[发明专利]一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及铸钢领域，具体而言，涉及一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法。

背景技术

目前广泛使用的热作模具钢，韧性与各向同性性无法满足日益变化的技术要求。尤其是在大型压铸、大截面有色金属(铝合金)挤出、以及精密锻造模具方面，随着设备自动化、智能化的发展，模具的工况条件越来越恶化，模具寿命不能满足市场需求。生产出高韧性、高等向性的大截面热作模具钢，以此为原材料制造高质量、长寿命的大型热作模具是现代汽车、电子家电、轨道交通运输业发展的需求。

热作模具钢通常含有Cr、Mo、V等提高钢材红硬性的合金元素，在凝固过程中产生液析碳化物和由于枝晶偏析的带状组织，这种现象在大截面钢锭的中心尤其严重。液析碳化物和枝晶偏析使得钢材的韧性和各向同向性大大降低，研究表明：超过3μm的液析碳化物每平方毫米从1个增加至2个，钢材的延展性就要降低近一倍。可见，采用这种组织的模具材料不能满足压铸、挤出与精密锻造等严酷作业环境的要求，模具寿命很低，甚至发生模具整体开裂现象。

近20年来国外国内先后研发高等向性、高韧性的模具钢采用均质化及强力锻造的方法，典型生产工艺为：电弧炉(中频炉)→钢包精炼→真空除气→铸锭→电渣重熔→均质化→锻造→晶粒细化→完全退火。这种工艺方法对于电渣锭大截面热作模具钢(厚度超过200毫米的截面)而言，均质化处理要在1240～1300℃保温很长时间(20小时)，尽管如此，仍然还能够在钢材组织中心部位发现相当多的液析碳化物以及由于枝晶偏析产生的带状组织。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢及其生产方法，所述的生产方法通过两次均质和两次锻造的交替处理，彻底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，获得了高韧性、高延展性、高等向性的热作模具钢。

本发明的第二目的在于提供一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢，所述的热作模具钢具有韧性高、延展性高、等向性高等优点。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种高韧性、高等向性大截面热作模具钢的生产方法，包括下列步骤：

步骤A、采用以下方法对电渣重熔后的钢锭进行第一次均质化，得到初次均质的钢锭：在1260-1300℃下均质5-8h；

步骤B、对所述初次均质的钢锭的进行三向锻造，得到三向锻造的钢坯，且所述三向锻造的温度在900℃以上，且在所述第一均质化的温度以下；

步骤C、采用以下方法对所述三向锻造的钢坯进行第二次均质化，得到二次均质的钢坯：在1260-1300℃下均质10-20h；

步骤D、对所述二次均质的钢坯进行镦拔终锻，得到二次锻造的钢坯；所述镦拔终锻的始锻温度在1150℃以下，终锻温度在850-950℃；

步骤E、对所述二次锻造的钢坯进行晶粒细化、退火处理，得到产品。

上述生产方法能够彻底消除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，从而提高钢的韧性、延展性和等向性等热作模具性能。其消除原理是：

先利用碳以及合金元素与四周存在的较大的浓度梯度，在第一次均质化的处理下将大颗粒链状碳化物、粗大枝晶合金元素偏析迅速扩散至较大的区域内，即进行不稳定扩散。根据菲克第二定律，随扩散时间的延长扩散通量迅速降低，此时通过三向锻造将还没有扩散均匀的液析碳化物、选择性结晶的枝晶偏析区域通过固态流变机械性地重新分布，一方面建立新的具有较大梯度的扩散浓度场，一方面扩大扩散面积，缩短碳与合金元素的扩散距离。在新建立的浓度场的驱动下进行第二次均质化，使碳及合金元素在比较短的时间内扩散，实现了完全均质化，彻底消除液析碳化物以及由于枝晶偏析所产生的带状组织。最后再经过镦拔终锻、晶粒细化、退火，得到最终的产品。

以上过程中，每一步工序的温度、时间对是否能够消除液析碳化物以及由于枝晶偏析所产生的带状组织至关重要。例如，在步骤A和C中，若温度低于下限则均质化效果很差，高于上限可能造成晶间熔化；三向锻造的温度过高或过低或者时间不足都无法形成足够大的浓度场；镦拔终锻的温度低于下限有可能造成开裂，高于上限容易产生晶粒粗大。