專利名稱：高強韌性抗回火b3r熱作模具鋼及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬冶金工藝技術領域，涉及一種新型熱作模具材料。
背景技術：
熱作模具分為錘鍛、模鍛、擠壓和壓鑄幾種主要類型，包括熱鍛模、壓力機鍛模、沖壓模、熱擠壓模和金屬壓鑄模等。熱作模具的工作條件相當復雜和惡劣，在工作中除要承受巨大的機械應力外，還要承受反復受熱和冷卻所引起的熱應力。因此，由于其工作環(huán)境及其使命的決定，對熱作模具的材料即熱作模具鋼就提出了更高的要求熱作模具鋼除應具有高的硬度、強度、耐磨性和韌性外，還應具有良好的高溫強度、熱疲勞穩(wěn)定性、導熱性和耐蝕性，此外還要求具有較高的淬透性和抗回火性能，以保證整個截面具有一致的力學性能。我國現(xiàn)行常用熱做模具鋼大致有4Cr5MoSiVl(H13)、3Cr2W8V、3Cr2MoWVNi (B3)寸。4Cr5MoSiVl (H13)熱作模具鋼是我國最常用的熱作模具鋼，它具有良好的韌性、抗冷熱疲勞性能和抗液體金屬沖蝕性能，但是其工作溫度卻局限于630°C以下，由于Cr、Mo、V 貴重元素的含量偏高，導致制造成本也較高，同時其抗回火(熱疲勞)性能較差；3Cr2W8V是一種傳統(tǒng)的熱做模具鋼，3Cr2MoWVNi (B3)是一種新型常用的熱作模具鋼，它們均具有高熱強性的特點，即抗回火性能比較高，工作溫度可以達到650°C左右，且具有良好的鍛造、機械加工和熱處理工藝性能，但它們的化學成分配比合金化效果不是太優(yōu)良，它們的鍛造性能、 冷熱疲勞性能較差、沖擊韌性較差，模具常會因為發(fā)生龜裂、開裂，從而導致模具早期失效報廢，特別是采用水為冷卻介質時，此現(xiàn)象更為突出，同時這兩種材料制作的模具熱疲勞性能也比較低下。因此，目前的國內熱作模具鋼技術領域，急需開發(fā)出一種具有良好機械性能、 強度、沖擊韌性和抗回火(熱疲勞)性能的新型熱作模具鋼材料，它須比現(xiàn)行熱作模具鋼 4Cr5MoSiVl (H13)、3Cr2W8V、3Cr2MoWVNi (B3)具有更高的綜合性能、應用范圍更廣范的優(yōu)點，因為模具乃工業(yè)之母，所以在工業(yè)制造領域及模具技術領域具有十分重要的意義，也將會帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種高強韌性抗回火4Cr3MoWVNi (B3R)熱作模具鋼及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術產(chǎn)品溫度局限于630°C以下，制造成本高，抗回火(熱疲勞)性能較差；冷熱疲勞性能較差、沖擊韌性較差，致使模具發(fā)生龜裂、開裂，從而導致模具早期失效報廢等問題。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是改進熱作模具鋼原料成分配比及制備方法，原料成分配比相對H13提高了 C、W、Ni的含量，降低了 Cr、Mo、V的含量；相對 3Cr2W8V、3Cr2MoWVNi (B3)提高了 C、Cr、Ni的含量，降低了 S、P有害元素的含量，獲得高強韌性抗回火4Cr3MoWVNi (B3R)熱作模具鋼，使成分配方更趨于合理優(yōu)化，降低了材料的制造成本，提高了鍛造性能和韌性，為通過后續(xù)工藝的處理得到良好的綜合性能奠定基礎。本發(fā)明的制備工藝中同時采用了電渣重熔、電渣錠擴氫、鍛造、真空熱處理等先進技術，使產(chǎn)品的優(yōu)良綜合性能得以實現(xiàn)。其原料成分含量及重量百分比為C :0. 35-0. 42% ； Si 0. 15-0. 35% ；Mn 0. 3-0. 5% ；Cr 2. 50-3. 50% ；Mo 1. 00-1. 50% ；W 0. 50-0. 80% ；V 0. 50-0. 80% ；Ni 1. 45-1. 85% ；S :0. 003-0. 010% ；P :0. 008-0. 018% ；Fe 余量。制備方法步驟如下
(1)中頻冶煉
按照上述化學成分配方配料，投入中頻感應爐中，投爐前將所采用的堿性爐襯500°C 烘干3小時，待所投爐料完全均勻熔化后，出爐澆鑄成電極錠，鋼水出爐溫度控制在 1550-1580°C，所澆鑄成的電極錠，轉入下一步驟使用；
(2)電渣重熔(精煉)
將上述電極錠進行電渣重熔，得到電渣錠，以達到合金精煉、降低氣體含量和夾雜物質、獲取化學成分均勻、組織致密的電渣重熔鋼錠，其工藝參數(shù)如下
四元素渣系配比氧化鋁32-34% ；氧化鈣15-17% ；氟化鈣45-47% ；氧化硅2_8% ；
電壓電渣重熔冶煉時電壓控制在55-65V;
電流由于電流的大小決定熔煉速度，而熔煉速度過快會導致電渣錠的內部疏松，所以將電流控制在7500-8000A范圍之內；
熔煉填充比控制在0. 45-0. 5之間；
結晶器出水水溫控制在45-65°C之間；
(3)電渣錠擴氫、退火處理
將上述電渣錠裝爐后升溫至845-855°C保溫6個小時，隨爐冷卻至715_725°C保溫10 個小時，然后隨爐冷至675-685°C保溫10個小時，保溫完成后隨爐冷至400°C以下出爐，完成電渣錠擴氫、退火處理，達到進一步均勻組織、去除鋼中氫氣含量，提高鋼材綜合性能的目的；
(4)鍛造:
將上述擴氫、退火處理后的電渣錠室溫裝爐，加熱到650-680°C保溫45-60分鐘；再次升溫至950-1000°C保溫45-60分鐘；完成后再次升溫加熱，加熱至1150-1180°C保溫20-30 分鐘；出爐鍛造，始鍛溫度1150°C，經(jīng)多次鐓拔鍛造，鍛比> 7，終鍛溫度控制在900-930°C， 鍛造完成后將鍛坯轉入保溫爐保溫；
(5)鍛坯退火
將上述鍛坯由保溫爐轉入球化退火爐；升溫至860-880°C保溫8小時，隨爐冷至400°C 以下出爐，完成鍛坯的退火；
(6)粗加工
將上述退火后的鍛坯通過金屬帶鋸床、銑床等傳統(tǒng)機加工設備完成鍛坯的粗加工，達到訂單或設計要求幾何尺寸；
(7)真空熱處理
淬火
將粗加工好的料坯裝進真空淬火爐后加熱至Μ5-555 保溫，保溫時間視料坯厚度而定，按0. 25分鐘/mm計算；保溫完成后進行第二階段升溫，升溫至875-885°C保溫，保溫時間視料坯厚度而定，按0. 3分鐘/mm計算；二次保溫完成后進行第三次升溫，升溫至 1025-1035°C保溫，保溫時間視料坯厚度而定，按0. 3分鐘/mm計算；保溫完成后預冷2_3分鐘下油淬火，油溫控制在35-50°C，待工件冷至150-180°C出爐，立即轉入下工序回火； b、回火
將上述已淬火的工件立即裝入真空回火爐，升溫至565-575°C保溫6小時，出爐空冷至室溫，完成第一次回火；待工件冷至室溫后，再次裝入真空回火爐，加熱至545-555°C保溫6 小時出爐空冷至室溫，完成第二次回火；最終制得本發(fā)明4Cr3MoWVNi (B3R)熱作模具鋼。本發(fā)明在工藝方法上采用了電渣重熔，使材料得到了二次精煉，降低了鋼材中的非金屬夾雜物質和有害氣體含量，同時可以實現(xiàn)降低鋼材中的有害元素硫，改善了電渣重熔鋼錠的宏觀和微觀組織，得到了化學成分均勻、組織致密的優(yōu)質的鋼材；同時本發(fā)明采用了先進的真空熱處理工藝技術，使本發(fā)明的淬火后材料得到了均勻的洛氏硬度和良好的沖擊韌性，并無表面脫碳層，提高了材料的綜合性能。采用本發(fā)明制得的熱作模具鋼具有較高的洛氏硬度，抗回火(熱疲勞)性能也較優(yōu)良，同時也具有良好的沖擊韌性，解決了現(xiàn)行常用4Cr5MoSiVl (H13)熱作模具鋼抗回火(熱疲勞)性能較差；3Cr2W8V、3Cr2MoWVNi (B3)沖擊韌性較差所帶來的不利影響，集以上三種材料的優(yōu)點，是一種新型的優(yōu)質熱作模具鋼。具有配比優(yōu)化、鋼質純凈、組織均勻、高強度、 強韌性、抗回火性能好等優(yōu)點。


在本發(fā)明的實施過程中，我們做了大量相對4Cr5MoSiVl (H13)、3Cr2W8V、 3Cr2MoffVNi (B3)比對實驗，得到了以下圖示結論
附圖1、附圖2是本發(fā)明和現(xiàn)行常用4Cr5MoSiVl (H13)、3Cr2W8V、3Cr2MoWVNi (B3)熱作模具鋼采用各自淬火工藝淬火后，在相同回火溫度條件下同對這幾種熱作模具鋼的硬度和沖擊韌性的比對結果
圖1是本發(fā)明在相同回火溫度條件下與4Cr5MoSiVl (H13)熱作模具鋼的硬度比較圖， 由圖中試驗結果可以看出，本發(fā)明比現(xiàn)行常用4Cr5MoSiVl (H13)熱作模具鋼有較好的抗回火性能。圖2是本發(fā)明與3Cr2W8V、3Cr2MoWVNi (B3)熱作模具鋼在相同回火溫度條件下的沖擊韌性比較圖，由圖中試驗結果可以看出，本發(fā)明比現(xiàn)行3Cr2W8V、3Cr2MoWVNi (B3)熱作模具鋼具有較好的韌性。
具體實施例方式實施例1
本實施例采用本發(fā)明制作500X500X230高強韌性抗回火4Cr3MoWVNi (B3R)熱作模具鋼，所采用的化學成分配比為 C 0355% ；Si 0. 17% ；Mn :0. 32% ；Cr :2. 55% ；Mo :1. 11% ；W 0. 55% ；V 0. 55% ；Ni :1. 55% ；S :0. 005% ；P :0. 009% ；Fe 余量。本實施例的具體方法步驟如下 (1)中頻冶煉
按照上述化學成分配方配比配料550kg，投入中頻感應爐中，投爐前將所采用的堿性爐襯500°C烘干3小時，待所投爐料完全均勻熔化后，出爐澆鑄成電極錠，鋼水出爐溫度為 1550 0C ；
(2)電渣重熔(精煉)將上述電極錠進行電渣重熔，其工藝參數(shù)如下
a、四元素渣系配比氧化鋁32%；氧化鈣15% ；氟化鈣46% ；氧化硅7% ；
b、電壓本實施過程采用電壓55V；
c、電流本實施過程采用電流為7700A；
d、熔煉填充比本實施過程的填充比為0.45 ；
e、本實施例結晶器出水水溫為45°C；
(3)電渣錠擴氫、退火處理
本實施例工藝為上述電渣錠裝爐后升溫至845°C保溫6個小時，隨爐冷卻至715°C保溫10個小時，然后隨爐冷至675°C保溫10個小時，保溫完成后隨爐冷至380°C出爐；
(4)鍛造:
將上述擴氫、退火處理后的電渣錠室溫裝爐，加熱到650°C保溫50分鐘；再次升溫至 950°C保溫50分鐘；完成后再次升溫加熱，加熱至1150°C保溫25分鐘；出爐鍛造，經(jīng)紅外線測溫儀檢測，始鍛溫度1150°C，經(jīng)4次鐓拔鍛造，計算鍛為7. 55，經(jīng)紅外線測溫儀檢測，終鍛溫度為900°C，鍛造完成后將鍛坯轉入保溫爐保溫；
(5)鍛坯退火
將上述鍛坯由保溫爐轉入球化退火爐；升溫至860°C保溫8小時，隨爐冷至380°C出爐， 完成鍛坯的退火；
(6)粗加工
將上述退火后的鍛坯通過金屬帶鋸床、銑床等傳統(tǒng)機加工設備完成鍛坯的粗加工，達到設計要求幾何尺寸500X500X230 ；
(7)真空熱處理
a、淬火
將上述粗加工好的料坯裝進真空淬火爐后加熱至545°C保溫，保溫時間60分鐘；保溫完成后進行第二階段升溫，升溫至875°C保溫，保溫時間70分鐘；二次保溫完成后進行第三次升溫，升溫至1025°C保溫，保溫時間70分鐘；保溫完成后預冷2分鐘后下油淬火，油溫為 50°C，待工件冷至150°C出爐，立即轉入真空回火爐回火；
b、回火
將上述已淬火的工件裝入真空回火爐，升溫至565°C保溫6小時，出爐空冷至室溫，完成第一次回火；待工件冷至室溫后，再次裝入真空回火爐，加熱至545°C保溫6小時出爐空冷至室溫，完成第二次回火。實施例2
本實施例采用本發(fā)明制作300X300X 150高強韌性抗回火4Cr3MoWVNi (B3R)熱作模具鋼，所采用的化學成分配比為 C 0. 39% ；Si 0. 25% ；Mn :0. 41% ；Cr :3. 05% ；Mo :1. 25% ；W 0. 65% ；V 0. 66% ；Ni :1. 65% ；S :0. 007% ；P :0. 012% ；Fe 余量。本實施例的具體方法步驟如下 (1)中頻冶煉
按照上述化學成分配方配比配料200kg，投入中頻感應爐中，投爐前將所采用的堿性爐襯500°C烘干3小時，待所投爐料完全均勻熔化后，出爐澆鑄成電極錠，鋼水出爐溫度為 1570 0C ；
(2)電渣重熔(精煉)
將上述電極錠進行電渣重熔，其工藝參數(shù)如下
a、四元素渣系配比氧化鋁33%；氧化鈣16% ；氟化鈣46% ；氧化硅5% ；
b、電壓本實施過程采用電壓60V；
c、電流本實施過程采用電流為7800A；
d、熔煉填充比本實施過程的填充比為0.47 ；
e、本實施例結晶器出水水溫為58°C；
(3)電渣錠擴氫、退火處理
本實施例工藝為上述電渣錠裝爐后升溫至850°C保溫6個小時，隨爐冷卻至720°C保溫10個小時，然后隨爐冷至680°C保溫10個小時，保溫完成后隨爐冷至390°C出爐；
(4)鍛造:
將上述擴氫、退火處理后的電渣錠室溫裝爐，加熱到660°C保溫60分鐘；再次升溫至 980°C保溫55分鐘；完成后再次升溫加熱，加熱至1170°C保溫30分鐘；出爐鍛造，經(jīng)紅外線測溫儀檢測，始鍛溫度1150°C，經(jīng)5次鐓拔鍛造，計算鍛為8. 5，經(jīng)紅外線測溫儀檢測，終鍛溫度為920°C，鍛造完成后將鍛坯轉入保溫爐保溫；
(5)鍛坯退火
將上述鍛坯由保溫爐轉入球化退火爐；升溫至870°C保溫8小時，隨爐冷至390°C出爐， 完成鍛坯的退火；
(6)粗加工
將上述退火后的鍛坯通過金屬帶鋸床、銑床等傳統(tǒng)機加工設備完成鍛坯的粗加工，達到設計要求幾何尺寸300X300X150 ；
(7)真空熱處理
a、淬火
將上述粗加工好的料坯裝進真空淬火爐后加熱至550°C保溫，保溫時間40分鐘；保溫完成后進行第二階段升溫，升溫至880°C保溫，保溫時間45分鐘；二次保溫完成后進行第三次升溫，升溫至1030°C保溫，保溫時間45分鐘；保溫完成后預冷3分鐘后下油淬火，油溫為 45°C，待工件冷至180°C出爐，立即轉入真空回火爐回火；
b、回火
將上述已淬火的工件裝入真空回火爐，升溫至570°C保溫6小時，出爐空冷至室溫，完成第一次回火；待工件冷至室溫后，再次裝入真空回火爐，加熱至550°C保溫6小時出爐空冷至室溫，完成第二次回火。實施例3
本實施例采用本發(fā)明制作400X400X200高強韌性抗回火4Cr3MoWVNi (B3R)熱作模具鋼，所采用的化學成分配比為 C 0. 415% ；Si 0. 335% ；Mn :0. 49% ；Cr :3. 35% ；Mo :1. 45% ； W 0. 75% ；V 0. 77% ；Ni :1. 80% ；S :0. 009% ；P :0. 016% ；Fe 余量。本實施例的具體方法步驟如下 (1)中頻冶煉按照上述化學成分配方配比配料350kg，投入中頻感應爐中，投爐前將所采用的堿性爐襯500°C烘干3小時，待所投爐料完全均勻熔化后，出爐澆鑄成電極錠，鋼水出爐溫度為 1580 0C ；
(2)電渣重熔(精煉)將上述電極錠進行電渣重熔，其工藝參數(shù)如下
a、四元素渣系配比氧化鋁34%；氧化鈣17% ；氟化鈣47% ；氧化硅21 ；
b、電壓本實施過程采用電壓65V；
c、電流本實施過程采用電流為8000A；
d、熔煉填充比本實施過程的填充比為0.49 ；
e、本實施例結晶器出水水溫為63°C；
(3)電渣錠擴氫、退火處理
本實施例工藝為上述電渣錠裝爐后升溫至855°C保溫6個小時，隨爐冷卻至725°C保溫10個小時，然后隨爐冷至685°C保溫10個小時，保溫完成后隨爐冷至350°C出爐；
(4)鍛造:
將上述擴氫、退火處理后的電渣錠室溫裝爐，加熱到680°C保溫60分鐘；再次升溫至 1000°C保溫50分鐘；完成后再次升溫加熱，加熱至1180°C保溫28分鐘；出爐鍛造，經(jīng)紅外線測溫儀檢測，始鍛溫度1150°C，經(jīng)4次鐓拔鍛造，計算鍛為7. 5，經(jīng)紅外線測溫儀檢測，終鍛溫度為930°C，鍛造完成后將鍛坯轉入保溫爐保溫；
(5)鍛坯退火
將上述鍛坯由保溫爐轉入球化退火爐；升溫至880°C保溫8小時，隨爐冷至385°C出爐， 完成鍛坯的退火；
(6)粗加工
將上述退火后的鍛坯通過金屬帶鋸床、銑床等傳統(tǒng)機加工設備完成鍛坯的粗加工，達到設計要求幾何尺寸400X400X200 ；
(7)真空熱處理
a、淬火
將上述粗加工好的料坯裝進真空淬火爐后加熱至555°C保溫，保溫時間50分鐘；保溫完成后進行第二階段升溫，升溫至885°C保溫，保溫時間60分鐘；二次保溫完成后進行第三次升溫，升溫至1035°C保溫，保溫時間60分鐘；保溫完成后預冷2分鐘后下油淬火，油溫為 40°C，待工件冷至180°C出爐，立即轉入真空回火爐回火；
b、回火
將上述已淬火的工件裝入真空回火爐，升溫至575°C保溫6小時，出爐空冷至室溫，完成第一次回火；待工件冷至室溫后，再次裝入真空回火爐，加熱至保溫6小時出爐空冷至室溫，完成第二次回火。
權利要求
1.一種高強韌性抗回火B(yǎng)3R熱作模具鋼，其特征是原料成分含量及重量百分比 C 0. 35-0. 42% ；Si 0. 15-0. 35% ；Mn 0. 3-0. 5% ；Cr 2. 50-3. 50% ；Mo 1. 00-1. 50% ；W 0. 50-0. 80% ；V 0. 50-0. 80% ；Ni 1. 45-1. 85% ；S 0. 003-0. 010% ；P 0. 008-0. 018% ；Fe 余量。
2.一種高強韌性抗回火B(yǎng)3R熱作模具鋼制備工藝，其特征是制備工藝步驟如下(1)電渣重熔精煉將中頻冶煉得到的電極錠進行電渣重熔，制作成電渣錠其工藝參數(shù)如下a、四元素渣系配比氧化鋁32-34%；氧化鈣15-17% ；氟化鈣45-47% ；氧化硅2_8% ；b、電壓電渣重熔冶煉時電壓控制在55-65V;c、電流由于電流的大小決定熔煉速度，而熔煉速度過快會導致電渣錠的內部疏松，所以將電流控制在7500-8000A范圍之內；d、熔煉填充比控制在0.45-0. 5之間;e、結晶器出水水溫控制在45-65°C之間；(2)電渣錠擴氫、退火處理將電渣錠裝爐后升溫至845-855°C保溫6個小時，隨爐冷卻至715_725°C保溫10個小時，然后隨爐冷至675-685°C保溫10個小時，保溫完成后隨爐冷至400°C以下出爐，完成電渣錠擴氫、退火處理，達到進一步均勻組織、去除鋼中氫氣含量，提高鋼材綜合性能的目的；(3)鍛造:將擴氫、退火處理后的電渣錠室溫裝爐，加熱到650-680°C保溫45-60分鐘；再次升溫至950-1000°C保溫45-60分鐘；完成后再次升溫加熱，加熱至1150_1180°C保溫20-30分鐘；出爐鍛造，始鍛溫度1150°C，經(jīng)多次鐓拔鍛造，鍛比> 7，終鍛溫度控制在900-930°C，鍛造完成后將鍛坯轉入保溫爐保溫；(4)鍛坯退火將鍛坯由保溫爐轉入球化退火爐；升溫至860-880°C保溫8小時，隨爐冷至400°C以下出爐，完成鍛坯的退火；(5)真空熱處理 a、淬火將粗加工好的料坯裝進真空淬火爐后加熱至Μ5-555 保溫，保溫時間視料坯厚度而定，按0. 25分鐘/mm計算；保溫完成后進行第二階段升溫，升溫至875_885°C保溫，保溫時間視料坯厚度而定，按0. 3分鐘/mm計算；二次保溫完成后進行第三次升溫，升溫至 1025-1035°C保溫，保溫時間視料坯厚度而定，按0. 3分鐘/mm計算；保溫完成后預冷2_3分鐘下油淬火，油溫控制在35-50°C，待工件冷至150-180°C出爐，立即轉入下工序回火；b、回火將上述已淬火的工件立即裝入真空回火爐，升溫至565-575°C保溫6小時，出爐空冷至室溫，完成第一次回火；待工件冷至室溫后，再次裝入真空回火爐，加熱至545-555°C保溫6 小時出爐空冷至室溫，完成第二次回火。
全文摘要
一種高強韌性抗回火4Cr3MoWVNi(B3R)熱作模具鋼及制備工藝，其原料成分含量及重量百分比C0.35-0.42%；Si0.15-0.35%；Mn0.3-0.5%；Cr2.50-3.50%；Mo1.00-1.50%；W0.50-0.80%；V0.50-0.80%；Ni1.45-1.85%；S0.003-0.010%；P0.008-0.018%；Fe余量。制備工藝步驟包括中頻冶煉—電渣重熔(精煉)—電渣錠擴氫、退火處理—鍛造—鍛坯退火—粗加工—真空熱處理，完成第二次回火后獲得模具鋼新產(chǎn)品。本發(fā)明制得的熱作模具鋼具有較高的洛氏硬度，沖擊韌性、抗回火(熱疲勞)性能優(yōu)良；具有配比優(yōu)化、鋼質純凈、組織均勻、高強度、強韌性、抗回火性能好等優(yōu)點。
文檔編號C22C38/46GK102312172SQ20111029766
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權日2011年9月29日
發(fā)明者曹衍學, 王波 申請人:山東遠大模具材料有限公司