι電渣錠，電渣錠溫送下步分廠。(3)Φ930mm電渣錠經高溫均質化處理，加熱溫度1182°C，保溫時間8h ；(4)鋼錠采用七火次鍛造，共分為三個步驟第一步，對稱變形鍛造前三火采用上下等寬平砧對鋼錠輕壓，道次變形量為 4. 36% 5. 82%，終鍛溫度為 856°C 862°C ；第二步，不對稱變形鍛造第四火至第六火采用上寬平砧、下平臺鍛造，道次變形量為 16. 56% 20. 76%，終鍛溫度為 861°C 869°C ；第三步，成品鍛造將鍛坯采用圓孔型砧精整成型，道次變形量為7. 48%，終鍛溫度為 857 °C。(5)成品材鍛后紅送退火，退火溫度為883°C。
8.根據權利要求7所述Φ300mm Φ 700mm高碳高鉻冷作模具鋼鍛造圓鋼制造新工藝生產的鍛造圓鋼，其特征在于所述生產的鍛造圓鋼共晶碳化物不均勻度按GB/T 14979標準中第四評級圖評定為5級；退火出爐后的成品材按SEP1921中3組超聲波探傷，質量等級滿足E/e級。
9.根據權利要求1所述Φ300mm Φ700mm高碳高鉻冷作模具鋼鍛造圓鋼制造新工藝，其特征在于所述新工藝如下生產尺寸外形為Φ 700mm圓鋼。(1)電渣鋼化學成分(%)分析:C :1. 55、Mn :0. 39、Si :0. 41、S :0. 003、P ^ 0. 019、 Cr 12. 13, Mo :0. 93、V :0. 77、氧含量18Χ1(Γ6，其余為 Fe ；(2)采用EAF+LF+VD方法冶煉，LF爐采用4.20高堿度渣，渣子中含量約為 0. 64%,白渣時間為35min ；VD真空度彡lmbar，保持15min，澆注前軟吹Ar氣lOmin，澆注 Φ700mm圓電極棒，澆注溫度為1474°C，電極棒紅送退火，退火為890°C ；電渣重熔時采用三元渣系CaF2 Al2O3 MgO = 65% 30% 5%，其重熔渣量為630kg，重熔電壓控制在 80V 100V，重熔電流控制在18000A 22000A，電渣重熔錠型為Φ IlOOmm電渣錠，電渣錠溫送下步分廠。(3)Φ IlOOmm電渣錠經高溫均質化處理，加熱溫度1183°C，保溫時間IOh ；(4)鋼錠采用六火次鍛造，共分為三個步驟第一步，對稱變形鍛造前三火采用上下等寬平砧對鋼錠輕壓，道次變形量為 3. 65% 4. 95%，終鍛溫度為 854°C 859°C ；第二步，不對稱變形鍛造第四火至第五火采用上寬平砧、下平臺鍛造，道次變形量為 15. 82% 16. 95%，終鍛溫度為 858°C 865°C ；第三步，成品鍛造將鍛坯采用圓孔型砧精整成型，道次變形量為6.四％，終鍛溫度為 855 "C。(5)成品材鍛后紅送退火，退火溫度為881°C。
10.根據權利要求9所述φ300mm Φ 700mm高碳高鉻冷作模具鋼鍛造圓鋼制造新工藝生產的鍛造圓鋼，其特征在于所述生產的鍛造圓鋼共晶碳化物不均勻度按GB/T 14979 標準中第四評級圖評定為6級；退火出爐后的成品材按SEP1921中3組超聲波探傷，質量等級滿足D/d級。
全文摘要
本發明公開一種Φ300mm～Φ700mm高碳高鉻冷作模具鋼鍛造圓鋼制造新工藝，目的是解決大型鋼錠的鑄態組織碳化物偏析惡化、造成大截面鍛材共晶碳化物不均勻度十分嚴重以及鍛造過程中的內裂和表面裂紋缺陷增加的問題。本發明通過采用LF精煉、VD脫氣、喂鋁線等煉鋼工藝措施提高了鋼水潔凈度，對電渣重熔輸出功率的控制以及鍛造前均質化處理，改善共晶碳化物偏析和鋼的熱加工塑性；并通過對大型高碳高鉻鋼錠的鍛造火次和不同變形量控制，破碎大顆粒碳化物和改善共晶碳化物不均勻度、防止鍛造過程中裂紋缺陷，生產的高碳高鉻鋼大截面鍛材達到共晶碳化物不均勻度4級～6級；超聲波探傷達到E/e級、D/d級良好水平。
文檔編號C21D8/00GK102418042SQ20111036252
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者于丹, 劉振天, 楊清凱, 汝亞彬, 牟風, 王海江, 王琳, 趙智剛, 陳慶新, 顧容 申請人:東北特殊鋼集團有限責任公司