一种合金钢及其制作方法.pdf

本发明公开了一种合金钢，合金钢的成分及质量百分比为：C：0.33～0.45％；Cr：4.5～5.5％；Mo：3.0～3.8％；W：1.0～1.9％；V：0.7～1.3％；Mn：0.3～0.7；Si：0.3～0.7％；Ni：0.3～0.8％；Nb：0.1～0.3％；Al：0.07～0.20％；Cu不大于0.15％；余量由Fe和杂质组成。其制作方法包括备料、电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气、脱模、电渣重熔、退火、锻造、再次退火等步骤。本发明的合金钢的淬透性、红硬性和热稳定性得到显著提高，特别适用于大型热作模具用钢；有效消除某些传统热作模具钢工作时出现的龟裂现象；其性价比高，具有物美价廉的优点。

1.  一种合金钢，其特征在于，合金钢的成分及质量百分比为：C：0.33～0.45％；Cr：4.5～5.5％；Mo：3.0～3.8％；W：1.0～1.9％；V：0.7～1.3％；Mn：0.3～0.7；Si：0.3～0.7％；Ni：0.3～0.8％；Nb：0.1～0.3％；Al：0.07～0.20％；Cu不大于0.15％；余量由Fe和杂质组成。

2.  根据权利要求1所述的一种合金钢，其特征在于，杂质的成分包括P和S，以质量百分比计P不大于0.03％，S不大于0.02％。

3.  如权利要求1或2所述的一种合金钢的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
备料，根据冶炼电炉规格，计算好每炉各种合金元素原料及废钢下炉比例和数量，基于计算结果备好所需的下炉料；
电炉冶炼，将备好的下炉料按工艺要求下炉，进行充分熔解冶炼；
炉外精炼，将充分熔解冶炼后的钢液倒入一钢包内，加入精炼剂，对钢液进行脱氧、去渣和净化；
真空脱气，将精炼好的钢液倒入真空脱气设备中进行充分脱气，然后将钢液倒入钢锭模内进行凝固；
脱模，待钢锭模中的钢液完全凝固后脱模制成钢锭；
电渣重熔，将钢锭吊入电渣炉中进行电渣重熔，加入各种辅助原料对钢锭进行再次净化，之后将钢锭埋入沙坑中缓冷；
退火，对钢锭进行退火，充分消除钢锭内应力，细化钢锭组织；
锻造，对退火后的钢锭加热至工艺要求温度范围，进行反复镦拔锻打，最后镦拔成长条钢棒或方钢然后锯成料块，再次进行加热反复镦粗、拔长、锻打成各规格形状尺寸的模坯；
再次退火，对模坯再次进行退火，彻底消除模坯内应力，细化模坯组织。

4.  根据权利要求3所述的一种合金钢的制作方法，其特征在于，备料步骤中备用的下炉料包括回炉料，回炉料为3cr3Mo3VNb或30～50％的H13回炉料。

5.  根据权利要求3所述的一种合金钢的制作方法，其特征在于，电渣重熔后的钢锭成分组织偏析严重时采用高温扩散退火，否则采用常规退火。

一种合金钢及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种合金钢及其制作方法。
背景技术
在机械制造领域，大量机械配件生产采用锻造或压铸、热挤成型。目前，国内汽车制造和矿山机械制造行业，比较普遍采用的典型热锻模用钢是H13、3Cr3Mo3VNb、5Cr2NiMoVSi、5CrNiMoV、5CrMnMo等，压铸模和热挤模用钢最为典型的是国产3Cr2w8v、3Cr2MnNiMo等，近年来，有人已发明了012AL(5Cr4Mo3SiMnVAL)，目前正在开展推广应用。
这些典型国产热作模具钢在人们生产实践中很长时期内发挥着巨大作用，解决了机械制造中许多实际问题。
然而，随着改革开放的步伐加快，工业生产的突飞猛进，上述典型热作模具钢早已难以满足企业生产日益增长的客观需求。所以就有大量国外生产的热作模具钢涌入中国市场，例如瑞典、日本、德国等国家生产的典型模具钢718、502、SKD61、55NiCrMoV6等等，已被我国不少企业广泛采用。但是，这些优质的国外模具钢也存在两大问题：一是普遍价格比较贵，许多生产企业难以接受；二是普遍对热处理的要求很高，国内很多企业往往在技术装备上难以满足其热处理要求，这就使许多 企业想用而又不敢用，自然制约了这些国外典型优质热作模具钢更广泛的推广应用。而热锻模和压铸模、热挤模等大都是在800∽1250℃高温状态下工作，总是承受着高温冲击磨损，高温反复急热急冷疲劳工作状态，服役条件十分恶劣。
因此，研制一种造价较低，便于实施热处理，但同时又必须是高红硬性、高强韧性、抗高温磨损和抗热疲劳模具钢，早已是人们的强烈愿望和衷心期盼，也是许多大规模热成形生产企业永恒的课题。
发明内容
为了达到以上目的，本发明提供一种成本低、高淬透性、高红硬性、超高强度、抗磨损的合金钢，并提供一种该种合金钢的制作方法。
本发明所提供的一种合金钢，合金钢的成分及质量百分比为：C：0.33～0.45％；Cr：4.5～5.5％；Mo：3.0～3.8％；W：1.0～1.9％；V：0.7～1.3％；Mn：0.3～0.7；Si：0.3～0.7％；Ni：0.3～0.8％；Nb：0.1～0.3％；Al：0.07～0.20％；Cu不大于0.15％；余量由Fe和杂质组成。
其中，杂质的成分包括P和S，以质量百分比计P不大于0.03％，S不大于0.02％。
本发明所提供的合金钢制作方法，包括以下步骤：备料，根据冶炼电炉规格，计算好每炉各种合金元素原料及废钢下炉比例和数量，基于计算结果备好所需的下炉料；电炉冶炼，将 备好的下炉料按工艺要求下炉，进行充分熔解冶炼；炉外精炼，将充分熔解冶炼后的钢液倒入一钢包内，加入精炼剂，对钢液进行脱氧、去渣和净化；真空脱气，将精炼好的钢液倒入真空脱气设备中进行充分脱气，然后将钢液倒入钢锭模内进行凝固；脱模，待钢锭模中的钢液完全凝固后脱模制成钢锭；电渣重熔，将钢锭吊入电渣炉中进行电渣重熔，加入各种辅助原料对钢锭进行再次净化，之后将钢锭埋入沙坑中缓冷；退火，对钢锭进行退火，充分消除钢锭内应力，细化钢锭组织；锻造，对退火后的钢锭加热至工艺要求温度范围，进行反复镦拔锻打，最后镦拔成长条钢棒或方钢然后锯成料块，再次进行加热反复镦粗、拔长、锻打成各规格形状尺寸的模坯；再次退火，对模坯再次进行退火，彻底消除模坯内应力，细化模坯组织。
其中，备料步骤中备用的下炉料包括回炉料，回炉料为3Cr3Mo3VNb或30～50％的H13回炉料。
电渣重熔后的钢锭成分组织偏析严重时采用高温扩散退火，否则采用常规退火。
本发明的有益效果是：本发明的合金钢的淬透性、红硬性和热稳定性得到显著提高，特别适用于大型热作模具用钢；比国产3Cr2W8V优质热作模具钢导热性明显提高，有效消除其工作时出现的龟裂现象；成本降低，具有物美价廉的优点。本发明的合金钢制作方法生产方便高效，能够有效保证合金钢的质量。
具体实施方式
本发明的合金钢的成分及质量百分比为：C：0.33～0.45％；Cr：4.5～5.5％；Mo：3.0～3.8％；W：1.0～1.9％；V：0.7～1.3％；Mn：0.3～0.7；Si：0.3～0.7％；Ni：0.3～0.8％；Nb：0.1～0.3％；Al：0.07～0.20％；Cu不大于0.15％；余量由Fe和杂质组成。其中，杂质的成分包括P和S，以质量百分比计P不大于0.03％，S不大于0.02％。
针对引进美国H13早已国产化的4Cr5MoSiV1和国产的3Cr3Mo3VNb、012AL优质热作模具钢而言，加入了W，并且Mo的含量是H13的两倍以上，同时比3Cr3Mo3VNb和012AL中的含Mo量也高出10～20％，根据W、Mo在合金钢中的作用，它们可显著提高钢的红硬性外，还可防止第二类回火脆性。另外，Mo又是显著提高其钢的淬透性元素。这就在确保上述典型优质钢高强韧性优点基础上，显著提高了钢的淬透性、红硬性和热稳定性，因而特别适用于大型热作模具用钢。
针对国产3Cr2W8V而言，本发明的合金钢中的合金元素是微量多元组合，自然要比其少元素高含量组合的钢性能优越得多，一个Mo在钢中的作用等于2个W，因此，本发明合金钢中W、Mo总量的作用绝对比3Cr2W8V钢中高W的作用大，并且由于本发明合金钢W的含量远比3Cr2W8V中W含量低，这就比3Cr2W8V导热性大幅度提高，有效消除其工作时出现的龟裂现象；并且由于W含量的大幅度下降，无论给钢的冶炼 还是热处理，在工艺上带来了更大的方便：另外由于W的单价是Mo单价的2倍，所以本发明合金钢的制造成本仅W元素这一项降低6.5％以上，而用3.3％左右的Mo取而代之，这就使生产每吨钢的W铁消耗节省近万元：加之本发明合金钢中的Cr是3Cr2W8V的2.5倍，有效的提高了其淬透性和耐高温腐蚀性能：由于加入了微量的Nb，有效地阻止了钢在高温加热时的晶粒长大，起到了细化晶粒的作用，从而可以显著提高其钢的强韧性和耐热疲劳寿命。再由于Cr是我国富有矿产，单价仅值W的7％，所以，本发明合金钢合金组元的优化设计充分体现了物美价廉的设计宗旨。
测试结果证明：本发明合金钢跟目前国内较优的某特钢集团公司生产的H13Φ45样料对比，抗拉强度在同等热处理条件下提高10-20％，并经两种尺寸相近试棒在三种不同工艺淬火后，分别在570±10℃、590±10℃、620℃、650±10℃、680℃和700℃各回火2小时后，其硬度比H13高3-4HRC，通常提高抗高温回火能力在30-40℃。而且经材料机械加工表明：在ST1钢和H13钢及012AL同等硬度情况下，ST1更难以加工，刀具磨损明显更为严重，可见比H13钢更有效地提高了在高温服役条件下的抗磨损能力。
本发明合金钢由于成分设计上的创新效果，完全打破了传统热锻模与压铸模、热挤模用钢的明显界限，就其功能而言，既特别适用于热锻模制造，取代H13和3Cr3Mo3VNb；提高其 模具使用寿命，也可用于压铸模、热挤模生产，取代3Cr2W8V和012AL等，提高模具使用寿命。由于ST1钢淬火后硬度可达60-61HRC，并且有高的强韧性，∮50×120淬火钢经580℃两次回火两小时后，抗拉强度仍达近2000Mpa，其硬度仍可达57-58HRC。可见对某些冷挤、冷冲模制造，取代Cr12型材料会有更高的性价比。
本发明合金钢具有广泛的适用性，其主要适用于：
1)各类形状复杂且较大型，要求其高淬透性及抗高温磨损的热锻模制造。
2)各类形状复杂且较大型的压铸模制造。
3)各类形状复杂且较大型的热挤压模制造。
4)对某些冷挤、冷冲模制造也具有较高的适用价值。
下面对本发明合金钢的制作方法进行说明。
合金钢制作方法，包括备料、电炉冶炼、炉外精炼、真空脱气、脱模、电渣重熔、退火、锻造、再次退火等步骤。具体实现时，还会假如检验、标识等步骤。
备料，按照前述的成分要求，根据冶炼电炉规格，计算好每炉各种合金元素原料及废钢下炉比例和数量，基于计算结果备好所需的下炉料。备用的下炉料包括回炉料，回炉料为3Cr3Mo3VNb或30～50％的H13回炉料，其余另加低碳钢或低碳Cr、Mo类合金钢边角废料或料头等。
电炉冶炼，将备好的下炉料按工艺要求下炉，进行充分熔 解冶炼，冶炼之后，经炉前分析，达到成分均匀合格即可。
炉外精炼，将充分熔解冶炼后的钢液倒入一钢包内，加入精炼剂，对钢液进行脱氧、去渣和净化。
真空脱气，将精炼好的钢液倒入真空脱气设备中进行充分脱气，然后将钢液倒入钢锭模内进行凝固。
脱模，待钢锭模中的钢液完全凝固后脱模制成钢锭。
电渣重熔，将钢锭吊入电渣炉中进行电渣重熔，加入各种辅助原料对钢锭进行再次净化，制成电渣钢锭，之后将钢锭埋入沙坑中缓冷。
退火，对钢锭取料进行化学分析和金相组织分析，看各化学成份是否合格，金相组织是否存在严重偏析。若检验结果发现成份组织偏析严重，必须转入热处理高温扩散退火，否则，转入热处理常规退火，充分消除钢锭内应力，细化钢锭组织。高温扩散退火就是加热到稍低于固相线温度进行较长时间(8-10小时)保温，然后随炉缓冷至500℃出炉空冷；常规退火就是加热到AC3+20-40℃保温一定时间，然后随炉冷却到≤500℃出炉空冷。
锻造，对退火后的钢锭加热至工艺要求温度范围，进行反复镦拔锻打，最后镦拔成长条钢棒或方钢然后锯成料块，再次进行加热反复镦粗、拔长、锻打成各规格形状尺寸的模坯。
再次退火，先主要检查模坯几何尺寸是否达到要求，然后采用超声波擦伤检查模坯是否有裂纹，发现有内裂纹的模坯一 律报废，检验合格的模坯最后取试样做低倍，检查锻坯低倍组织质量状况，然后对模坯再次进行退火，彻底消除模坯内应力，细化模坯组织。
完成再次退火一般还有机加工、标识、入库的步骤。机加工即根据需制造模块净尺寸要求，将模坯上机床进行机加工，达到技术规范要求。标识则是在模坯表面位置上打钢印。再次检验合格后即可入库或发货。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。