一种强韧性热作模具钢的生产方法与流程

金属材料;冶金;铸造;磨削;抛光设备的制造及处理,应用技术1.本发明涉及合金制造技术领域，更具体地说，本发明涉及一种强韧性热作模具钢的生产方法。背景技术：2.模具被誉为“现代工业之母”，足可见工模具在现代工业中的重要性及不可磨灭的贡献，其中模具钢是模具最重要的组成部分，也是模具材料中应用最为广泛的材料，是模具制造产业重要的物质载体和技术基础，其品种、规格、质量对模具的性能、使用寿命和制造周期起着决定性的作用，钢是经济建设中极为重要的金属材料。按化学成分，分为碳素钢(简称碳钢)与合金钢两大类。碳钢是由生铁冶炼获得的合金，除铁、碳为其主要成分外，还含有少量的锰、硅，及硫、磷等杂质。碳钢具有一定的机械性能，又有良好的工艺性能，且价格低廉。因此，碳钢获得了广泛的应用。但随着现代工业与科学技术的迅速发展，碳钢的性能已不能完全满足需要，于是人们研制了各种合金钢。合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入某些元素(称为合金元素)而得到的多元合金。与碳钢比，合金钢的性能有显著的提高，故应用日益广泛。3.一般的合金钢在生产时，是在tp310奥氏体耐热钢的基础上，通过限制碳含量，并复合添加质量分数为0.20％～0.60％的强碳氮化物形成元素铌和质量分数为0.15％～0.35％的氮，利用析出弥散分布、细小的nbcrn相和富nb的碳氮化物以及m23c6(m是cr和可置换cr的金属元素，如fe)型碳化物来进行强化，获得纳米强化相，但是一般的生产的相较为单一，而且颗粒直径较大，数量较少，因此需要改变其组成成分以及研究其相适应的生产工艺，以达到提高强化相的数量以及获取不同的相，缩小相的直径，以获得高密度纳米强化相。技术实现要素：4.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种强韧性热作模具钢的生产方法，本发明所要解决的技术问题是：提高强化相的数量以及获取不同的相，缩小相的直径，以获得高密度纳米强化相。5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种强韧性热作模具钢，其中模具钢所使用的主料包括以下重量百分比的原料：碳c:0.20～0.30％，硅si:0.20～0.40％，锰mn:0.40～0.6％，钼mo:1.50～2.20％，镍ni:0.50～0.80％，铌nb:0.50～0.60％，钴co:0.50～0.60％，铬cr:5.00～5.40％，钇y：0.01～0.03％，钒v:0.50～0.60％，o≤25ppm，n≤40ppm，其余为fe及不可避免的不纯物硫s≤0.006％，磷p≤0.018％。6.本发明提供一种强韧性热作模具钢的生产方法，包括以下操作骤：7.s1、熔炼过滤：将原料在熔炼炉内加热至1500℃以上并熔炼成钢水,将所制得的钢水倒入过滤炉内去除多余的磷、硫等杂质；8.s2、真空处理：向所述还原炉喷吹惰性气体，在吹气过程中可以对所述熔融态的物料进行搅拌；9.s3、高温均质：将冷却后的钢坯加热至1100℃,保温预定时间后,冷却至150℃进行第一次均质化，得到初次均质的钢锭，再次加热至1260℃-1300℃下均质5～8小时；10.s4、锻造：采用三墩三拔变形工艺，在x轴y轴z轴三个方向对钢坯进行锻造，始锻温度设定为1100℃～1150℃，终锻温度在900℃，加热完成后保温1-2小时取出锻造,当温度降到900℃时，回炉加热至始锻温度后再次循环锻造；11.s5、阶段性热处理：12.第一阶段，将高温扩散后的锻件以10℃～15℃/min的升温速率，升温至500℃～650℃，保温1～2小时，水冷淬至室温；13.第二阶段，将高温扩散后的锻件以7℃～12℃/min的升温速率至850℃～880℃，保温2～3小时，水冷淬至室温；14.第三阶段，将高温扩散后的锻件以5℃～8℃/min的升温速率三次升温至1020℃～1050℃，保温20-25小时；15.s6、阶段性冷处理：16.预冷阶段，向炉内加压，使得压力值维持在5～8bar，将热处理后的锻件随炉冷却至820～900℃，保温2小时；17.初冷阶段，将热处理后的锻件随炉冷却至400～450℃，释放炉内压力，保温2小时后，空冷至常温；18.深冷阶段，将热处理后的锻件降温冷却至-120～-90℃，维持2小时后，出炉空冷至常温；19.s7、渗氮处理：20.初次渗氮处理，将冷处理后的锻件随炉加热至800℃～900℃，通过搅拌装置使炉内气体形成对流，该加热过程的时间控制在50min～70min，在势为1～1.8的氮化气气氛中进行，同时导入不饱和烃气体和氨气；21.二次渗氮处理，在第二氮化处理工序，将炉内温度下降至500℃～600℃，加热室内导入氨气和氢气，使得氮势成为0.16～0.25，在氮势成为0.16～0.25的气氛中，保持2～4小时，出炉空冷至常温。22.在一个优选地实施方式中，在所述步骤s3中将钢坯加热至1100℃,保温预定时间后,冷却至175℃的步骤中，当所述钢坯的有效厚度大于350毫米时,所述冷却的速度为:为8-10℃/分钟﹔当所述钢坯的有效厚度小于350毫米之间时,所述冷却的速度为:10-20℃/分钟。23.在一个优选地实施方式中，在所述步骤s5中阶段性热处理过程中，水冷淬至室温可以选择油冷至室温或者气冷至室温。24.在一个优选地实施方式中，在所述步骤s6中，所述间隔性地导入不饱和烃气体和氨气的间隔时间为2min～6min，每次导入不饱和烃气体和氨气流量为(0.35～0.65)m3/h。25.在一个优选地实施方式中，所述所使用的主料包括以下重量百分比的原料：碳c:0.20％，硅si:0.20％，锰mn:0.45％，钼mo:2.00％，镍ni:0.50％，铌nb:0.55％，钴co:0.50％，铬cr:5.00％，钇y：0.01％，钒v:0.50～0.60％，o≤25ppm，n≤40ppm，其余为fe及不可避免的不纯物硫s≤0.006％，磷p≤0.01％。26.在一个优选地实施方式中，所述所使用的主料包括以下重量百分比的原料：碳c:0.25％，硅si:0.30％，锰mn:0.50％，钼mo:1.90％，镍ni:0.65％，铌nb:0.55％，钴co:0.55％，铬cr:5.20％，钇y：0.023％，钒v:0.55％，o≤25ppm，n≤40ppm，其余为fe及不可避免的不纯物硫s≤0.006％，磷p≤0.01％。27.在一个优选地实施方式中，所述所使用的主料包括以下重量百分比的原料：碳c0.30％，硅si:0.40％，锰mn:0.6％，钼mo:2.20％，镍ni:0.80％，铌nb:0.60％，钴co:0.60％，铬cr:5.40％，钇y：0.03％，钒v:0.60％，o≤25ppm，n≤40ppm，其余为fe及不可避免的不纯物硫s≤0.006％，磷p≤0.01％。28.本发明的技术效果和优点：29.1、本发明通过两次均质且采用不同的冷却方式，搭配三轴向锻造交替处理，创造出有利于碳与合金元素扩散的动力学条件，两者结合超细化析出组织，同时消除了钢坯中的液析碳化物以及由于枝晶偏析所产生的带状组织，使其获得了更佳的韧性、延展性以及等向性，阶段性热处理和阶段性冷处理，使热应力扩散更佳均匀，在满足模具钢硬度需求的同时兼顾其韧性和稳定性。30.2、本发明通过将传统的co基体固溶转换成以co-ni为基体的创新思路，co-ni无限互溶这一特点，提高以co-ni为基体的固溶能力，发挥多元合金化作用，使其内部生成高组织，高稳定性的y相、在渗氮处理时使其外层生成γ相或者ε相以及其他相的氮化化合物层，通过第二次渗氮处理剔除ε相以及其他相的氮化化合物层，保留y相，在nbcrn相的基础上获取y相，使所制得的模具钢内部均匀分布着高密度纳米强化相，从而提高其抗高温，抗腐蚀性能。具体实施方式31.下面将结合本发明中的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。32.实施例1：33.本发明提供了一种强韧性热作模具钢，其中模具钢所使用的主料包括以下重量百分比的原料：碳c:0.20～0.30％，硅si:0.20～0.40％，锰mn:0.40～0.6％，钼mo:1.50～2.20％，镍ni:0.50～0.80％，铌nb:0.50～0.60％，钴co:0.50～0.60％，铬cr:5.00～5.40％，钇y：0.01～0.03％，钒v:0.50～0.60％，o≤25ppm，n≤40ppm，其余为fe及不可避免的不纯物硫s≤0.006％，磷p≤0.018％。34.而具体到本实施例中，其中模具钢所使用的主料包括以下重量百分比的原料：碳c:0.20％，硅si:0.20％，锰mn:0.45％，钼mo:2.00％，镍ni:0.50％，铌nb:0.55％，钴co:0.50％，铬cr:5.00％，钇y：0.01％，钒v:0.50～0.60％，o≤25ppm，n≤40ppm，其余为fe及不可避免的不纯物硫s≤0.006％，磷p≤0.01％。的本发明提供一种强韧性热作模具钢的生产方法，包括以下操作骤：35.s1、熔炼过滤：将原料在熔炼炉内加热至1500℃以上并熔炼成钢水,将所制得的钢水倒入过滤炉内去除多余的磷、硫等杂质；36.s2、真空处理：向所述还原炉喷吹惰性气体，在吹气过程中可以对所述熔融态的物料进行搅拌；37.s3、高温均质：将冷却后的钢坯加热至1100℃,保温预定时间后,冷却至150℃进行第一次均质化，得到初次均质的钢锭，再次加热至1260℃-1300℃下均质5～8小时；38.s4、锻造：采用三墩三拔变形工艺，在x轴y轴z轴三个方向对钢坯进行锻造，始锻温度设定为1100℃～1150℃，终锻温度在900℃，加热完成后保温1-2小时取出锻造,当温度降到900℃时，回炉加热至始锻温度后再次循环锻造；39.s5、阶段性热处理：40.第一阶段，将高温扩散后的锻件以10℃～15℃/min的升温速率，升温至500℃～650℃，保温1～2小时，水冷淬至室温；41.第二阶段，将高温扩散后的锻件以7℃～12℃/min的升温速率至850℃～880℃，保温2～3小时，水冷淬至室温；42.第三阶段，将高温扩散后的锻件以5℃～8℃/min的升温速率三次升温至1020℃～1050℃，保温20-25小时；43.s6、阶段性冷处理：44.预冷阶段，向炉内加压，使得压力值维持在5～8bar，将热处理后的锻件随炉冷却至820～900℃，保温2小时；45.初冷阶段，将热处理后的锻件随炉冷却至400～450℃，释放炉内压力，保温2小时后，空冷至常温；46.深冷阶段，将热处理后的锻件降温冷却至-120～-90℃，维持2小时后，出炉空冷至常温；47.s7、渗氮处理：48.初次渗氮处理，将冷处理后的锻件随炉加热至800℃～900℃，通过搅拌装置使炉内气体形成对流，该加热过程的时间控制在50min～70min，在势为1～1.8的氮化气气氛中进行，同时导入不饱和烃气体和氨气；49.二次渗氮处理，在第二氮化处理工序，将炉内温度下降至500℃～600℃，加热室内导入氨气和氢气，使得氮势成为0.16～0.25，在氮势成为0.16～0.25的气氛中，保持2～4小时，出炉空冷至常温。50.在所述步骤s3中将钢坯加热至1100℃,保温预定时间后,冷却至175℃的步骤中，当所述钢坯的有效厚度大于350毫米时,所述冷却的速度为:为8-10℃/分钟﹔当所述钢坯的有效厚度小于350毫米之间时,所述冷却的速度为:10-20℃/分钟，在所述步骤s5中阶段性热处理过程中，水冷淬至室温可以选择油冷至室温或者气冷至室温，在所述步骤s6中，所述间隔性地导入不饱和烃气体和氨气的间隔时间为2min～6min，每次导入不饱和烃气体和氨气流量为(0.35～0.65)m3/h。51.实施例2：52.本发明提供了一种强韧性热作模具钢，其中模具钢所使用的主料包括以下重量百分比的原料：碳c:0.20～0.30％，硅si:0.20～0.40％，锰mn:0.40～0.6％，钼mo:1.50～2.20％，镍ni:0.50～0.80％，铌nb:0.50～0.60％，钴co:0.50～0.60％，铬cr:5.00～5.40％，钇y：0.01～0.03％，钒v:0.50～0.60％，o≤25ppm，n≤40ppm，其余为fe及不可避免的不纯物硫s≤0.006％，磷p≤0.018％。53.而具体到本实施例中，其中模具钢所使用的主料包括以下重量百分比的原料：碳c:0.25％，硅si:0.30％，锰mn:0.50％，钼mo:1.90％，镍ni:0.65％，铌nb:0.55％，钴co:0.55％，铬cr:5.20％，钇y：0.023％，钒v:0.55％，o≤25ppm，n≤40ppm，其余为fe及不可避免的不纯物硫s≤0.006％，磷p≤0.01％。54.本发明提供一种强韧性热作模具钢的生产方法，包括以下操作骤：55.s1、熔炼过滤：将原料在熔炼炉内加热至1500℃以上并熔炼成钢水,将所制得的钢水倒入过滤炉内去除多余的磷、硫等杂质；56.s2、真空处理：向所述还原炉喷吹惰性气体，在吹气过程中可以对所述熔融态的物料进行搅拌；57.s3、高温均质：将冷却后的钢坯加热至1100℃,保温预定时间后,冷却至150℃进行第一次均质化，得到初次均质的钢锭，再次加热至1260℃-1300℃下均质5～8小时；58.s4、锻造：采用三墩三拔变形工艺，在x轴y轴z轴三个方向对钢坯进行锻造，始锻温度设定为1100℃～1150℃，终锻温度在900℃，加热完成后保温1-2小时取出锻造,当温度降到900℃时，回炉加热至始锻温度后再次循环锻造；59.s5、阶段性热处理：60.第一阶段，将高温扩散后的锻件以10℃～15℃/min的升温速率，升温至500℃～650℃，保温1～2小时，水冷淬至室温；61.第二阶段，将高温扩散后的锻件以7℃～12℃/min的升温速率至850℃～880℃，保温2～3小时，水冷淬至室温；62.第三阶段，将高温扩散后的锻件以5℃～8℃/min的升温速率三次升温至1020℃～1050℃，保温20-25小时；63.s6、阶段性冷处理：64.预冷阶段，向炉内加压，使得压力值维持在5～8bar，将热处理后的锻件随炉冷却至820～900℃，保温2小时；65.初冷阶段，将热处理后的锻件随炉冷却至400～450℃，释放炉内压力，保温2小时后，空冷至常温；66.深冷阶段，将热处理后的锻件降温冷却至-120～-90℃，维持2小时后，出炉空冷至常温；67.s7、渗氮处理：68.初次渗氮处理，将冷处理后的锻件随炉加热至800℃～900℃，通过搅拌装置使炉内气体形成对流，该加热过程的时间控制在50min～70min，在势为1～1.8的氮化气气氛中进行，同时导入不饱和烃气体和氨气；69.二次渗氮处理，在第二氮化处理工序，将炉内温度下降至500℃～600℃，加热室内导入氨气和氢气，使得氮势成为0.16～0.25，在氮势成为0.16～0.25的气氛中，保持2～4小时，出炉空冷至常温。70.实施例3：71.本发明提供了一种强韧性热作模具钢，其中模具钢所使用的主料包括以下重量百分比的原料：碳c:0.20～0.30％，硅si:0.20～0.40％，锰mn:0.40～0.6％，钼mo:1.50～2.20％，镍ni:0.50～0.80％，铌nb:0.50～0.60％，钴co:0.50～0.60％，铬cr:5.00～5.40％，钇y：0.01～0.03％，钒v:0.50～0.60％，o≤25ppm，n≤40ppm，其余为fe及不可避免的不纯物硫s≤0.006％，磷p≤0.018％。72.而具体到本实施例中，其中模具钢所使用的主料包括以下重量百分比的原料：碳c0.30％，硅si:0.40％，锰mn:0.6％，钼mo:2.20％，镍ni:0.80％，铌nb:0.60％，钴co:0.60％，铬cr:5.40％，钇y：0.03％，钒v:0.60％，o≤25ppm，n≤40ppm，其余为fe及不可避免的不纯物硫s≤0.006％，磷p≤0.01％。73.本发明提供一种强韧性热作模具钢的生产方法，包括以下操作骤：74.s1、熔炼过滤：将原料在熔炼炉内加热至1500℃以上并熔炼成钢水,将所制得的钢水倒入过滤炉内去除多余的磷、硫等杂质；75.s2、真空处理：向所述还原炉喷吹惰性气体，在吹气过程中可以对所述熔融态的物料进行搅拌；76.s3、高温均质：将冷却后的钢坯加热至1100℃,保温预定时间后,冷却至150℃进行第一次均质化，得到初次均质的钢锭，再次加热至1260℃-1300℃下均质5～8小时；77.s4、锻造：采用三墩三拔变形工艺，在x轴y轴z轴三个方向对钢坯进行锻造，始锻温度设定为1100℃～1150℃，终锻温度在900℃，加热完成后保温1-2小时取出锻造,当温度降到900℃时，回炉加热至始锻温度后再次循环锻造；78.s5、阶段性热处理：79.第一阶段，将高温扩散后的锻件以10℃～15℃/min的升温速率，升温至500℃～650℃，保温1～2小时，水冷淬至室温；80.第二阶段，将高温扩散后的锻件以7℃～12℃/min的升温速率至850℃～880℃，保温2～3小时，水冷淬至室温；81.第三阶段，将高温扩散后的锻件以5℃～8℃/min的升温速率三次升温至1020℃～1050℃，保温20-25小时；82.s6、阶段性冷处理：83.预冷阶段，向炉内加压，使得压力值维持在5～8bar，将热处理后的锻件随炉冷却至820～900℃，保温2小时；84.初冷阶段，将热处理后的锻件随炉冷却至400～450℃，释放炉内压力，保温2小时后，空冷至常温；85.深冷阶段，将热处理后的锻件降温冷却至-120～-90℃，维持2小时后，出炉空冷至常温；86.s7、渗氮处理：87.初次渗氮处理，将冷处理后的锻件随炉加热至800℃～900℃，通过搅拌装置使炉内气体形成对流，该加热过程的时间控制在50min～70min，在势为1～1.8的氮化气气氛中进行，同时导入不饱和烃气体和氨气；88.二次渗氮处理，在第二氮化处理工序，将炉内温度下降至500℃～600℃，加热室内导入氨气和氢气，使得氮势成为0.16～0.25，在氮势成为0.16～0.25的气氛中，保持2～4小时，出炉空冷至常温。89.实施例4：90.分别取上述实施例1-3所制得的热作模具钢进行测试，得到以下数据：[0091][0092]由上表可知，实施例2中原料配合比例适中，再配合其生产工艺所制得的模具钢，具有较好的韧性、延展性以及稳定性，且内部分布的纳米强化相较为均匀，从而提高其抗高温，抗腐蚀性能。[0093]最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。









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