一种改善1Ni3MnCuMoAl大型钢锭非金属夹杂物的方法与流程

一种改善1ni3mncumoal大型钢锭非金属夹杂物的方法
技术领域
1.本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种改善1ni3mncumoal大型钢锭非金属夹杂物的方法。

背景技术：

2.近年来，我国模具钢行业飞速发展，特别是塑料行业的发展推动了塑料模具钢行业水平的整体发展。塑料模具产业的飞速发展对模具钢的纯净度、抛光性能、细晶组织等也提出了更高的要求。
3.高镜面模具钢是塑料模具中要求较高的一种材料，广泛应用于汽车、手机、家电及高端电子产品行业，模具材料需要承受高压、腐蚀、磨损等外界因素影响，因此对材料的综合力学性能要求较高，既要求材料的性能均匀性，同时也要保障材料的硬度。另外，材料中非金属夹杂物含量会影响模具钢的纯净度，同时影响模具钢的抛光性能。
4.1ni3mncumoal对应日本牌号nak80，是一种预硬性塑胶模具钢，预硬状态交货，不需要再热处理，加之良好的抛光性和雕饰性，在塑胶方向得到广泛应用。而钢的纯净度直接决定了该钢的抛光性，实际生产中发现随着锭型的增大(6t
→
8t
→
12t)，其夹杂物数量及尺寸均有增多及长大的趋势。然而，抛光性能差，只能用于一些低抛光要求的模具产品。经电镜分析，该钢的夹杂物主要以aln为主，大于5mm尺寸的aln夹杂占比近90％，严重影响该钢抛光性能(该钢的抛光性能主要与夹杂物数量及尺寸有关)，特别是aln的析出随着锭型的增大，其数量及尺寸均增加。
5.专利文献cn 110565014 a公开了一种高镜面塑料模具钢1ni3mncumoal厚板的生产工艺，该专利方法选用优质废钢电炉炼钢，以钢锭二火成材，通过合理的加热方式、轧制工艺以及时效硬化热处理制度得到内部质量优异，加工性能良好的高镜面塑料模具钢1ni3mncumoal厚板，钢板的最大厚度达到110mm，探伤满足gb/t2970 i级要求。该高镜面塑料模具钢1ni3mncumoal厚板综合性能良好，钢板表面质量较锻材有所提高，钢板组织均匀，加工及抛光性能优异，夹杂物级别低，生产成本较锻造成材的产品大幅度降低。按照gb/t 10561a法检验夹杂物，该模具钢的夹杂物总级别不大于2.5级，钢板组织为粒状贝氏体和少量残余奥氏体，钢板硬度为38-43hrc。然而其夹杂物级别有待进一步提高，抛光性能仍有待改善。
6.由于对塑料模具钢1ni3mncumoal锭型的需求不断增大，需要大量制备出具有大锭型的1ni3mncumoal模具钢。然而该钢由于锭型越大，其夹杂物数量就增多，尺寸相应增大，严重影响了其抛光性能。因此，关于如何减少大型1ni3mncumoal钢锭中大尺寸夹杂物含量的方法，提升其抛光性能，有待进一步开发。

技术实现要素：

7.本发明的目的就在于为了解决上述问题，从而提供一种改善1ni3mncumoal大型钢锭大尺寸夹杂物含量的方法，以解决现有大规格1ni3mncumoal钢锭制备过程中非金属夹杂
物含量较高，抛光性能较差的问题。
8.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
9.一种改善1ni3mncumoal大型钢锭非金属夹杂物的方法，包括以下步骤：
10.(1)冶炼：采用im+lf炉+vd炉，浇铸温度控制在1540-1550℃；冶炼过程中加入质量分数为0.02-0.04％的ti；
11.(2)电渣：采用普通电渣或保护气氛电渣冶炼；
12.(3)锻造：始锻温度控制在1180-1250℃，终锻温度控制在850-900℃，锻造加热采用550℃+850℃预热。
13.本发明在冶炼中采用im(中频炉)+lf+vd(炉外精炼)，同时根据aln与tin的析出温度不同，tin的析出温度高于aln，本发明在冶炼的模具钢原成份中加入微量的ti，控制其含量为0.02-0.04％，发现能够促使形成tin，使之优先aln析出，析出的tin夹杂物数量及尺寸比原aln夹杂物均大大降低，微量ti处理后大于5μm的非金属夹杂物含量由占比90％以上降至20％以下，同时其抛光性能也得到显著提升，由原来的8000#提高至10000#。
14.因1ni3mncumoal大型钢锭的含al较高，在生产中随着锭型的增大，凝固速度逐渐降低，会造成大量aln夹杂物析出。本发明提供的上述工艺，是从优化化学组分的百分比出发，通过以下热力学计算公式(1)和(2)，进行微ti化夹杂物变质处理，并且加强控氮，使氮≤20ppm，实现了该材料大锭型(12t)的夹杂物尺寸及数量大大降低，固溶时效后其抛光性能由原8000#提高至10000#。
15.(1)aln析出热力学公式(单位：k)
16.固溶度积公式：
17.(2)tin析出热力学公式(单位：k)
18.固溶度积公式：
19.通过上述公式计算得出：当ti的质量百分含量控制在0.02-0.04％时，该材料氮化钛优先于氮化铝析出，在析出数量及尺寸上均大大降低，有力提高了该钢大锭型的夹杂物质量水平，且提高了其抛光性能。
20.进一步的是，所述1ni3mncumoal大型钢锭的元素组成按重量百分比计为：c：0.08～0.20、mn：1.40～2.00％、si：≤0.45％、mn：≤0.8％、s：≤0.15％、p：≤0.03％、ni：2.90～3.40％、cu：0.80～1.20％、mo：0.20～0.50％、al：0.70～1.20％、ti：0.02～0.04％、n：≤20ppm，余量为fe。
21.进一步的是，所述1ni3mncumoal大型钢锭的规模为12t。
22.进一步的是，在完成步骤(3)的锻造之后，还包括固溶处理和时效处理。
23.进一步的是，所述固溶处理的温度为860-880℃，固溶处理时间为1.8-2.4min/mm，出炉空冷。
24.进一步的是，所述时效处理的温度为520-550℃，时效处理时间为1.6-2.0min/mm，出炉空冷。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
26.(1)本发明提供了一种改善1ni3mncumoal大型钢锭非金属夹杂物的方法，从优化
化学组分的百分比出发，通过热力学计算公式进行微ti化夹杂物变质处理，并且加强控氮，使氮≤20ppm，实现了该材料大锭型的夹杂物尺寸及数量大大降低，固溶时效后其抛光性能由原8000#提高至10000#。
27.(2)本发明可以获得大规格尺寸的1ni3mncumoal钢锭，可以制备出规模达到12t的大型1ni3mncumoal钢锭，同时能够很好控制其非金属夹杂物含量，提升其抛光性能。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例，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。
29.实施例1(传统工艺)
30.一种1ni3mncumoal大型钢锭，其原先的成份要求控制范围如下表1所示：
31.表1成分要求(余量fe未列出)
[0032][0033]
该钢的非金属夹杂物要求见表2：
[0034]
表2该钢非金属夹杂物要求
[0035][0036]
该钢为时效态交货，要求交货硬度hrc＝38-42。
[0037]
该钢制备工艺如下：
[0038]
(1)冶炼：采用炼钢炉，控制浇铸温度为1540-1550℃；
[0039]
(2)电渣：采用普通电渣或保护气氛电渣冶炼；
[0040]
(3)锻造：始锻温度控制在1180-1250℃，终锻温度控制在850-900℃，锻造加热采用550℃+850℃预热；
[0041]
(4)固溶处理：温度为860-880℃，固溶处理时间为1.8-2.4min/mm，出炉空冷；
[0042]
(5)时效处理：温度为520-550℃，时效处理时间为1.6-2.0min/mm，出炉空冷。
[0043]
实际生产中，以1ni3mncumoal钢锭的元素组成按以下重量百分比为例，其中c：0.20％、mn：2.00％、si：0.45％、mn：0.8％、s：0.15％、p：0.03％、ni：3.40％、cu：1.20％、mo：0.50％、al：1.20％，余量为fe；控制浇铸温度为1540℃，电渣采用普通电渣，始锻温度为1180℃，终锻温度为850℃，锻造加热采用550℃+850℃预热；固溶处理温度为860℃，固溶处理时间为1.8min/mm，出炉空冷；时效处理温度为520℃，时效处理时间为1.6min/mm，出炉空
冷。
[0044]
由于该钢含al较高，在生产中随着锭型的增大，凝固速度逐渐降低，造成大量aln夹杂物析出，生产中发现随着锭型的增大(6t
→
8t
→
12t)，其夹杂物数量及尺寸均有增多及长大的趋势。抛光性能差，只能用于一些低抛光要求的模具产品。经电镜分析，其夹杂物主要成份为aln(见表3)。
[0045]
表3 1ni3mncumoal(12t)钢锭工艺调整前夹杂物
[0046][0047]
从表3可以看出，该钢的夹杂物分布主要以aln为主，且以大于5μm尺寸的夹杂物(包含其它夹杂物)为主，严重影响了该钢的抛光性能(该钢的抛光性能主要与夹杂物数量及尺寸有关)。特别是aln的析出随着锭型的增大，其数量及尺寸均增加，因此目前的工艺仅能生产6t钢锭，不适合生产12t大型钢锭，因为锭型越大，其夹杂物数量及尺寸增多、增大，严重影响其抛光性能。
[0048]
实施例2(改进工艺)
[0049]
为了解决传统工艺中存在的问题，本实施例中进行了以下工艺改进：
[0050]
一种改进1ni3mncumoal大型钢锭非金属夹杂物的方法，包括以下步骤：
[0051]
(1)冶炼：采用im+lf炉+vd炉，浇铸温度控制在1540-1550℃；冶炼过程中加入质量分数为0.02-0.04％的ti；
[0052]
(2)电渣：采用普通电渣或保护气氛电渣冶炼；
[0053]
(3)锻造：始锻温度控制在1180-1250℃，终锻温度控制在850-900℃，锻造加热采用550℃+850℃预热；
[0054]
(4)固溶处理：温度为860-880℃，固溶处理时间为1.8-2.4min/mm，出炉空冷；
[0055]
(5)时效处理：温度为520-550℃，时效处理时间为1.6-2.0min/mm，出炉空冷。
[0056]
本发明按照上述改进工艺，在实施例1的冶炼中采用im(中频炉)+lf+vd(炉外精炼)，根据aln与tin的析出温度不同，tin的析出温度高于aln，在1ni3mncumoal钢锭原成份(c：0.20％、mn：2.00％、si：0.45％、mn：0.8％、s：0.15％、p：0.03％、ni：3.40％、cu：1.20％、mo：0.50％、al：1.20％)中加入微量ti(以0.02wt％为例，余量用fe补齐)，促使形成tin，使之优先aln析出，析出的tin夹杂物数量及尺寸比原aln夹杂物均大大降低，抛光性能由原8000#提高至10000#，改进后的总夹杂物情况如下表4：
[0057]
表4 1ni3mncumoal(12t)钢锭微ti处理后的夹杂物
[0058][0059]
从表3和表4调整前后夹杂物的对比可以看出，微ti处理后大于5μm的夹杂物占比降至19.5％，夹杂物尺寸明显减小。
[0060]
上述改进工艺，主要是优化了化学组分的百分比，通过以下表5中的热力学公式计算，进行微ti化夹杂物变质处理，并且加强控氮，使氮≤20ppm，使得该材料大锭型(12t)的夹杂物尺寸及数量大大降低(见表1、表2工艺前后对比)，固溶时效后其抛光性能由原8000#提高至10000#。
[0061]
表5热力学计算公式
[0062][0063]
通过计算当ti控制在0.02-0.04wt％时，该材料氮化钛优先于氮化铝的析出，在析出数量及尺寸上均大大降低，有力的提高了该钢大锭型的夹杂物质量水平，且提高了其抛光性能。
[0064]
本发明的改进工艺经调整后化学成份如下表6：
[0065]
表6本发明工艺调整后化学成份含量(余量fe未列出)
[0066][0067]
测试例1
[0068]
通过实施例1的改进工艺，对工艺调整前后1ni3mncumoal大型钢锭(12t)的夹杂物含量、非金属夹杂物级数以及抛光性能进行测试，结果如下表7-9：
[0069]
表7工艺调整前后夹杂物对比
[0070][0071]
表8 1ni3mncumoal(12t)钢锭非金属夹杂物工艺调整前后级数对比
[0072][0073]
表9 1ni3mncumoal大型钢锭(12t)工艺调整前后抛光性能前后对比
[0074][0075]
对比例1
[0076]
按照实施例2的改进工艺，不同之处在于将ti的含量控制为0.1wt％，结果发现过量ti的存在影响了氮化钛的优先析出，并促进了一部分氮化铝的同时析出。经过量ti处理后总夹杂物的分布及含量如表10：
[0077]
表10 1ni3mncumoal(12t)钢锭过量ti处理后的夹杂物
[0078][0079]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。
[0080]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：

1.一种改善1ni3mncumoal大型钢锭非金属夹杂物的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)冶炼：采用im+lf炉+vd炉，浇铸温度控制在1540-1550℃；冶炼过程中加入重量百分比为0.02-0.04％的ti；(2)电渣：采用普通电渣或保护气氛电渣冶炼；(3)锻造：始锻温度控制在1180-1250℃，终锻温度控制在850-900℃，锻造加热采用550℃+850℃预热。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述1ni3mncumoal大型钢锭的元素组成按重量百分比计为：c：0.08～0.20、mn：1.40～2.00％、si：≤0.45％、mn：≤0.8％、s：≤0.15％、p：≤0.03％、ni：2.90～3.40％、cu：0.80～1.20％、mo：0.20～0.50％、al：0.70～1.20％、ti：0.02～0.04％、n：≤20ppm，余量为fe。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述1ni3mncumoal大型钢锭的规模为12t。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在完成步骤(3)的锻造之后，还包括固溶处理和时效处理。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为860-880℃，固溶处理时间为1.8-2.4min/mm，出炉空冷。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述时效处理的温度为520-550℃，时效处理时间为1.6-2.0min/mm，出炉空冷。

技术总结

本发明提供了一种改善1Ni3MnCuMoAl大型钢锭非金属夹杂物的方法，包括以下步骤：(1)冶炼：采用IM+LF炉+VD炉，浇铸温度控制在1540-1550℃；冶炼过程中加入质量分数为0.02-0.04％的Ti；(2)电渣：采用普通电渣或保护气氛电渣冶炼；(3)锻造：始锻温度控制在1180-1250℃，终锻温度控制在850-900℃，锻造加热采用550℃+850℃预热。本发明根据AlN与TiN的析出温度不同，TiN的析出温度高于AlN，在冶炼的模具钢原成份中加入微量的Ti，控制其含量为0.02-0.04％，促使形成TiN，使之优先AlN析出，析出的TiN夹杂物数量及尺寸比原AlN夹杂物均大大降低，大于5μm的非金属夹杂物含量由占比90％降至20％，抛光性能由原来的8000#提高至10000#。10000#。