熱作模具鋼4Cr5MoSiV1電爐模鑄生產(chǎn)工藝

供稿|王德勇，李紅梅 / WANG De-yong, LI Hong-mei

作者單位：1. 本鋼板材技術(shù)研究院，遼寧 本溪 117000；2. 本鋼板材股份有限公司質(zhì)量管理中心，遼寧 本溪 117000

4Cr5MoSiV1相當(dāng)于ASTM中的H13、DIN標(biāo)準(zhǔn)中1.2344、JIS標(biāo)準(zhǔn)中的SKD61、ISO中的40CrMoV5等牌號，4Cr5MoSiV1鋼是既可用于熱鍛模具，又可用于熱擠壓模具[1-2]，還可以用于壓鑄模具的中合金熱作模具鋼。其中4Cr5MoSiV1鋼作為模具用鋼的典型鋼種，在模具加工制造業(yè)中得到了長足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用[3-4]。該鋼具有優(yōu)異的韌性和良好的冷熱疲勞性能，其在600℃工作條件下與室溫下的力學(xué)性能基本相同[5-6]，適合用于制造工作溫度為600℃，對韌性和塑性都具有較高要求的模具。4Cr5MoSiV1鋼的主要特性是具有高的淬透性和高的韌性、優(yōu)良的抗熱裂能力[7]、中等耐磨損能力、熱處理的變形小、中等和高的切削加工性、中等抗脫碳能力。為了拓寬產(chǎn)品品種結(jié)構(gòu)和開發(fā)新的市場份額，提高企業(yè)競爭力，本文介紹了采用電爐模鑄開發(fā)生產(chǎn)4Cr5MoSiV1模具用鋼的生產(chǎn)工藝。

4Cr5MoSiV1的技術(shù)要求

4Cr5MoSiV1鋼是Cr-Mo-V型鋼，其優(yōu)良的高溫強(qiáng)度和耐磨性等是由其化學(xué)成分決定的，各元素含量對鋼的性能都有較大影響。同時，也要求鋼中的雜質(zhì)元素硫、磷、鉛、錫、砷、銻、鉍等含量盡量低，充分考慮各元素對鋼材性能的影響，即保證冶煉成本較低、合金化最合理，又具有最佳組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)良性能，使最終產(chǎn)品性能滿足用戶使用需求。

表1是不同標(biāo)準(zhǔn)對4Cr5MoSiV1的成分控制要求。表2是不同標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)指標(biāo)要求。從表1和表2中可以看出GB/T 1299對4Cr5MoSiV1的化學(xué)成分和夾

表1 4Cr5MoSiV1的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 主要技術(shù)指標(biāo)要求

雜物要求都較北美壓鑄協(xié)會NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)寬松，特別是S含量只要求≤0.025%，而NADCA#207和國內(nèi)某知名企業(yè)對非金屬夾雜物、晶粒度和淬火硬度等要求都更加嚴(yán)格。例如北美壓鑄協(xié)會NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，優(yōu)質(zhì)鋼硫含量小于0.005%，磷含量應(yīng)小于0.025%，而超級優(yōu)質(zhì)鋼硫含量應(yīng)小于0.003%，磷含量應(yīng)小于0.015%。因此GB/T 1299的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前用戶對模具鋼質(zhì)量方面的要求。結(jié)合本廠生產(chǎn)實際，制定了本廠4Cr5MoSiV1鋼的成分控制范圍和質(zhì)量要求。

生產(chǎn)工藝及質(zhì)量

工藝路徑

模具鋼棒材的生產(chǎn)工藝主要有三種：(1)電爐或轉(zhuǎn)爐→爐外精煉→模鑄→軋制棒材→熱處理；(2)電爐或轉(zhuǎn)爐→爐外精煉→連鑄→軋制棒材→熱處理；(3)電爐或轉(zhuǎn)爐→爐外精煉→模鑄或連鑄→電渣重熔→軋制棒材→熱處理。不同用途的模具鋼材料對鋼的性能要求各不相同，可以通過采用合適的工藝生產(chǎn)模具鋼達(dá)到最合理的綜合性價比。根據(jù)生產(chǎn)實際和用戶實際需求，首次試制制定工藝流程為：電爐冶煉→爐外精煉 (LF+VD)→模鑄→加熱→軋制→退火，如圖1所示。

電爐冶煉

圖1 生產(chǎn)工藝流程示意圖

采用廢鋼加鐵水作為爐料。廢鋼采用的是不含雜質(zhì)元素的優(yōu)質(zhì)廢鋼，質(zhì)量配比為10%~30%；鐵水采用低磷、低硫鐵水，質(zhì)量配比70%~90%。配C量≥1.10%，采用氧氣氧化，激烈沸騰、自動流渣操作，氧化溫度1550~1580℃，脫碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥0.25%。出鋼時，C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%~0.25%，P質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.010%，其他殘余元素含量合格，溫度1630~1670℃。出鋼1/4~1/3時加入渣料、預(yù)脫氧劑(鋁鐵2.5~3.0 kg/t)、鐵合金等。

爐外精煉

LF精煉時，采用分批加入碳粉、硅鐵粉脫氧造渣，每批間隔時間5~10 min。全分析后繼續(xù)擴(kuò)散脫氧，保持還原氣氛至吊包，白渣保持時間不少于20 min。脫氧良好后按控制成分下限加入烘烤的鉻鐵、鉬鐵、釩鐵等合金，將成分調(diào)整到目標(biāo)。全程控制氬氣壓力0.2~0.3 MPa，防止鋼水裸露造成二次氧化。

VD精煉時，真空度達(dá)到100 Pa以下，保持時間≥15 min，VD過程吹氬確保鋼中氫含量在2×10–6以下。破真空后終脫氧，喂入CaSi線對夾雜物進(jìn)行變性處理，使脆性夾雜物轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詩A雜。喂線后靜吹氬時間≥20 min，氬氣壓力0.1~0.3 MPa，以渣面微動，鋼水不裸露為準(zhǔn)，在保證夾雜物充分上浮的情況下防止二次氧化。

澆鑄

模鑄工序是關(guān)鍵工序，采用3.16 t模鑄錠型，為了保證鋼材純凈度，確保鋼錠的內(nèi)外質(zhì)量及澆注過程的順利進(jìn)行，控制鋼水溫度在合理范圍內(nèi)，澆鑄前要保證錠模、澆道、中注管清潔干燥，防止污染鋼水。澆鑄時采用氬氣保護(hù)澆注，注完后鋼錠隨模冷卻3~5 h，脫模后熱裝，防止鋼錠開裂。

加熱與軋制

采用四角燒嘴換熱式均熱爐加熱，保證合適的加熱溫度和保溫時間，在保證鋼錠透燒的情況下避免過熱或過燒。軋制采用的是800初軋機(jī)進(jìn)行開坯，開坯后保溫48 h，起坑后對鋼坯進(jìn)行修磨，去除表面細(xì)小裂紋等缺陷，修磨后采用蓄熱式步進(jìn)梁加熱爐進(jìn)行加熱軋制，其中初軋溫度＞1050℃，連軋溫度＞960℃，軋制過程嚴(yán)格控制軋機(jī)輥道冷卻水流量，避免鋼材開裂。保證鋼材＞600℃入保溫坑，鋼材保溫48 h后進(jìn)行去應(yīng)力退火。表3是試制規(guī)格和數(shù)量。

表3 軋制規(guī)格和數(shù)量

產(chǎn)品質(zhì)量

◆ 化學(xué)成分

表4是試制爐次化學(xué)成分情況。從表4可以看出，所有合金元素均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，雜質(zhì)元素P質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.010%、S質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.004%控制在較低水平，達(dá)到了國內(nèi)外先進(jìn)企業(yè)控制水平。殘余元素Cu、Ni控制也較低。

表4 實際化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)控制情況

◆ 夾雜物

表5是各規(guī)格夾雜物級別情況。由表5可見，各類夾雜物級別均滿足GB/T 1299的要求，除A粗外，其余各類夾雜物均滿足某知名企業(yè)和北美壓鑄協(xié)會NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了較高水平。

表5 夾雜物控制水平

◆ 低倍組織

圖2是鋼材的低倍照片。鋼材橫截面酸浸低倍組織試片沒有發(fā)現(xiàn)有肉眼可見的縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點等缺陷。中心疏松和錠形偏析均不大于2級，鋼材心部質(zhì)量較好。

圖2 鋼材橫截面的低倍照片

◆ 硬度和晶粒度

截取退火試樣分別檢驗退火后硬度、淬火硬度和晶粒度，淬火、回火工藝為1030℃油淬，590℃回火2次。調(diào)質(zhì)硬度為HRC 46.1~48.0，較NADCA#207和某知名企業(yè)略高，可適當(dāng)調(diào)整淬、回火工藝進(jìn)行調(diào)整。晶粒度10.5級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NADCA#207和某知名企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求。退火硬度為HB 213~228，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

◆ 橫縱沖擊

分別截取 f 1 00 mm和f 150 mm兩個規(guī)格的鋼材，分別加工橫縱夏比沖擊試樣。NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試樣經(jīng)調(diào)質(zhì)后，要求優(yōu)質(zhì)鋼沖擊韌性不低于10.85 J，高級優(yōu)質(zhì)鋼的沖擊韌性不低于13.56 J。表6是橫縱沖擊韌性檢驗情況。從表中可以看出橫縱沖擊均達(dá)到NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的優(yōu)質(zhì)鋼沖擊韌性要求，個別試樣達(dá)到高級優(yōu)質(zhì)鋼的沖擊韌性要求，平均橫縱沖擊韌性比達(dá)到了0.86以上。

攝影 賈大庸

表6 橫向和縱向沖擊韌性

結(jié)束語

(1) 采用電爐模鑄和800棒線材軋機(jī)生產(chǎn)熱作模具鋼4Cr5MoSiV1棒材工藝是可行的。

(2) 電爐模鑄工藝生產(chǎn)的4Cr5MoSiV1模具鋼，化學(xué)成分、低倍組織、硬度、晶粒度等控制水平達(dá)到了國內(nèi)外先進(jìn)水平。

(3) 采用本工藝生產(chǎn)的4Cr5MoSiV1模具鋼，夾雜物實物質(zhì)量雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過GB/T 1299標(biāo)準(zhǔn)要求，但A類夾雜物的控制水平還需進(jìn)一步提高。