[发明专利]一种H13热作模具钢中细化夹杂物的冶炼方法

说明书

一种H13热作模具钢中细化夹杂物的冶炼方法，具体涉及一种H13热作模具钢中细化夹杂物的冶炼方法。通过向熔体中以不同区域少量供给的方法喂入铁皮包裹Al‑Si粉的复合粉体在钢液中形成大量球状纳米级Al₂O₃‑SiO₂类夹杂物，同时采用底吹氩气的方式使熔体中形成流场，最终获得组织均匀且性能优良的高级优质H13热作模具钢铸锭（夹杂物等级A+B+C+D+DS级≤2.5）。本发明铸造工期短，成本低廉，能大批量生产，对产品复杂程度限制少，大大地提高了金属材料强度和塑性，制备的具有纳米尺寸夹杂物的H13热作模具钢模具钢铸锭，抗拉强度和韧性都得到了很大的提升，达到北美NADCA对高级优质模具钢的性能要求。

技术领域

本发明属于模具钢中夹杂物细化的技术领域，具体涉及一种H13热作模具钢中细化夹杂物的冶炼方法。

背景技术

4Cr5MoSiV1（H13）热作模具钢作为铬系空冷硬化型热作模具钢，广泛用于热锻模具、热挤压模具和大型压铸模具材料，有的场合还可用于制造塑料模具，是目前世界上用量最大的热作模具钢种之一。H13热作模具钢在工业生产中工作条件一般都非常严苛，在工作过程中常需要承受高温高压、强磨损、热疲劳以及应力腐蚀等影响，同时还要承受高温合金金属液的反复热冲击和机械冲击，这些都要求H13热作模具钢具有高硬度、耐腐蚀，优秀的抗热疲劳性能等等。

对于以疲劳破坏为主的H13热作模具钢而言，其组织中存在的夹杂物对其使用寿命有着极大的影响，尤其是一些存在于钢基体中容易形成强烈应力集中的脆性夹杂物和不规则夹杂物等。Tridello等人的实验研究表明，H13热作模具钢中夹杂物的尺寸对其使用过程中疲劳极限的影响作用很大，通过对H13热作模具钢中夹杂物尺寸对钢材疲劳极限的影响研究，发现H13钢中夹杂物尺寸最大为31um时使H13热作模具钢的疲劳极限下降了21%[A.Tridello et al. VHCF strength decrement in large H13 steel specimenssubjected to ESR process[J]. Procedia Structural Integrity, 2016, 2 : 1117-1124.]。刘建华等人分析了H13热作模具钢钢锭中夹杂物的分布情况发现，钢锭中夹杂物种类主要为近球形的CaO-Al₂O₃-SiO₂夹杂物，不规则形状的MgO-Al₂O₃夹杂物，块状TiN-VN夹杂物以及沿着晶界分布的条状的VC-CrC-MoC夹杂物和少量的CaS-MnS夹杂物等，研究发现大尺寸的条状CaO-Al₂O₃-SiO₂夹杂物对H13热作模具钢的韧性影响很大[Hao Wang et al.Formation and Evolution of Non-Metallic Inclusions in Calcium Treatment H13Steel during Electroslag Remelting Process[J]. ISIJ International, 2019, 59(5) : 828-838.]，因此需要在熔炼时对其尺寸进行控制。另外研究还发现钢锭中头部中心附近夹杂物数量少，而中部和尾部夹杂物数量较多，且心部和头部组织的总氧量相差极大，组织中夹杂物分布不均匀，且大尺寸夹杂物数量较多[Jian-hua Liu et al.InclusionVariations of Hot Working Die Steel H13 in Refining Process[J].Journal ofIron and Steel Research International,2012,19(11):1-7.]。黄宇等人对H13热作模具钢采用氩气保护和大气下电渣重熔进行了实验研究并分析了制得钢锭的夹杂物，发现使用保护气氛电渣重熔工艺生产的H13热作模具钢中氧含量较低，其质量分数仅为0.0015%，氧化物夹杂主要是MgO-Al₂O₃-SiO₂夹杂，其中尺寸在1～3um的小尺寸D类氧化夹杂物占总夹杂物的62.5%，相比之下未采用保护气氛制得的H13热作模具钢中氧质量分数较高，为0.0024%[黄宇,谢有,成国光,陈列,张燕东,严清忠.H13钢中Mg-Al-O系夹杂物的形成机理及控制[J].钢铁,2017,52(06):34-39.]。国外进口的H13热作模具钢中含有大量细小的Al₂O₃-SiO₂系夹杂物且尺寸均小于1.5um，且存在大量纳米级夹杂物，研究表明组织中呈弥散分布的纳米级Al₂O₃-SiO₂系夹杂物对H13热作模具钢的疲劳性能基本没有影响；目前国内生产H13热作模具钢主要采用电渣重熔工艺以及真空熔炼工艺，然而经过电渣重熔或是真空熔炼工艺熔炼得到的H13热作模具钢中D类Al₂O₃-SiO₂系夹杂物尺寸大部分集中在2～3um，且有少量Al₂O₃-SiO₂系夹杂物尺寸可达5um，仍然为微米级夹杂物，夹杂物等级A+B+C+D+DS级≤4，其微米级尺寸对H13热作模具钢的疲劳性能仍有较大影响，在一些工作要求十分严苛的环境中难以使用。另外H13热作模具钢组织中夹杂物形状对于模具钢性能也有极大影响，用夹杂物纵横比来对夹杂物形状进行定义，夹杂物的纵横比是指从夹杂物质心穿过的最长轴和垂直于它的短轴的比值，纵横比越小则代表着夹杂物形状越接近球状，纵横比越大则代表着夹杂物越接近长条状，试验表明长条状CaO-Al₂O₃-SiO₂夹杂物会极大降低H13热作模具钢的韧性。H13热作模具钢中Al₂O₃-SiO₂系夹杂物占夹杂物总量的绝大部分，因此如何将H13热作模具钢中如CaO-Al₂O₃-SiO₂等夹杂物的尺寸进行进一步控制，获得纳米级Al₂O₃-SiO₂系夹杂物占比较多、仅含有少量微米级夹杂物的H13热作模具钢；目前北美NADCA压铸协会规定优质H13热作模具钢中夹杂物等级A+B+C+D+DS级≤4.5，高级优质H13热作模具钢中夹杂物等级A+B+C+D+DS级≤3，夹杂物尺寸对H13热作模具钢性能影响十分显著，因此如何降低H13钢中Al₂O₃-SiO₂系夹杂物的纵横比且减小钢中夹杂物尺寸从而提升H13热作模具钢的性能是H13热作模具钢冶炼工艺的研究重点之一。