一种高氮高强韧性H13模具钢及其短流程连铸连轧生产工艺的制作方法

一种高氮高强韧性h13模具钢及其短流程连铸连轧生产工艺
技术领域
1.本发明属于模具钢领域，更具体地说，涉及一种高氮高强韧性h13模具钢及其短流程连铸连轧生产工艺，适用于制造热轧穿管芯棒、盾构刀具等。

背景技术：

2.我国装备制造业特别是高端制造的发展对压铸模具钢提出了很高的要求，大型、精密、长寿命化是压铸模具钢高品质化的重要特征。热疲劳抗性等是决定压铸使用寿命的直接因素，可通过抗拉强度、硬度、断裂韧性、冲击性能间接反映。其中，冲击性能被认为是决定h13钢材质量的关键性指标，也被nadca207-2016标准中作为判定等级的关键指标。在保证一定使用硬度(≥45hrc)的前提下使h13钢具备较高的冲击韧性，是其达到到预期的使用效果和寿命的重要保证。
3.经过多年的研究，科学家们己经开发出多种提高h13模具钢材料韧性的有效途径，但通常情况是钢的韧性在提高的同时，它的硬度却降低了，反之也是如此。例如，高温淬火+低温回火的方法可以提高钢的强度和硬度，却降低了其韧性；相反，低温淬火+高温回火可以提高钢的韧性却降低其强度和硬度。目前市面使用的优质h13钢在获得正常的使用硬度下其冲击韧性通常在10j以内，韧性的不足导致了模具的使用寿命短，生产成本高。如何合理设计钢的成分和组织，并优化其生产工艺，以提高h13钢的整体使用性能和寿命，是行业内始终追求的目标。
4.经检索，申请号2020108964829的申请案公开了一种高韧性高硬度模具钢及其制备方法，其模具钢种按照质量百分比计，包括：c：0.70～0.85％，si：0.10～0.40％，mn：0.30～0.70％， cr：4.85～5.30％，mo：2.25～2.55％，v：0.40～0.70％，p《0.02％，s《0.003％和余量的fe。该申请案将c含量设定在热作与冷作模具钢的成分之间，能够提高材料淬透性和淬硬性同时还可以形成合金碳化物，改善耐磨性；降低si含量，以提高材料的韧性；将cr含量保持与热作模具钢h13中cr含量相同，同时降低v含量，提高mo含量能够减少含v共晶碳化物的生成，降低对韧性的影响，并保证材料具有较好的抗回火软化性。又如申请号 2009102375241的申请案公开了一种通过加氮改进h13模具钢性能的方法，该申请案对传统 h13钢化学成分进行改进，通过加入固溶氮元素提高钢的强度、硬度和耐磨性，并且不降低韧性，氮元素采用添加氮化铬中间合金的方法加入，并控制熔炼温度在熔点以上50℃之内，合金全部熔化后迅速浇注。但该申请案条件严苛，根本无法应用于大生产作业，对于实践生产并没有指导意义。

技术实现要素：

5.1、要解决的问题
6.针对目前h13钢强韧性综合性能仍有较大提升空间的现状，本发明拟提供一种高氮高强韧性h13模具钢及其短流程连铸连轧生产工艺，本发明的h13模具钢其最终热处理态力学性能满足：硬度≥46hrc、横向冲击功kv2(常温)≥14j、纵向冲击功kv2(常温)≥19j。
7.2、技术方案
8.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
9.本发明的一种高氮高强韧性h13模具钢，其化学成分按重量百分比计为c：0.36～0.40％， si：1.00～1.20％，mn：0.40～0.50％，cr：5.10～5.50％，mo：1.40～1.50％，v：0.80～1.00％， al：0.015～0.040％，p：≤0.010％，s：≤0.005％，t.o：≤10ppm，[h]：≤1.0ppm，[n]：400～500ppm，其余为fe和不可避免的杂质元素。
[0010]
其中成分设计原理如下：
[0011]
c：碳含量影响着热作模具钢的硬度、淬透性、强韧性及耐热性等。热作模具钢中的碳有的固溶于基体中能产生固溶强化效果，对工具钢而言，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化。另外一部分的碳将与合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。对于热作模具钢，要求这种合金碳化物在回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出而产生二次硬化现象，以此来提高钢的硬度，从而由均匀分布的残留合金碳化合物和回火马氏体的组织来决定热作模具钢的性能。故其含碳量应保持在能形成少量合金碳化物的水平上。c含量控制在 0.36～0.40％。
[0012]
si：硅是一种非常有效的置换固溶强化元素，但是在强化的同时，会降低钢的韧性和塑性，一般都将硅含量控制在钢脱氧需要的范围内。硅也可以提高h13钢的回火稳定性和热稳定性。从能量学的角度，随着钢中硅含量的增加，回火转变激活能增加，从而提高回火稳定性；从残余奥氏体的角度，硅可以提高残余奥氏体的量和其中的碳含量，在保温过程中，残余奥氏体分解时部分碳原子向未分解的奥氏体中分配，从而提高奥氏体的热稳定性。因此si 含量控制在1.00～1.20％。
[0013]
mn：钢中含有一定量的锰，与硫亲和力较强，可形成具有一定塑性的硫化物mns，可避免在晶界上形成低熔点的硫化物fes，从而减小或消除了硫的有害影响，改善了钢的性能。锰同样对钢基体具有固溶强化作用，可以提高铁素体和奥氏体的硬度和强度，虽然属于弱强化元素，但对钢的延展性几乎没有损害，所以是有益元素。锰作为弱碳化物形成元素，可以置换渗碳体fe3c中的铁，形成合金渗碳体(fe,mn)3c，它的形成可降低系统的自由能，使系统处于更稳定状态。此外，锰溶入奥氏体中能强烈增加钢的淬透性，同时强烈降低钢的ms 点；锰可以导致模具钢临界温度的降低。因而控制mn含量在0.40～0.50％。
[0014]
cr：铬元素对钢的耐磨损性、高温强度、热态硬度、韧性和淬透性都有有利的影响。此外，它溶入基体中会显著改善钢的耐蚀性能，一定量的铬与硅相配合还会使氧化膜变的致密来提高钢的抗氧化性。合金工具钢中的铬一部分溶入钢中起固溶强化作用，另一部分与碳结合，按含铬量高低以(fecr)3c、(fecr)7c3和m23c6形式存在，在回火时以不同析出相的形式影响钢的性能。cr含量控制在5.10～5.50％。
[0015]
mo：钼熔于铁基体中具有固溶强化的作用，并且其溶解于奥氏体中能提高钢的淬透性。钼也可以作为二次硬化合金元素，这是由于马氏体在回火时有析出。为产生二次硬化效应，要求钼的加入量不低于1.0％，加入3.0％时可取得接近极值的效果；当加入量为2.0～2.5％时，可获得最经济且最有效的作用。
[0016]
v：钒在合金工模具钢的主要作用是细化晶粒、降低过热敏感性，同时增加回火稳定性、耐磨性，从而延长工模具的使用寿命。在常用的热作模具钢和冷作模具钢中，钒是主要的二次硬化元素。钒在工模具钢中的含量通常在0.1～5％的范围内波动。对于结构用钢
来说，由于钒与氮有极强的亲和力，所以钒可以固定钢中的氮，形成vn，这样可以减小或者消除钢的时效倾向性，使得钢中氮的存在不仅无害，反而有利。v含量控制为0.80～1.00％。
[0017]
al：铝是有效的脱氧剂，且能形成aln细化晶粒，al含量低于0.010％时，作用不明显，过高的al易形成粗大的夹杂物同时降低vn的含量，恶化钢的性能。因此，al含量应控制在0.015～0.040％。
[0018]
[n]：氮能与v、b、ti和al等形成化合物，细化晶粒。同时微量氮能够促进v(c，n) 析出，增加h13钢淬火未溶碳化物的数量及稳定性，作为形核核心减小cr23c6等共晶碳化物尺寸，通过增加细晶强化和沉淀强化作用来提升模具钢的综合性能，提高材料硬度和韧性。同时能够减少v的用量，降低成本。控制[n]为400～450ppm。
[0019]
p和s：硫容易在钢中与锰形成mns夹杂，使钢产生热脆；p是具有强烈偏析倾向的元素，增加钢的冷脆，降低塑性，对产品组织和性能的均匀性有害。控制p≤0.010％，s≤0.005％。
[0020]
t.o和[h]：t.o在钢中形成氧化物夹杂，控制t.o≤10ppm；[h]在钢中形成白点，严重影响产品性能，控制[h]≤1.0ppm。
[0021]
本发明的上述高氮高强韧性h13模具钢通过短流程连铸连轧工艺生产，具体包括电弧炉 /转炉冶炼-lf精炼-rh真空处理-连铸-轧制-热处理，冶炼全程以氮气为载体，并通过rh动态调氮，具有低成本增氮及动态调节氮含量的优势，连铸过程中加入末端电磁搅拌和轻重压下工艺，改善碳化物偏析，细化组织，连铸坯出坯后经过热装，装炉温度≥550℃，在加热炉 1220-1260℃温度下加热保温进行高温扩散≥6h后进行轧制，通过热装和高温扩散工艺优化改善坯料内部碳化物的均匀性，轧制开轧温度：1100-1150℃，终轧温度900-950℃，轧后经过冷床快移入缓冷坑缓冷，入坑温度≥650℃，同时出坑温度≤100℃，并于24小时内完成退火，通过轧制过程形变和温度控制改善组织均匀性，减小组织应力，杜绝材料缺陷产生。其热处理工艺为球化退火后进行淬火并进行二次回火。具体地，球化退火：860℃
±
10℃保温后随炉冷却；淬火温度：1030℃
±
10℃，油冷淬火；回火温度：570℃
±
10℃空冷。
[0022]
通过上述工艺生产得到的高氮高韧性h13模具钢，其最终力学性能满足：硬度≥46hrc、横向冲击功kv2(常温)≥14j、纵向冲击功kv2(常温)≥19j。
[0023]
3、有益效果
[0024]
本发明采用短流程连铸连轧工艺生产的h13模具钢，其最终热处理态力学性能：硬度≥ 46hrc、横向冲击功kv2(常温)≥14j、纵向冲击功kv2(常温)≥19j，相比于现有技术，本发明通过引入高氮的成分设计和短流程的冶炼、连铸连轧热处理的工艺优化实现传统h13 产品的高韧性，产品最终韧性横向冲击功kv2(常温)≥14j，大大超过nadca207-2016标准中高级优质h13的(≥10j)水平。同时通过低成本增氮的冶炼和短流程连铸连轧的工艺进行生产，产品的制造成本低，在经济性方面远远优于传统的模铸+电渣重熔工艺。且热轧产品应用于热轧穿管芯棒、盾构刀具等制造使用，芯棒掉块和刀具崩刃较之前产品大幅改善，使用寿命大幅提升。
具体实施方式
[0025]
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
[0026]
下表1为本发明各实施例及对比例的钢种成分设计，表2为各实施例及对比例的主
要加工工艺，表3为对应的各实施例和对比例所得钢种的最终性能。
[0027]
表1：各实施例和对比例的钢种成分设计
[0028] c/％si/％mn/％cr/％mo/％v/％al/％p/％s/％t.o/ppm[h]/ppm[n]/ppm实施例10.381.050.425.181.420.860.0190.0040.00390.5468实施例20.371.040.435.171.450.850.0200.0050.003100.6435实施例30.371.060.455.181.430.850.0200.0060.00290.5418实施例40.381.040.435.171.440.860.0210.0050.00190.5450实施例50.371.050.445.181.430.860.0190.0040.00280.6439对比例10.381.100.455.201.451.010.0250.0060.00290.565对比例20.371.110.445.211.441.000.0230.0050.00290.559
[0029] 表2：各实施例和对比例的主要加工工艺
[0030][0031]
表3：各实施例和对比例的钢种性能
[0032][0033]
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种高氮高强韧性h13模具钢，其特征在于：其化学成分按重量百分比计为c：0.36～0.40％，si：1.00～1.20％，mn：0.40～0.50％，cr：5.10～5.50％，mo：1.40～1.50％，v：0.80～1.00％，al：0.015～0.040％，p：≤0.010％，s：≤0.005％，t.o：≤10ppm，[h]：≤1.0ppm，[n]：400～500ppm，其余为fe和不可避免的杂质元素。2.根据权利要求1所述的一种高氮高强韧性h13模具钢，其特征在于：其力学性能满足：硬度≥46hrc、横向冲击功kv2(常温)≥14j、纵向冲击功kv2(常温)≥19j。3.根据权利要求1或2所述的一种高氮高强韧性h13模具钢的短流程连铸连轧生产工艺，其特征在于：包括电弧炉/转炉冶炼-lf精炼-rh真空处理-连铸-轧制-热处理，其中连铸坯出坯后经过热装，在加热炉1220-1260℃温度下加热保温进行高温扩散≥6h后进行轧制，轧后经过冷床快移入缓冷坑缓冷，同时出坑温度≤100℃，并于24小时内完成退火。4.根据权利要求3所述的一种高氮高强韧性h13模具钢的短流程连铸连轧生产工艺，其特征在于：热装的装炉温度≥550℃。5.根据权利要求3所述的一种高氮高强韧性h13模具钢的短流程连铸连轧生产工艺，其特征在于：轧制工艺的开轧温度：1100-1150℃，终轧温度900-950℃。6.根据权利要求3所述的一种高氮高强韧性h13模具钢的短流程连铸连轧生产工艺，其特征在于：移入缓冷坑缓冷的入坑温度≥650℃。7.根据权利要求3-6任一项所述的一种高氮高强韧性h13模具钢的短流程连铸连轧生产工艺，其特征在于：热处理工艺为球化退火后进行淬火并进行二次回火。8.根据权利要求7所述的一种高氮高强韧性h13模具钢的短流程连铸连轧生产工艺，其特征在于：热处理工艺为：球化退火：860℃
±
10℃保温后随炉冷却；淬火温度：1030℃
±
10℃，油冷淬火；回火温度：570℃
±
10℃空冷。

技术总结

本发明公开了一种高氮高强韧性H13模具钢及其短流程连铸连轧生产工艺，属于模具钢领域。其化学成分按重量百分比计为C：0.36～0.40％，Si：1.00～1.20％，Mn：0.40～0.50％，Cr：5.10～5.50％，Mo：1.40～1.50％，V：0.80～1.00％，Al：0.015～0.040％，P：≤0.010％，S：≤0.005％，T.O：≤10ppm，[H]：≤1.0ppm，[N]：400～500ppm，其余为Fe和不可避免的杂质元素。其生产工艺包括电弧炉/转炉冶炼-LF精炼-RH真空处理-连铸-轧制-热处理，所得钢最终力学性能满足：硬度≥46HRC、横向冲击功KV2(常温)≥14J、纵向冲击功KV2(常温)≥19J。纵向冲击功KV2(常温)≥19J。