一種高性能熱作鋼及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高性能熱作鋼及其制備方法，其特征在于：主要包括如下物質組分Fe、C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、V和Al，所述物質組分所占的質量百分含量為：C 0.18?0.45％、Si 0.90?1.30％、Mn 1.10?1.30％、P≤0.030％、S≤0.030％、Cr 5.10?5.40％、Ni≤0.50％、Mo 1.90?3.20％、V 0.90?1.20％、Al 1.0?1.30％，余量為Fe。本發(fā)明通過摻雜不同含量的元素，使熱作鋼的高紅硬性、高回火穩(wěn)定性大大提高，能夠解決現有技術中的熱作鋼存在適用范圍局限、對于需要耐回火穩(wěn)定性、耐高溫的航空和國防工業(yè)機械零件不能達到標準的問題，具有高紅硬性、高回火穩(wěn)定性，經氮化處理后具有超高顯微硬度等有益效果。
【專利說明】
一種高性能熱作鋼及其制備方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種熱作鋼，特別是涉及一種高性能熱作鋼及其制備方法，具有高紅 硬性、高回火穩(wěn)定性、超高顯微硬度的特點，適用于制作熱作模具及高溫零件。屬于特殊鋼 及冶煉技術領域。
【背景技術】
[0002] 目前，國內外的高要求熱作模具一般選用H13鋼，其中瑞典8407、日本大同公司的 DH31-S、日本日立公司的DAC3、DAC40、DAC45模具鋼是性能比較優(yōu)秀的品種。但是，當所述瑞 典8407、日本大同公司的DH31-S、日本日立公司的DAC3、DAC40、DAC45模具鋼，用于制造大型 壓鑄模、熱鐓模和大型工業(yè)鋁型材擠壓模時，仍然存在耐磨性低、熱疲勞性能差和穩(wěn)定性波 動大等缺陷，因此其滿足不了大工業(yè)生產的要求。另外，所述瑞典8407、日本大同公司的 DH31-S、日本日立公司的DAC3、DAC40、DAC45模具鋼，也不能滿足航空和國防工業(yè)中高溫工 作條件下機械零件的耐高溫、耐回火穩(wěn)定性的要求。為此，需要制作一種高性能熱作鋼，以 解決現有熱作鋼存在的問題。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的之一，是為了解決現有熱作鋼耐磨性低、熱疲勞性能差和穩(wěn)定性波 動大的問題，提供一種尚性能熱作鋼。該尚性能熱作鋼具有尚紅硬性、尚回火穩(wěn)定性和超尚 顯微硬度的特點。
[0004] 本發(fā)明的目的之二，是為了提供一種高性能熱作鋼的制備方法。
[0005] 本發(fā)明的目的之一可以通過采取以下技術方案達到：
[0006] 一種高性能熱作鋼，其特征在于:主要包括如下物質組分Fe、C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、 Mo、V和A1，所述物質組分所占的質量百分含量為：C 0.18-0.45%、Si 0.90-1.30%、Mn 1.10- 1.30%、P<0.030%、S<0.030%、Cr5.10-5.40%、Ni<0.50%、Mol.90-3.20%、V 0·90-1·20%、Α1 1.0-1.30%，余量為 Fe。
[0007] 本發(fā)明的目的之一還可以通過采取以下技術方案達到：
[0008] 作為一種優(yōu)選方式，所述物質組分所占的質量百分含量為：C 0.31_0.45%、Si 1.10- 1.30%、Mnl.l0-1.30%、P<0.030%、S<0.030%、Cr5.10-5.40%、Ni<0.50%、Mo 3.0-3.20%、V 0·90-1·20%、Α1 1.0-1.30%，余量為Fe;構成通用型新型熱作模具鋼，即 301 鋼。
[0009] 作為一種優(yōu)選方式，所述物質組分所占的質量百分含量為：C 018-0.25%、Si 0.90-1.20%、Mnl.l0-1.30%、P<0.030%、S<0.030%、Cr5.10-5.40%、Ni<0.50%、Mo 1.90-2.20%、V 0·90-1·20%、Α1 1.0-1.30%，余量為？6;構成壓鑄模專用新型熱作模具 鋼，即302鋼。
[0010] 本發(fā)明的目的之二可以通過采取以下技術方案達到：
[0011] -種高性能熱作鋼的制備方法，其特征在于：
[0012] 1)按質量百分含量為：C 0.18-0.45%、Si 0·90-1·30%、Μη 1·10-1·30%、Ρ彡 0.030%、S彡0.030%、Cr 5·10-5·40%、Μ彡0·50%、Μ〇 1.90-3.20%、V 0·90-1·20%、Α1 1.0-1.30 %，余量為Fe，準備原料；
[0013] 2)采用堿性電弧爐生產，在冶煉時采用氧化法或返回法冶煉;含高合金以及特殊 要求的模具鋼，采用氧化法冶煉，為保證氧化期沸騰的脫碳量，熔清碳控制在成品規(guī)格 0.40 %以上，廢鋼中的硫磷含量在熔清后含量在0.03 %以下；鉻、鎳、鉬、釩、鋁合金元素按 95%-100%配入，硅、錳按常規(guī)加入;采用返回法冶煉時，配碳量在熔清后控制在規(guī)格上限 0.20 %以上，加入上述合金爐料帶入的磷含量，必須嚴格控制在0.025 %以下，此外還要注 意到有害兀素神、錫、鉛、銅等的帶入；
[0014] 3)出鋼后及時補爐，裝鋼鐵料前加入適量石灰或碎礦石，以利提前造渣和脫磷;裝 爐時以盡快使鋼鐵料熔化形成熔池為原則，將部分小料敷在底部，中間裝入大塊料和廢鋼， 中塊料放在上面和四周，上層放入剩余小塊料;鐵合金和石灰等爐料要干燥和烤焙。
[0015] 本發(fā)明的目的之二還可以通過采取以下技術方案達到：
[0016] 作為一種優(yōu)選方式，高性能熱作鋼的制備過程包括：
[0017] 熔化期使用大功率供電，開始采用低電壓小電流，逐漸調整功率使之盡快形成熔 池;并注意調整熔渣，形成高的堿度和低的熔化溫度以有利于脫磷，堿度控制在2.5-3.0， FeO含量為16%-20%;熔化末期采用流渣操作，特別是在返回法冶煉時，當爐料熔化70%-80%時，吹氧助熔，以便提高合金回收率;當爐渣變稠時，加入硅鐵粉或硅鈣粉調渣；
[0018] 氧化期爐料全部熔化后，氧化初期繼續(xù)脫磷，此時爐渣是高堿度、高氧化性的氧化 渣，且是大渣量，即渣量保持爐料重的2%-3%，同時采用流渣和換渣操作，以保證良好的脫 磷和脫硫作用；當溫度達到規(guī)定溫度后開始氧化操作，采用礦石和氧氣聯(lián)合氧化，并做到高 溫氧化，分批加礦保持爐內均勻激烈沸騰，利用碳和氧所產生的激烈沸騰，使鋼液中的夾雜 物上浮到渣中，以去除氫和氮有害氣體;氧化末期取樣分析鋼液的碳含量達到規(guī)定范圍，經 脫磷后液中磷含量小于或等于0.015%，然后再進行靜沸騰，靜沸騰時間不小于10分鐘；
[0019] 還原精煉期：鋼液中碳和所需合金元素達到設定要求，磷含量不大于0.015%，且 鋼液溫度大于出鋼溫度和渣液流動性良好的條件下，除去氧化渣;按8:1-5:1的比例加入石 灰、螢石和耐火磚，以混合渣料，鋼渣量為鋼液量的3 %-5 %，當新渣形成后，即開始還原，以 期達到富集氧和氧化物還原；
[0020] 出鋼：出鋼過程常采用鋼渣混出，增加鋼液與渣的接觸，繼續(xù)起脫硫作用，同時鋼 渣混出也起保護作用，使鋼液盡可能少的二次氧化和吸氣。當采用爐外精煉，為避免氧化渣 的污染，一般采用擋渣出鋼的方法，現在發(fā)展最快的是采用偏心爐底出鋼，避免氧化渣進入 鋼包；
[0021] 鍛造及退火：高性能新型熱作鋼鍛造工藝為：加熱溫度1100-1140 °C，始鍛1050-1080°C，終鍛溫度彡850°C，鍛后緩冷即砂冷;球化退火工藝為:860°C保溫4h，降溫至720°C 保溫6h，隨爐冷卻。
[0022]作為一種優(yōu)選方式，在還原精煉期，還原期的爐渣必須是低FeO的，用碳粉2_3Kg/t 鋼水和硅鐵粉3-4%Kg/t鋼水或加電石塊2-3Kg/t鋼水分批加入混合還原脫氧調渣;在整個 過程中注意控制爐渣堿度和流動性，爐內保持還原氣氛，脫氧良好，控制爐內溫度不要高低 波動，保持中溫精煉，防止后期升溫產生過熱，補加合金達到規(guī)定范圍，準備出鋼。
[0023] 作為一種優(yōu)選方式，在合金元素 A1加入過程為，將要加入的純A1用鐵絲捆綁，并用 鐵棒撐在鋼包底部；出鋼時，鋼水的含氧量要盡量低，這對保證鋼獲得較低氧化物夾雜和鋁 的低燒損率很必要;然后出鋼，并及時加入防止鋼水氧化的保護劑，所述純鋁的規(guī)格為:每 塊彡 0.45Kg。
[0024] 作為一種優(yōu)選方式，為有效提高鋼的質量和純凈度，將還原精煉階段移到鋼包采 用爐外噴粉精煉，所述噴粉精煉是把電弧爐的鋼液注入鋼包后，向鋼液的深部噴入Ca-Si粉 或CaC 2_CaF2粉或其他增碳、合金化粉，并進行吹氬、脫硫、脫磷、脫氣鋼液的工藝;噴粉量為 2.5-3. OKg/t鋼水，噴粉時間不大于10分鐘;采用CaC2-CaF2系混合粉末精煉脫磷，噴粉量約 為20-50Kg/分鐘；以提高鋼的純凈度，及改善了鋼的性能;噴粉精煉包括:噴粉脫硫，當高堿 度渣的渣量在2%-3%時能使鋼中的硫含量下降到0.005%以下，甚至可達0.002%以下，有 良好的脫硫效果;噴粉脫磷，噴礦石粉或CaC 2_CaF2粉后，鋼中磷形成4CaO · P205或Ca3P2而進 入爐渣中，在高鉻模具鋼中噴粉后平均脫磷率為27.3%;噴粉增碳，提高回收率達70%-75%。
[0025] 作為一種優(yōu)選方式，出鋼溫度控制在1560_1600°C左右。
[0026] 作為一種優(yōu)選方式，采用返回法時，脫碳量不小于0.10%，在因脫磷而加入礦石 時，其脫碳量應大于或等于〇. 20 %。用返回法冶煉時不做靜沸騰;開始氧化溫度隨鋼種而變 化，在1520-1620 °C 之間。
[0027] 本發(fā)明具有如下突出的有益效果：
[0028] 1、本發(fā)明涉及的高性能熱作鋼，主要包括如下物質組分?6、(：、5^11、？、5、0、附、 Mo、V和A1，所述物質組份所占的質量百分含量為：C 0.18-0.45%、Si 0.90~1.30%、Mn 1.10-1.30%、P<0.030%、S<0.030%、Cr5.10-5.40%、Ni<0.50%、Mol.90-3.20%、V 0.90-1.20%、A1 1.0-1.30%，余量為Fe，通過摻雜不同含量的元素，使熱作鋼的高紅硬性、 高回火穩(wěn)定性大大提高，能夠解決現有技術中的熱作鋼存在適用范圍局限、對于需要耐回 火穩(wěn)定性、耐高溫的航空和國防工業(yè)機械零件不能達到標準的問題，具有高紅硬性、高回火 穩(wěn)定性，經氮化處理后具有超高顯微硬度等有益效果。
[0029] 2、本發(fā)明的物質組分，可是作為高性能熱作模具鋼，具有生產高效、節(jié)約經濟成本 等有益效果;或者制備成壓鑄模專用熱作模具鋼;所具超高顯微硬度、紅硬性、回火穩(wěn)定性 適用于航空和國防工業(yè)的機械零件，取代目前廣泛應用的H13和3Cr2W8V鋼，并能大幅度提 高模具和機械零部件的使用壽命，有很好的開發(fā)前景和巨大的市場和社會效益。
[0030] 3、本發(fā)明涉及的高性能熱作鋼的制備方法，工藝簡單，所制作的高性能熱作鋼，比 目前國內外的H13(其中包括瑞典8407、日本大同公司的DH31-S、日本日立公司的DAC3、 DAC40、DAC45)模具鋼的淬、回火硬度及紅硬性、回火穩(wěn)定性都高;氮化處理后650 °C加熱保 溫47小時，表面顯微硬度仍保持Hvo. 5=1044，700°C加熱保溫9小時表面顯微硬度仍保持 Hv〇.5 = 900。該鋼種主要用于熱擠壓模、熱鐓鍛模和壓鑄模等熱作模具，尤其適合于大型壓 鑄模和大型工業(yè)鋁型材擠壓模。另外，該鋼種也可以用作航空和國防工業(yè)在高溫工作條件 下的機械零部件。該鋼種完全可以取代目前廣泛應用的H13和3Cr2W8V鋼。
【附圖說明】
[0031] 圖1為Fe-C-Cr三元狀態(tài)圖，5%Cr垂直截圖。
[0032]圖2為合金元素對氮化層表面硬度的影響示意圖。
[0033] 圖3為Fe-C-Mo三元狀態(tài)圖及包括2%Mo垂直截面。
[0034] 圖4為Fe-C-Mo三元狀態(tài)圖及包括4 %Mo垂直截面。
[0035] 圖5為在301鋼中加入了 1.0%-1.2%A1的Fe-C-Al狀態(tài)示意圖。
[0036] 圖6為在301鋼中加入1.0%左右Fe-C-V的狀態(tài)示意圖。
[0037]圖7為301鋼回火硬度曲線與日本大同、日立公司的熱作鋼比較示意圖。
[0038]圖8為301鋼氮化處理后重新加熱的硬度變化示意圖。
[0039]圖9為301鋼氮化層與加熱保溫時間的變化示意圖。
[0040]圖10為301鋼滲氮層的顯微硬度測量示意圖。
[00411圖11為在5Cr-3M0-V-Al系列的基礎加入不同含A1量而形成一個高于目前國內外 優(yōu)秀熱作模具鋼的新型熱作模具鋼系列示意圖。
【具體實施方式】
[0042]以下結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述：
[0043] 具體實施例1:
[0044]本實施例涉及的高性能熱作鋼，主要包括如下物質組分Fe、C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、 Mo、V和A1，所述物質組分所占的質量百分含量為：C 0.18-0.45%、Si 0.90-1.30%、Mn 1.10- 1.30%、P<0.030%、S<0.030%、Cr5.10-5.40%、Ni<0.50%、Mol.90-3.20%、V 0·90-1·20%、Α1 1.0-1.30%，余量為 Fe。
[0045] 本實施例中：
[0046] 所述物質組分所占的質量百分含量可以為:C 0.31-0.45%、Si 1.10-1.30%、Mn 1.10- 1.30%、P彡0.030 %、S彡0.030 %、Cr 5.10-5.40 %、Ni 彡0.50 %、Mo 3.0-3.20%、 VO. 90-1.20%、A1 1.0-1.30%，余量為Fe;構成通用型新型熱作模具鋼，即301鋼。
[0047] 或者所述物質組分所占的質量百分含量可以為:C 018-0.25%、Si 0.90-1.20%、 Μη 1·10-1·30%、Ρ彡0.030%、S彡0.030%、Cr 5·10-5·40%、Μ<0·50%、Μο1·90-2.20 %、VO. 90-1.20 %、A1 1.0-1.30 %，余量為Fe;構成壓鑄模專用新型熱作模具鋼，即302 鋼。
[0048]本實施例的制備方法如下：
[0049] -種高性能熱作鋼的制備方法，其特征在于：
[0050] 1)按質量百分含量為：C 0.18-0.45%、Si 0·90-1·30%、Μη 1·10-1·30%、Ρ彡 0.030%、S彡0.030%、Cr 5.10-5.40%、Ni彡0·50%、Μ〇 1.90-3.20%、V 0·90-1·20%、Α1 1.0-1.30 %，余量為Fe，準備原料；
[0051] 2)采用堿性電弧爐生產，在冶煉時采用氧化法或返回法冶煉;含高合金以及特殊 要求的模具鋼，采用氧化法冶煉，為保證氧化期沸騰的脫碳量，熔清碳控制在成品規(guī)格 0.40%以上，廢鋼中的硫磷含量在熔清后含量在0.03%以下；鉻、鎳、鉬、釩合金元素按 95%-100%配入，硅、錳按常規(guī)加入;采用返回法冶煉時，配碳量在熔清后控制在規(guī)格上限 0.20%以上，加入合金等爐料帶入的磷含量必須嚴格控制在0.025%以下，此外還要注意到 有害兀素神、錫、鉛、銅等的帶入；
[0052] 3)出鋼后及時補爐，裝鋼鐵料前加入適量石灰或碎礦石，以利提前造渣和脫磷;裝 爐時以盡快使鋼鐵料熔化形成熔池為原則，將部分小料敷在底部，中間裝入大料和廢料，中 料放在上面和四周，上層放入剩余小料;鐵合金和石灰等爐料干燥和烤焙。
[0053] 進一步地：
[0054] 采用堿性電弧爐生產模具鋼，在冶煉時可以采用氧化法或返回法進行冶煉。含高 合金以及特殊要求的模具鋼，則多采用氧化法冶煉。為保證氧化期沸騰的脫碳量，熔清碳應 控制在成品規(guī)格0.40%以上，廢鋼中的硫磷含量沒有嚴格要求，只要保證熔清后含量在 0.03%以下即可。鉻、鎳、鉬、釩等合金元素按95%_100%配入;硅、錳按常規(guī)加入。
[0055] 采用返回法冶煉時，配碳量在熔清后應控制在規(guī)格上限0.20%以上，廢鋼中本鋼 種的返回料比可高達60%左右，加入合金等爐料帶入的磷含量必須嚴格控制在0.025%以 下，此外還要注意到有害元素砷、錫、鉛、銅等的帶入。出鋼后及時補爐，裝鋼鐵料前加入適 量石灰或碎礦石，以利提前造渣和脫磷;裝爐時以盡快使鋼鐵料熔化形成熔池為原則，此時 可以將部分小料敷在底部，中間裝入大料和廢料，中料放在上面和四周，上層放入剩余小 料;鐵合金和石灰等爐料干燥和烤焙。
[0056] 熔化期要合理使用大功率(大功率大概范圍）供電，開始采用低電壓小電流(大概 的電壓電流），逐漸調整功率使之盡快形成熔池。熔化期應注意調整熔渣，這對鋼液的物理 化學反應和脫磷非常重要，高的堿度和低的熔化溫度有利于脫磷，一般堿度可控制在2.5-3.0，Fe0含量為16%-20%即可。熔化末期還可以采用流渣操作，在返回法冶煉時，當爐料熔 化70 %-80 %時，即可吹氧助熔，以便提高合金回收率。當爐渣變稠時，可適量加入硅鐵粉或 硅鈣粉調渣。
[0057] 氧化期：爐料全部熔化后，氧化初期仍是繼續(xù)大輻度地脫磷，此時爐渣應是高堿 度、高氧化性的氧化渣，且是大渣量的（一般保持爐料重的2%_3%)，同時可采用流渣和換 渣操作，以保證良好的脫磷和脫硫作用。當溫度達到規(guī)定溫度后開始氧化操作，通常采用礦 石和氧氣聯(lián)合氧化，此時要做到高溫(大概多少度)氧化，分批加礦保持爐內均勻激烈沸騰， 且保證一定的脫碳量和脫碳速度，利用碳和氧所產生的激烈沸騰，使鋼液中的大量夾雜物 上浮到渣中，且去除氫和氮等有害氣體。氧化末期取樣分析鋼液的碳含量達到合適的范圍， 脫磷和脫硫作用當溫度達到規(guī)定溫度后開始氧化操作。通常采用礦石和氧氣聯(lián)合氧化此時 要做到高溫氧化分批加礦保持爐內均勻激烈沸騰且保證一定的脫碳量和脫碳速度利用碳 和氧所產生的使鋼液中的大量夾雜物上浮到渣中且去除氫和氮等有害氣體氧化末期取樣 分析鋼液的碳含量達到合適的范圍，脫磷作用也達到要求（通常要求磷含量不大于 0.015%)，還應進行靜沸騰，靜沸騰時間不小于10分鐘。
[0058] 采用返回法時，脫碳量不小于0.10%，在因脫磷而加入礦石時，其脫碳量應大于或 等于0.20%。用返回法冶煉時可不做靜沸騰。開始氧化溫度隨鋼種而變化，在1520°C_1620 °C之間。
[0059] 還原精煉期：在鋼液中碳和所需合金元素達到要求，磷含量不大于0.015 %，且鋼 液溫度大于出鋼溫度和渣液流動性良好的條件下，可以除去氧化渣，并立即加入石灰、螢石 和耐火磚(一般按8:1.5:1的比例）的混合渣料，其渣量約為鋼液量的3%-5%，當新渣形成 后，即可開始還原，以期達到富集氧和氧化物還原，及進一步脫硫和調整鋼液的化學成分的 目的。
[0060] 還原期的爐渣必須是低FeO的，通常用碳粉(2-3Kg/t鋼水)和硅鐵粉(3-4%Kg/t鋼 水或加電石塊(2-3Kg/t鋼水)分批加入混合還原脫氧調渣。在整個過程中應注意控制爐渣 堿度和流動性，爐內保持還原氣氛，脫氧良好，控制爐內溫度不要高低波動，保持中溫精煉， 防止后期升溫產生過熱，補加合金達到規(guī)定范圍，則可準備出鋼。301鋼及302鋼的合金元素 A1加入，由于其質量輕、熔點低、易燒損嚴重從而影響其回收率，所以，該兩種鋼A1的加入是 將要加入的純A1 (每塊<0.45Kg)用鐵絲捆綁，并用鐵棒撐在鋼包底部；出鋼時，鋼水的含氧 量要盡量低，這對保證鋼獲得較低氧化物夾雜和鋁的低燒損率很必要;然后出鋼，并及時加 入防止鋼水氧化的保護劑。另外，為有效提高鋼的質量和純凈度，將還原精煉階段移到鋼包 采用爐外二次精煉工藝，我國已大量采用。其中，噴粉精煉是把電弧爐的鋼液注入鋼包后， 向鋼液的深部噴入Ca-Si粉或CaC 2_CaF2粉或其他增碳、合金化粉，并進行吹氬、脫硫、脫磷脫 氣鋼液的工藝.噴粉量大約為2.5-3 . OKg/t鋼水，噴粉時間一般不大于10分鐘。采用CaC2-CaF2系混合粉末精煉脫磷，噴粉量約為20-50Kg/分鐘。噴粉精煉可以提高鋼的純凈度，也改 善了鋼的性能，主要有：
[0061 ] 噴粉脫硫，當高堿度渣的渣量在2 % -3 %時能使鋼中的硫含量下降到0.005 %以 下，甚至可達0.002 %以下，有良好的脫硫效果。
[0062] 噴粉脫磷，噴礦石粉或CaC2_CaF2粉后，鋼中磷形成4CaO · P205或Ca3P2而進入爐渣 中，在高鉻模具鋼中噴粉后平均脫磷率為27.3 %，在GCr 15鋼中的平均脫磷率達53 %。噴粉 增碳，提高回收率達70 % -75 %。
[0063] 改善鋼的等向性:噴粉后鋼中磷和硫含量降低，夾雜物形態(tài)和分布改善，從而改善 了鋼材的力學性能，特別是塑性和韌性。如5CrNiMo鋼噴粉精煉后其斷面收縮和沖擊韌性值 的縱橫向性能之比達到0.88。
[0064] 出鋼：出鋼過程常采用鋼渣混出，增加鋼液與渣的接觸，繼續(xù)起脫硫作用，同時鋼 渣混出也起保護作用，使鋼液盡可能少的二次氧化和吸氣。當采用爐外精煉，為避免氧化渣 的污染，一般采用擋渣出鋼的方法，現在發(fā)展最快的是采用偏心爐底出鋼，避免氧化渣進入 鋼包。
[0065] 一般模具鋼的出鋼溫度控制在1560-1600°C左右，而高鉻的Crl2和Crl2MoV鋼則采 用較低的出鋼溫度，通常是1480-1520°C;低碳高鉻鋼出鋼溫度控制在1540-1560°C之間。 [0066]另外，為了保證高性能熱作鋼的冶煉質量，對電弧爐冶煉時電極棒的終脫氧有以 下要求：
[0067]最終脫氧最好采用稀土合金脫氧Ce_La0.5Kg/t，電渣重熔后的重熔精煉效果優(yōu) 異；
[0068]也可以采用S-Mn_Ca7Kg/t，形成的原始夾雜物是穩(wěn)定的硅酸鹽，熔點較低，具有較 大聚集趨向，經電渣重熔過程易去除。
[0069]不能用A1終脫氧，特別是當加 A1量lKg/t以上時，原始夾雜物為高熔點鋁礬土 (Al2〇3 )，細小分散，在電渣重熔過程中難為渣中吸收而殘留在電渣鋼中。
[0070]澆注方面:因為我們將采用電極棒模澆注，而且還進行電渣重熔，有關電極棒模澆 注要求，按電渣重熔對電極棒的具體要求進行澆注。
[0071 ]為保證電渣重熔工藝生產新型熱作模具鋼獲得低的、細小的和分布均勻的塑性夾 雜，電渣重熔時建議采用五元酸性渣系：
[0072] CaF2 45%+Al2〇3 20%+Ca0 10%+Mg0 5%+Si02 20%.
[0073]高性能熱作鋼的鍛造及退火工藝：
[0074] 高性能熱作鋼鍛造工藝為:加熱溫度1100-1140°C，始鍛1050-1080°C，終鋼溫度彡 850°C，鍛后必須緩冷(砂冷）。
[0075] 球化退火工藝為:86(TC保溫4h，降溫至720Γ保溫6h，隨爐冷卻。
[0076]高性能熱作鋼的熱處理工藝：
[0077]不同淬火、回火(二次)溫度的硬度HRC，表一和表二所展示。
[0082]各種熱作模和機械零件可根據使用條件的要求，按上述淬火、回火(二次)溫度和 硬度進行選擇。然后進行520°C-56(TC氮化處理，氮化后各種熱作模和機械零件表面，可以 獲得罕見的、高達HV1470-1530的硬度，而且高硬度有持久的穩(wěn)定性。對熱擠壓模和壓鑄模 大輻度提高使用壽命，奠定了堅實的基礎條件。
[0083] 通過技術對比可知，本發(fā)明涉及的301鋼的二次硬化的硬度及抗回火穩(wěn)定性、紅硬 性均優(yōu)于日本大同公司的DH31-S鋼和日本日立公司的DAC-45鋼等優(yōu)秀熱作模具鋼，更優(yōu)于 國內外通用的8407鋼和H13鋼;301鋼經氮化處理后，氮化層表面出現極為罕見的超高顯微 硬度現象，Hv300多1500,（在所有鋼的氮化處理資料中，未發(fā)現有如此高顯微硬度的報導）； 而且，301鋼的氮化層顯微硬度有很好的抗高溫軟化性和持久性;氮化后經650°C加熱，保溫 9小時，其氮化層顯微硬度從HvO . 5 = 1420降至HvO. 5 = 1180;保溫47小時，僅降至HvO . 5 = 1044;經700°C加熱，保溫9小時，仍有辦0.5 = 900。301鋼的這些特性一定與其化學成分組成 及其顯微組織結構有關，本文試圖從這些方面進行探討。
[0084] 參見圖1、圖2,本實施例制作的為301鋼。作為熱作模具鋼其目標是回火抗力和二 次硬化指標要高于現有熱作模具鋼。目前，國內外大部分熱作模具鋼是用:Cr、Mo、W、V、Si、 Mn、Ni ;部分還有用:Co、Al、Ti、Nb、N等作為合金元素;首先，考察Cr在熱作模具鋼中的作用： Cr在鋼中能顯著改善鋼的抗氧化作用，提高鋼的耐磨性，還能增加鋼的回火穩(wěn)定性和紅硬 性及二次硬化性，所以，以Cr為主，且有資料指出："&>4.1%的合金中才能發(fā)現&~和 Cr2N"，為了兼顧氮化后在氮化層形成氮化鉻，提高氮化層的顯微硬度，因此，鉻在鋼中的含 量定為5.0 %，。其次，考察Mo:Mo在鋼中的作用為提高淬透性，提高熱強性，防止回火脆性和 提高回火穩(wěn)定性，而且，Mo是二次硬化作用顯著的主要元素，所以Mo是301鋼的主要加入元 素，結合合金元素對氮化層表面硬度的影響，圖中鉬在鋼中的含量3.0%時達到最大值。
[0085] 參見圖3、圖4,本實施例中，鉻在鋼中的含量定為Cr 4.1-5.0%，鉬在鋼中的含量 定為3.0 %，其含Mo2 %和4 %的Fe-C-Mo三元狀態(tài)圖。
[0086] 本實施例制作的301鋼，合金成分的最大特點是加入A1。內外的熱作模具鋼系列中 為了提高其熱強性和抗回火穩(wěn)定性，不少鋼種釆用加入鎢或鎢-鉬進行合金化，但這種加入 其韌性和抗熱疲勞性能不及鉻系熱作模具鋼。雖然我國在高速鋼M2、w9中加入1%鋁，形成了 我國首創(chuàng)的M2A1和W9A1等無鈷超硬高速鋼，但含A1高速鋼仍存在一些缺點；刀具熱處理質量 不夠穩(wěn)定，在超高硬度HRC68左右時壽命有些波動鋁在高速鋼中的作用機理雖已有不少研 究，但還沒有明確的一致理解。
[0087]在我國的工具鋼標準中只有熱作模具鋼012A1鋼含有0.30-0.70%的A1和無磁模 具鋼含有2.30-3.30%的鋁；國內在工具鋼系列中很少對鋁合金化進行系列的研究。
[0088] 鋁作為合金元素加入鋼中可提高鋼的抗氧化性能及高溫硬度，鋁對氮有極大的親 和力，顯著提高滲氮后的滲氮層顯微硬度(見圖2，A1比Mo對提高滲氮后的滲氮層顯微硬度 更有作為），很多資料還指出：Cr-Mo-A垌時加入，對提高滲氮層硬度效果最佳，A1也能提高 工具鋼的沖擊韌性和熱加工塑性。
[0089] 圖5是Fe-C-Al系平衡相圖在0.4%C含量的垂直截面圖。參見圖5,本實施例在中 鉻-鉬-釩系中進行了加鋁的一系列研究，在所述301鋼中加入了 1.0%-1.2%Al，構成的Fe-C-Al狀態(tài)圖。
[0090] 參見圖6，釩在工模具鋼中可細化晶粒，降低過熱敏感性，增加回火穩(wěn)定性和耐磨 性;V與N的親和力極強，形成的氮化物也十分穩(wěn)定，VN也顯著提高氮化層的硬度，V在301鋼 中加入1.0%左右Fe-C-V狀態(tài)圖見圖6。另外，為了進一步提高301鋼的基體強度及淬透性， 加入了 1.0%左右的Si和Μη;綜合以上鋼的化學成分設計分析，301鋼為:Cr-Mo-V-Al系，其 設計優(yōu)秀特性，主要靠5Cr-3M〇-lAl的較佳成分組合。關于含碳量：因為301鋼設計為熱作模 具鋼，碳含量不能太高，太高會形成較多的碳化物，降-低了基體的合金元素含量，對保證高 的抗回火穩(wěn)定性和氮化后高的氮化層顯微硬度不利，而且，熱作模具鋼含碳量>〇.45%C將 影響其冷熱疲勞抗力。
[0091] 所以，301鋼的碳含量范圍為：030%-0.42%;如果用作壓鑄模，含碳量選中下限 0.30%-0.35%，用于熱壓模或熱擠壓模，含碳量選中上限0.38%-0.42% ;
[0092]關于301鋼淬火溫度的選擇：
[0093] 301鋼含有較高的鉻、鉬、釩等強碳化物形成元素，其淬火溫度必須達到能使這些 碳化物充分溶解的溫度，所以淬火溫度選擇高一些，301鋼淬火溫度一般選擇在1120Γ，若 希望其具有高的抗回火穩(wěn)定性、抗軟化性和氮化后高的氮化層顯微硬度，可考慮提高到 1150°C;提高淬火溫度后可減少碳化物含量，保證基體溶入更多的鉻、鉬、鋁、釩等元素，保 證301鋼的高回火穩(wěn)定性、抗高溫軟化性和氮化后氮化層的高顯微硬度。
[0094]圖7是本實施例涉及的301鋼與日本大同、日立公司推薦的熱作模具鋼回火穩(wěn)定性 比較圖。
[0095] 關于301鋼回火溫度的選擇:本實施例涉及的301鋼在1120°C_1150°C淬火后約有 25%-30%的殘余奧氏體，一次回火后殘余奧氏體要轉變?yōu)轳R氏體，所以要進行二次回火； 301鋼經1150°C淬火后在不同溫度回火二次的硬度變化曲線見圖7。
[0096]由于301鋼有高的抗回火軟化性，在560 °C回火二次，回火硬度仍高達HRc55-56 (1120°(：淬火)和冊〇58-59(1150°(：淬火），若作為熱擠壓模，回火硬度要求冊〇47-49，可考慮 在660°C二次回火，然后在560°C進行氮化處理;而作為壓鑄?；鼗鹩捕纫驢Rc44-48時，可 考慮660 °C -680 °C二次回火，再在560 °C進行氮化處理。
[0097]關于301鋼經氮化處理后的效果：
[0098] 參照圖8,將所述301鋼試樣經淬火、回火(二次)后進行560°C鹽浴氮化處理4小時， 再在550°C-850°C加熱保溫1小時，對試樣氮化層表面進行顯微硬度和心部進行洛氏硬度測 量，見圖8(與M2高速鋼及H13鋼試樣也經淬火、回火和鹽浴氮化處理4小時同爐處理）。圖中 看出：301鋼的氮化層顯微硬度及紅硬性比M2高速鋼及H13鋼都高，且氮化處理后表面顯微 硬度 Ην0·5>1420。
[0099] 在750°C加熱保溫1小時后，301鋼的氮化層顯微硬度仍有HvO. 5 = 1042;而同爐處 理的M2高速鋼及H13鋼的氮化層顯微硬度已降到HvO. 5 = 669和HvO. 5 = 528。
[01 00] 參照圖9，所述301鋼的軟化抵抗性也十分突出：與日本日立公司DAC鋼、DAC45鋼相 比，三種鋼同在650°C，700°C分別保溫1、2、4、8小時，301鋼軟化抵抗性都大大高于DAC鋼和 DAC45鋼;301鋼在650°C保溫30小時，其軟化抵抗性仍然高于DAC45鋼650°C保溫8小時的軟 化抵抗性見圖9，而301鋼的氮化層軟化抵抗性更為突出：在650°C保溫47小時，氮化層顯微 硬度仍有HvO. 5 = 1044，在700°C保溫9小時，氮化層顯微硬度仍保持在HvO. 5 = 900的水平。 [0101] 參照圖10、圖11和表3,對301鋼氮化層進行滲層顯微硬度測量(見圖10):滲層表面 顯微硬度達到Hv25 = 1533，全滲層厚46μ，此處顯微硬度Hv25 = 1150左右，滲層表面顯微硬 度壓痕邊緣未發(fā)現崩裂，說明滲層表面在高硬度情況下仍有良好的韌性。
[0102]表3:增加含鋁量對經過熱處理的鋁鋼滲氮層硬度的影響。
[0104] 表3中，滲氮在500°C時為4晝夜。
[0105]關于所述301鋼的顯微組織分析：
[0106] 淬火組織分析：
[0107] 301鋼的成分特點是屬于基體鋼類，可以用高速鋼的淬火組織分析思路作參考進 行分析：當淬火溫度加熱到1120 °C時，退火狀態(tài)顯微組織中的鉻碳化物Cr7C3因熔點較低幾 乎已全部熔入奧氏體;鉬的碳化物M〇6C尚有一小部分未熔;釩的碳化物VC熔點較高仍有部 分未熔;加入鋁后，冶煉過程的鋼液中存在〇.〇2%N，因 N與A1有極強的親和力，而形成A1N， 在此淬火溫度加熱時也有極少部分未熔，所以，估計在1120 °C淬火加熱時，鋼中碳化物(及 極少氮化物)量在2-3 %，而在1150°C淬火加熱時，鋼中碳化物(及極少氮化物)量在2 %以 下。由于301鋼合金元素含量達到10%，淬火后的殘余奧氏體量可能達30%，所以，301鋼淬 火后的組織是:馬氏體+2 %的碳化物(氮化物)+30%左右的殘余奧氏體。
[0108] 回火組織分析：
[0109] 回火第一階段，從室溫升至270°C左右，淬火馬氏體開始分解，過飽和的正方馬氏 體變成立方馬氏體，碳從基體中被排出，形成一種非常細小的分散過渡相ε碳化物，硬度下 降HRc2-4，鋼開始變軟;溫度從300°C-400°C間，隨回火溫度升高，Fe3C型滲碳體產生，ε相消 失;伴隨著硬度的下降，鋼的密度下降了約〇. 2 % ;在350 °C-400°C時，M3C量達到最大，并迅 速粗化，硬度降至最低;第二階段發(fā)生在400-520°C之間，硬度回升，出現二次硬化峰值，此 前析出的M3C型碳化物重新回溶入基體，馬氏體分解析出合金碳化物M2C和MC，非常細小、彌 散，與基體保持共格關系，因此使鋼產生二次硬化并達到峰值;第三階段發(fā)生在480-530°C 之間，與上階段后段重疊;該期間鋼的硬度達到峰值，該階段鋼的組織發(fā)生了兩個最重要的 轉變:一是馬氏體分解，析出了細小、彌散的與基體共格的M2C和MC碳化物，使鋼產生二次硬 化;二是殘留奧氏體分解，該轉變有下面特征：1)回火溫度在約350Γ以上時才能發(fā)生殘留 奧氏體轉變，350°C以下發(fā)生轉變很少;2)殘留奧氏體轉變后產生的馬氏體，可視為淬火馬 氏體，還須再回火使其分解，這些馬氏體分解也會對鋼的二次硬化有所貢獻;3)殘留奧氏體 很難徹底轉變完，即使是多次回火之后，301鋼一般採取二次回火，二次回火后仍然留有2% 左右的殘留奧氏體，有人認為少量殘留奧氏體存在對工模具韌性有利。第四階段，回火溫度 更高時，硬度下降很快，馬氏體分解，碳化物脫溶析出。620 °C時析出是M2C+VC，但與產生二 次硬化的M2C和MC不同，它們已明顯粗化、聚集:700°C析出M2C+MC+M7C3; 750°C析出M6C+MC+ M7C3〇
[0110] 301鋼含有1 %A1，在Fe-C-Al平衡圖中可以看出：當奧氏體化后，緩慢冷卻到770°C 時，將從奧氏體中開始向鐵素體+K碳化物轉變，K碳化物為鐵鋁復合碳化物（晶體結構為面 心立方，其含碳量約為4%，金屬成分Fe 3Al，碳與鋁的比例約為1:4.4);低于730°C長時間保 溫時，除了鐵素體+K碳化物外還會出現石墨C。關于含鋁鋼中鐵鋁復合碳化物的析出機理和 作用及其對鋼中性能的影響，文獻資料中極為罕見，有待今后的深入研究。301鋼還含有5% Cr和3%Mo,在淬火后的回火過程中將會析出含有Cr、Mo合金元素的鐵鋁復合碳化物，鐵鋁 復合碳化物或含有Cr、Mo合金元素的鐵鋁復合碳化物會是301鋼獲得高二次硬化的硬度及 抗回火穩(wěn)定性、紅硬性的主要因素。
[0111]氮化層的組織分析：
[0112]所述301鋼經回火達到模具硬度要求后，為了改善模具的表面性能，使模具表面具 有更高的硬度，良好的耐磨性，熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性能，大都進行氮化處理;氮化處理可以 在氣體、液體或離子氮化氣氛中進行，處理溫度為560°C數小時，得到0.4-0.7_的滲氮層； 而對于高合金鋼而言，滲氮層只有〇. 1_左右，（據日本資料，對于熱作模具鋼防止熱疲勞破 壞有0.05mm的氮化層最佳）。
[0113]氮化層金相組織:滲層表面極個別地方有白亮層，呈褐色厚1.1-1.5μ;表層下個別 地方有白色網狀組織，呈灰藍色，厚11-13μ;再往里有明顯的白網，基體組織為含氮馬氏體， 厚15-18μ。全滲層厚46μ，過渡層約90μ，總滲層135μ。
[0114] 所述301鋼滲氮層的顯著特點是：經氮化處理后，滲氮層表面硬度高達Hv300 = 1533,這一超高氮化層硬度幾乎在所有工具鋼(包括高速鋼在內）資料中未見到如此高滲氮 層硬度的報道，而且該鋼的超高氮化層硬度的紅硬性和熱穩(wěn)定性也是罕見的：其紅硬性在 750°C保溫1小時仍保持Hv= 1037;其熱穩(wěn)定性在650°C保溫9小時有Hv= 1190，保溫47小時 仍有 Ην = 1044。
[0115] 所述301鋼在超高硬度的情況下也進行了脆性測試：用顯微硬度壓頭試驗法，先用 25克負荷對氮化層加荷，氮化層硬度在Ην1411-1569范圍，顯微硬度壓痕邊緣未出現脆性崩 裂現象；在300克負荷時，氮化層硬度在Ην1468-1545范圍時，顯微硬度壓痕邊緣有少量崩 落。
[0116] 分析討論：
[0117] Α1的晶體結構為面心立方，作為合金元素，由于其原子半徑較大(1.43A)，W的原子 半徑為L4ll，Fe的原子半徑為127A，固溶于鋼中鐵素體或馬氏體時引起點陣畸變，有較大 的固溶強化作用;A1有代替W的作用，B.Mitsche等往Cr-Mo-V工具鋼中加入0.5%A1，相當于 加入1.3%W，其切削性能等于2.5%W的工具鋼，鉆削加工時接近10%W的工具鋼，A1能提高 工具鋼的抗熱軟化性，即紅硬性。所以，301鋼在5Cr-3M〇-V的基礎上加入1%A1，獲得了高的 二次硬化硬度、高的抗回火穩(wěn)定性和紅硬性。
[0118] 鋼經過滲氮處理后滲氮層能夠獲得足夠高的硬度而且可以保持到540 °C的加熱而 不下降，滲氮表面耐磨性非常高、擦傷或磨損的傾向很小，滲氮過程中工件的翹曲和變形極 小;且滲氮零件的疲勞強度高、切口敏感性低，因此，熱擠壓模、壓鑄模淬、回火處理后都經 過氮化處理;滲氮過程中，合金元素與滲氮層的作用:合金鋼在滲氮溫度下，幾分鐘內表面 的氮濃度便達到α-Fe中的氮飽和相近的程度，此時即開始氮與氮化物形成元素發(fā)生作用， 起初氮只與親和力最強的元素起作用，例如鉻-鉬-鋁鋼中的鋁，先形成極為彌散的氮化鋁， 然后形成氮化鉬，最后形成氮化鉻；由于V與N的親和力僅次于鋁，所以在含V的301鋼的氮化 層中有可能出現VN;當α-Fe中氮濃度達到飽和濃度并與合金元素被束縛在氮化物中之后， 如果繼續(xù)仍以氮使鋼飽和時，便引起α-Fe的體心立方晶格發(fā)生改組，變成γ 相(Fe4N)的 面心立方晶格，繼續(xù)飽和以氮時，便又由面心立方晶格轉變成六方晶格的ε相(Fe2N)。
[0119]雖然，含有任何Mo，Cr，V，Ti，和W等氮化物形成元素的鋼進行滲氮都能獲得滲氮 層，其中，Cr對滲氮層的性能顯示良好的影響，能增加滲氮層的韌性;Mo的加入使?jié)B氮層的 初性進一步提尚；往含A1鋼中加 Cr，可同時提尚表面滲氣層的硬度，資料還特別指出：但在 鋼中，還至少得含有1 % A1才能得到最硬和足夠深的滲氮層，如果沒有A1，則滲氮層脆而易 于剝落。有關資料指出：滲氮后各種氮化物穩(wěn)定性的排序:Ti，Al-V4W，M 〇，Cr4Mn4FeBH 中含W>5.1 %，Mo>6.5%，Cr>4.1 %時在氮化后才能出現其氮化物）；Ti，A1與氮的親和力愈 大，所形成的氮化物愈穩(wěn)定;但氮化物在真空中加熱，TiN在600°C開始溶解，而A1N直到1100 °C時還是穩(wěn)定的（另一資料指出:A1N的分解溫度是1870Γ，是所有氮化物分解溫度中最高 的），其他:WN，電解CrN也是在600 °C開始溶解，VN，CrN在400-500 °C開始溶解。愈穩(wěn)定的氮化 物在氮化層內愈呈彌散狀析出。由于A1N分解溫度最高，也最穩(wěn)定，能形成極微細的氮化物 結構，以至于早期的微觀分析儀器都未能發(fā)現它的存在;因而能使氮化層有最大的硬度。
[0120] 因此，301鋼是在Cr-Mo-V系中加 A1，由于A1的原子半徑大于W的原子半徑，有較大 的固溶強化作用;且還有代替W的作用，所以能夠獲得高的二次硬化硬度、高的抗回火穩(wěn)定 性和紅硬性;301鋼經氮化處理時，由于在5Cr-3M〇-V系中加入1 %A1，A1與N在滲氮層能生成 在1100°C加熱仍然穩(wěn)定、在1870°C才開始分解的A1N;而且這種A1N與？〇、0、1〇、￥等元素還 有可能形成更復雜的、在固溶體中呈超顯微質點析出的氮化物，同時引起點陣畸變，從而使 滲氮層獲得超常的超高顯微硬度H V3Q()=1533,并且能夠在高溫情況下，750°C保溫1小時仍 保持Hv3q() = 1037的紅硬性；其熱穩(wěn)定性在650°C保溫9小時有Hv3q()= 1190，保溫47小時仍有 Hv3〇o = 1044〇
[0121] 所述301鋼僅僅是5Cr-3M〇-V-Al系列中的一種，根據A1在模具鋼中可以代替W，能 提高模具鋼的二次硬化性能、紅硬性、熱穩(wěn)定性及氮化后的氮化層獲得超高的顯微硬度、高 溫顯微硬度紅硬性和穩(wěn)定性等等一系列優(yōu)異性能的作用，可以考慮在5Cr-3M〇-V-Al系列的 基礎加入不同含A1量而形成一個高于目前國內外優(yōu)秀熱作模具鋼的新型熱作模具鋼系列。 見圖11，圖中可以看到：當含A1量從0.88 %增加到1.8%，將增加硬度270 % ;增加到3.44%， 硬度將增加到355%;所以可以考慮增加二個鋼號：5Cr-3M〇-V-2Al和5Cr-3M〇-V-3Al，預計 這二個鋼號的二次硬化性能、紅硬性、熱穩(wěn)定性及氮化后氮化層的顯微硬度、高溫顯微硬度 紅硬性和穩(wěn)定性更值得期待。
[0122] 該鋼種主要用于壓鑄模、熱鐓鍛模和熱擠壓模等熱作模具，尤其適合于大型壓鑄 模和大型工業(yè)鋁型材擠壓模。另外，該鋼種也可以用作航空和國防工業(yè)在高溫工作條件下 的機械零部件。該鋼種完全可以取代目前廣泛應用的H13和3Cr2W8V鋼，并能大幅度提高模 具和機械零部件的使用壽命，減少經濟成本，增加社會效益。
[0123] 結論：
[0124] 301鋼(5Cr-3M〇-V-Al)具有比目前國內外熱作模具鋼高的二次硬化峰值、紅硬性 和熱穩(wěn)定性;氮化處理后氮化層有超高的顯微硬度(H V3Q()=1533)、抗高溫顯微硬度(750°C 保溫1小時后仍保持Hv3(x) = 1037的紅硬性）和熱穩(wěn)定性(650°C保溫9小時有Hv3(x)=1190,保 溫47小時仍有H V3〇〇 = 1044)，是一種性能優(yōu)異的熱作模具鋼。
[0125] 所述301鋼的優(yōu)異性能可以拓展其在耐高溫機械零件及武器用鋼的應用。
[0126] 以上所述，僅為發(fā)明較佳的具體實施例，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何 熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的范圍內，根據本發(fā)明的技術方案及其構思加以 等同替換或改變，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種高性能熱作鋼，其特征在于：主要包括如下物質組分Fe、C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、 Mo、V和A1，所述物質組分所占的質量百分含量為：C 0.18-0.45%、Si 0.90-1.30%、Mn 1.10- 1.30%、P<0.030%、S<0.030%、Cr5.10-5.40%、Ni<0.50%、Mol.90-3.20%、V 0·90-1·20%、Α1 1.0-1.30%，余量為 Fe。2. 根據權利要求1所述的一種高性能熱作鋼，其特征在于:所述物質組分所占的質量百 分含量為：C 0.31-0.45%、Si 1·10-1·30%、Μη 1.10-1.30%、P<0.030%、S<0.030%、Cr 5.10- 5.40%、Ni彡0·50%、Μ〇 3.0-3.20%、V 0·90-1·20%、Α1 1.0-1.30%，余量為Fe;構 成通用型新型熱作模具鋼，即301鋼。3. 根據權利要求1所述的一種高性能熱作鋼，其特征在于:所述物質組分所占的質量百 分含量為：C 018-0.25%、Si 0·90-1·20%、Μη 1.10-1.30%、P<0.030%、S<0.030%、Cr 5.10- 5.40%、Ni彡0·50%、Μ〇 1.90-2.20%、V 0·90-1·20%、Α1 1.0-1.30%，余量為Fe;構 成壓鑄模專用新型熱作模具鋼，即302鋼。4. 一種高性能熱作鋼的制備方法，其特征在于： 1) 按質量百分含量為：C 0.18-0.45%、Si 0·90-1·30%、Μη 1·10-1·30%、Ρ彡 0.030%、S彡0.030%、Cr 5.10-5.40%、Ni彡0·50%、Μ〇 1.90-3.20%、V 0·90-1·20%、Α1 1.0-1.30 %，余量為Fe，準備原料； 2) 采用堿性電弧爐生產，在冶煉時采用氧化法或返回法冶煉;含高合金以及特殊要求 的模具鋼，采用氧化法冶煉，為保證氧化期沸騰的脫碳量，熔清碳控制在成品規(guī)格〇. 40 %以 上，廢鋼中的硫磷含量在熔清后含量在〇. 03%以下；鉻、鎳、鉬、釩、鋁合金元素按95%-100%配入，硅、錳按常規(guī)加入;采用返回法冶煉時，配碳量在熔清后控制在規(guī)格上限0.20% 以上，加入上述合金爐料帶入的磷含量，必須嚴格控制在0.025%以下，此外還要注意到有 害兀素神、錫、鉛、銅等的帶入； 3) 出鋼后及時補爐，裝鋼鐵料前加入適量石灰或碎礦石，以利提前造渣和脫磷;裝爐時 以盡快使鋼鐵料熔化形成熔池為原則，將部分小料敷在底部，中間裝入大塊料和廢鋼，中塊 料放在上面和四周，上層放入剩余小塊料;鐵合金和石灰等爐料要干燥和烤焙。5. 根據權利要求4所述的一種高性能熱作鋼的制備方法，其特征在于:高性能熱作鋼的 制備過程包括： 熔化期使用大功率供電，開始采用低電壓小電流，逐漸調整功率使之盡快形成熔池;并 注意調整熔渣，形成高的堿度和低的熔化溫度以有利于脫磷，堿度控制在2.5-3.0，FeO含量 為16%-20% ;熔化末期采用流渣操作，特別是在返回法冶煉時，當爐料熔化70%-80%時， 吹氧助熔，以便提高合金回收率;當爐渣變稠時，加入硅鐵粉或硅鈣粉調渣； 氧化期爐料全部熔化后，氧化初期繼續(xù)脫磷，此時爐渣是高堿度、高氧化性的氧化渣， 且是大渣量，即渣量保持爐料重的2%_3%，同時采用流渣和換渣操作，以保證良好的脫磷 和脫硫作用；當溫度達到規(guī)定溫度后開始氧化操作，采用礦石和氧氣聯(lián)合氧化，并做到高溫 氧化，分批加礦保持爐內均勻激烈沸騰，利用碳和氧所產生的激烈沸騰，使鋼液中的夾雜物 上浮到渣中，以去除氫和氮有害氣體;氧化末期取樣分析鋼液的碳含量達到規(guī)定范圍，經脫 磷后液中磷含量小于或等于0.015%，然后再進行靜沸騰，靜沸騰時間不小于10分鐘； 還原精煉期：鋼液中碳和所需合金元素達到設定要求，磷含量不大于0.015%，且鋼液 溫度大于出鋼溫度和渣液流動性良好的條件下，除去氧化渣;按8:1-5:1的比例加入石灰、 螢石和耐火磚，以混合渣料，鋼渣量為鋼液量的3 %-5 %，當新渣形成后，即開始還原，以期 達到富集氧和氧化物還原； 出鋼：出鋼過程常采用鋼渣混出，增加鋼液與渣的接觸，繼續(xù)起脫硫作用，同時鋼渣混 出也起保護作用，使鋼液盡可能少的二次氧化和吸氣。當采用爐外精煉，為避免氧化渣的污 染，一般采用擋渣出鋼的方法，現在發(fā)展最快的是采用偏心爐底出鋼，避免氧化渣進入鋼 包； 鍛造及退火：高性能新型熱作鋼鍛造工藝為：加熱溫度1100-1140°C，始鍛1050-1080 °C，終鍛溫度多850 °C，鍛后緩冷即砂冷;球化退火工藝為:860 °C保溫4h，降溫至720 °C保溫 6h，隨爐冷卻。6. 根據權利要求5所述的一種高性能熱作鋼的制備方法，其特征在于:在還原精煉期， 還原期的爐渣必須是低FeO的，用碳粉2-3Kg/t鋼水和硅鐵粉3-4%Kg/t鋼水或加電石塊2-3Kg/t鋼水分批加入混合還原脫氧調渣;在整個過程中注意控制爐渣堿度和流動性，爐內保 持還原氣氛，脫氧良好，控制爐內溫度不要高低波動，保持中溫精煉，防止后期升溫產生過 熱，補加合金達到規(guī)定范圍，準備出鋼。7. 根據權利要求5所述的一種高性能熱作鋼的制備方法，其特征在于:在合金元素 A1加 入過程為，將要加入的純A1用鐵絲捆綁，并用鐵棒撐在鋼包底部；出鋼時，鋼水的含氧量要 盡量低，這對保證鋼獲得較低氧化物夾雜和鋁的低燒損率很必要;然后出鋼，并及時加入防 止鋼水氧化的保護劑，所述純鋁的規(guī)格為:每塊<〇. 45Kg。8. 根據權利要求5所述的一種尚性能熱作鋼的制備方法，其特征在于:為有效提尚鋼的 質量和純凈度，將還原精煉階段移到鋼包采用爐外噴粉精煉，所述噴粉精煉是把電弧爐的 鋼液注入鋼包后，向鋼液的深部噴入Ca-Si粉或CaC 2_CaF2粉或其他增碳、合金化粉，并進行 吹氬、脫硫、脫磷、脫氣鋼液的工藝;噴粉量為2.5-3. OKg/t鋼水，噴粉時間不大于10分鐘;采 用CaC2-CaF2系混合粉末精煉脫磷，噴粉量約為20-50Kg/分鐘；以提高鋼的純凈度，及改善了 鋼的性能;噴粉精煉包括:噴粉脫硫，當高堿度渣的渣量在2%_3%時能使鋼中的硫含量下 降到0.005 %以下，甚至可達0.002 %以下，有良好的脫硫效果;噴粉脫磷，噴礦石粉或CaC2-CaF2粉后，鋼中磷形成4CaO · P205或Ca3P2而進入爐渣中，在高鉻模具鋼中噴粉后平均脫磷率 為27.3 % ;噴粉增碳，提高回收率達70 % -75 %。9. 根據權利要求4所述的一種高性能熱作鋼的制備方法，其特征在于：出鋼溫度控制在 1560-1600°C 左右。10. 根據權利要求4所述的一種高性能熱作鋼的制備方法，其特征在于:采用返回法時， 脫碳量不小于〇.1〇%，在因脫磷而加入礦石時，其脫碳量應大于或等于0.20%。用返回法冶 煉時不做靜沸騰;開始氧化溫度隨鋼種而變化，在1520-1620°C之間。
【文檔編號】C22C33/04GK105970109SQ201610410098
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月9日
【發(fā)明人】黎炳雄, 董小虹, 梁航
【申請人】廣東世創(chuàng)金屬科技股份有限公司