一種長使用壽命無縫鋼管增厚模具材質及其熱處理工藝的製作方法
2023-05-01 08:12:46
本發明涉及模具技術，特別涉及一種長使用壽命無縫鋼管增厚模具材質及其熱處理工藝。
背景技術：
：熱作模具鋼H13是美國牌號的中碳中合金模具鋼，我國4Cr5MoSiV1牌號的模具鋼成分與H13相當，常用來作為H13的國產化替代材質。目前，無縫鋼管增厚模具採用4Cr5MoSiV1牌號的材質；該材質的增厚模在軋制低合金無縫鋼時，可以滿足軋制要求。但近年來，無縫鋼管產品需求體現了更多、更個性化、需求更新越來越快的趨勢，除軋制油井管、鍋爐管、管線管、結構管等普通無縫管外，13Cr、鎳基合金油井管、9Cr系列鍋爐石化管等高合金含量、高強度無縫管的數量逐年增加；與普通無縫管相比，軋制高合金含量無縫管時，軋制溫度升高、軋制壓力增大，因此，增厚模具常出現內壁微變形、抗熱裂紋性能不足，沿熱裂紋斷裂的現象，導致增厚模在使用中期即發生失效，嚴重降低了增厚模的使用壽命。要提高模具的使用壽命，需首先改善該模具的抗熱裂性能。影響增厚模具抗熱裂性能的因素有很多，模具材料的成分、組織，及硬度、強度和韌性的綜合配置等。因此，如何針對無縫產線軋制高合金含量、高強度無縫管時的工況條件和工藝要求，通過設計合理的材質和熱處理工藝，開發可滿足抗熱裂紋性能等要求的增厚模具，是亟待解決的一個問題。根據國標GB/T1299-2000，4Cr5MoSiV1材質的成分範圍為0.32-045C、0.8-1.2Si、0.2-0.5Mn、P<0.030、S<0.030、4.75-5.5Cr、1.1-1.75Mo、0.8-1.2V、1.4-1.8N；其熱處理工藝如下：790±15℃預熱，1000℃(鹽浴)或1010℃(爐控氣氛)±6℃加熱，保溫5-15min空冷，550±6℃回火。然而，隨著鋼管等產品強度和力學性能的提高，4Cr5MoSiV1模具鋼的強韌性、抗熱裂性和耐磨性已不能滿足使用需求。需開發出耐磨性優異，且使用過程中不開裂、不斷裂的新型模具材料；調整原4Cr5MoSiV1材質化學成分，改善其熱處理工藝是重要的研究方向。由於4Cr5MoSiV1材質應用廣泛，可用作壓鑄模、熱擠壓模、高速錘鍛模，也可用於塑料模具和冷作模具等，各應用的工況和工藝要求不同，因此所要求的力學性能不盡相同。如中國專利CN200910077636.5公開了「一種高性能低成本熱作模具鋼」通過優化Al(過程中消耗)、N(0.005-0.05％)含量達到固溶強化、彌散強化及細化晶粒的目的；中國專利CN200910155458.3公開了「一種熱作模具鋼及其回火工藝」是通過添加W、Co元素(W：0.8-2.2％，Co：0.2-1.5％)，並設計在440-460℃進行一次回火，在520-560℃進行兩次回火的回火工藝，從而降低模具的裂紋擴展速度，提高其韌性；美國專利US2016271744(A1)「Methodformanufactuingaforgingdiewithimprovedwearresistance」是通過調整Al含量(Al≥0.015％)提高模具的抗氧化性；日本專利JP2016017200(A)「Diesteelandwarm/hotworkingdie」調整合金成分，特別是V、N含量(V：0.3-0.72％，N：0.015-0.08％)，改善模具的抗熱裂性和耐磨性。中國專利CN201210371091.0「熱作模具鋼4Cr5MoSiV1的強韌化熱處理方法」、公開一種多次淬火，並在600℃和580℃進行兩次回火的熱處理工藝。中國專利CN201210371200.9「熱作模具鋼4Cr5MoSiV1的帶狀組織減輕或消除熱處理工藝」公開一種控制升溫速度200-220℃/h，淬火升溫時多次均溫處理，冷卻時在600-700℃保溫2-4h，在580-600℃回火的工藝，達到消除帶狀組織的效果。中國專利CN201410373497.1「一種熱作模具鋼淬火冷卻方法」是通過在Ms溫度以上採用分段控溫冷卻的方式進行冷卻，從而減少模具熱應力和開裂風險。中國專利CN105648155(A)「Heattreatmenttechnologyofhotdiesteel」通過將淬火升溫過程分為三次保溫，並進行長時間保溫回火的方法達到模具消除內應力，降低脆性的目的。可見Al、N、W、Co等元素及含量，及熱處理工藝是影響模具鋼力學性能的關鍵要素，需根據工況需要進行精準控制。這些專利用不同的方法，通過改進某一方面，達到滿足其使用工況的需求，然而，有的設計熱處理工藝過於複雜，反而增加了時間和成本；但這些方法均不適合用於軋制高合金、高強度無縫鋼增厚模具的工況及需求。技術實現要素：本發明的目的在於提供一種長使用壽命無縫鋼管增厚模具材質及其熱處理工藝，在4Cr5MoSiV1材質基礎上，通過綜合調整成分配比，並設計合理熱處理工藝，開發可滿足抗熱裂紋性能等力學性能要求的增厚模具，以避免增厚模的異常斷裂失效，延長其使用壽命；所述模具的常溫硬度≥52HRC，抗拉強度≥1800MPa，600℃時，硬度≥48HRC，抗拉強度≥1100MPa，熱疲勞抗力和斷裂韌性分別達到2.3/mm-1和71.9MPa·m1/2。為達到上述目的，本發明的技術方案是：一種長使用壽命無縫鋼管增厚模具，其化學成分重量百分比為：C0.4～0.6％，Si0.8～1.2％，Mn0.6～1.2％，Cr2.5～3.5％，Mo1.8～3.5％，V1.2～3.0％，W0.8～2.0％，Nb0.35～0.6％，其餘為Fe及不可避免雜質；且需滿足：C＝0.03Mn+0.015Cr+0.16V+0.2Nb；(V+Mo+W/2)＝3.4～5.7wt.％。優選的，C的含量為0.45～0.58％。優選的，Mn的含量為0.6～1.2％。優選的，Mn含量為0.8～1.0％。優選的，V的含量為1.5～2.8％。本發明所述模具的組織包括馬氏體、貝氏體和碳化物，其中貝氏體面積佔基體面積的20-30％。原有4Cr5MoSiV1材質設計特點：4Cr5MoSiV1材質主要設計思路為，中碳合金鋼，基體以Si、Mn強化，並採用一定量的Cr、Mo、V合金元素形成碳化物強化基體，碳化物種類多以亞穩相M23C6為主，僅有少量的M6C和MC型穩定相碳化物，因此，在冷熱循環的使用工況下，易在疲勞過程中出現碳化物聚集、粗化和位錯密度降低，從而導致模具軟化，抗熱裂性不能滿足使用要求的現象；同時，Cr含量較高，模具在使用過程中出現粘鋼現象。熱裂紋是在交變應力幅值超過模具的屈服強度時，首先在模具內腔表層引起往復塑性變形，最終導致熱疲勞裂紋萌生和擴展；熱疲勞抗力與強度和塑性之積有線性關係，較高的屈服強度可減小每個循環的塑性應變幅，較好的塑性可使局部熱應力集中鬆弛，熱裂紋萌生階段主要受強度控制，熱裂紋擴展階段主要受塑性控制，因此，本發明設計增厚模具的化學成分時，考慮兼顧了強度和韌性，同時考慮選用具有高的導熱係數和低的熱膨脹率的化學元素，以利於提高抗熱裂紋性能。與4Cr5MoSiV1材質相比，本發明的增厚模材質，通過成分調整，採用基體強化和碳化物強化的雙重效果，一方面增加Mn，增強對基體的強化作用，另一方面，增加易形成穩定型M6C和MC的合金元素，減少易形成亞穩相M23C6、M7C3碳化物，和易粘鋼的合金元素，從而提高模具的抗熱裂性，減少粘鋼。在本發明增厚模材質的成分設計中：C：C為高溫淬透性和高溫強度保持元素，但C過量會使韌性降低，因此，本發明中C含量控制在中碳合金的上限，且需滿足C＝0.03Mn+0.015Cr+0.16V+0.2Nb關係；優選控制在0.45-0.58％。Mn：Mn的作用為進一步強化基體，通過固溶強化作用，強化基體，提高基體抵抗裂紋擴展的能力；同時配合C提高基體的淬透性；因此，Mn的質量百分比控制在0.6-1.2％；優選控制在Mn含量的0.8-1.0％。Cr：本發明中減少Cr含量，因為Cr在模具中形成亞穩相M23C6、M7C3碳化物，在使用過程中容易聚集長大、粗化和軟化，同時，由於無縫產線的特殊性，軋制的13Cr、T91等高合金鋼管中，常含有大量的Cr，增厚模具中Cr含量過高常發生粘鋼現象；通過大量實驗表明Cr含量超過3.5wt.％，即會發生粘鋼現象；因此，本發明中控制Cr的質量百分比為：Cr<3.5％。V：為彌補部分Cr碳化物的減少量，增加穩定型碳化物MC的形成元素V；V可通過析出強化和碳化物彌散強化作用強化基體，獲得較高的高溫強度和韌性；大量試驗研究結果表明，V的質量百分比需控制在1.2-3.0％之間；優選地，V的質量百分比需控制在1.5-2.8％之間。Mo和W：Mo作為強碳化物形成元素，提高奧氏體的穩定性和基體的淬透性，防止第二類回火脆性，而且採用Mo和W形成的M6C型碳化物，提高MC型碳化物的穩定性和基體的抗回火穩定性，抑制熱裂紋的產生；因此本發明中，Mo的質量百分比需控制在1.8-3.5％之間，W的質量百分比需控制在0.8-2.0％之間；且需滿足(V+Mo+W/2)＝3.4～5.7wt.％；Nb：Nb元素的作用是其與碳、氮、氧都有很強的親和力，可形成極為穩定的化合物，起到細化晶粒、提高晶粒粗化溫度、淬透性和回火穩定性的作用；除此之外，Nb作為硬質元素，可提高增厚模具的耐磨性；因此，本發明中，控制Nb元素的質量百分比為：Nb≥0.35％。傳統4Cr5MoSiV1材質的常規熱處理工藝為：在1050-1100℃淬火，在550-600℃回火；淬火工藝通過一步完成。4Cr5MoSiV1材質中含有較多的碳化物，為了使更多的碳化物熔於奧氏體中，奧氏體化溫度選擇較高，但此淬火工藝的缺點是，帶來原始奧氏體晶粒的長大；經過此回火工藝處理後，最後所得基體組織為M，硬度較高，但韌性不足，易在循環使用中萌生裂紋，並快速擴展。本發明長使用壽命無縫鋼管增厚模具的熱處理工藝，包括如下步驟：1)以200-230℃/h的升溫速度加熱，在600℃時，進行8min的均溫保溫；2)繼續以200-230℃/h的升溫速度升溫，在800℃時，進行8min的均溫保溫；3)在1100-1150℃時，進行15-20min的第一步淬火處理；之後迅速降溫；4)在1020-1050℃時，進行120min的第二步淬火處理；之後油冷至室溫，並進行及時回火；5)以200-230℃/h的升溫速度加熱，在600-650℃回火保溫120min；6)隨爐冷卻至240-260℃，保溫60min；之後隨爐冷卻至200℃空冷。本發明與4Cr5MoSiV1材質的傳統熱處理工藝相比：本發明將淬火分兩步進行，稱為「兩步淬火法」，使基體既獲得了較大的合金度，同時保持了較小的奧氏體晶粒尺寸；回火工藝的特點是在高溫回火的同時，加入下貝氏體轉變工藝，使模具獲得了高熱循環穩定性和韌性。淬火升溫過程中要進行兩次均溫保溫，這是因為，升溫速度較快，淬火溫度較高時，短時的均溫保溫可以使模具受熱均勻；因此，本發明技術方案的步驟(1)和(2)中，在600℃和800℃時，進行兩次8min的均溫保溫。進一步，所述步驟3)、4)為兩步淬火工藝，其中，步驟(3)將第一步淬火溫度控制在1100-1150℃之間，保溫時間15-20min之間，這是因為試驗表明，隨著奧氏體化溫度的提高，增厚模具的熱疲勞抗力增加，熱裂紋萌生時間推遲，裂紋擴展速度也有所降低；這是因為奧氏體化溫度升高，較多的碳化物熔於基體中，基體合金元素和碳固溶度增加，同時孿晶馬氏體數量減少，位錯馬氏體的數量增加；加之較高的淬火溫度需配合較高的回火溫度，因此，增厚模具的強度和抗回火性提高，同時熱循環穩定性亦提高。然而，隨著奧氏體化溫度的升高，不可避免的要考慮奧氏體晶粒隨之長大的問題；試驗表明，該模具鋼中，MC為V的碳化物，在共晶轉變時析出，或從奧氏體中析出，其開始固溶溫度為1000-1150℃，VC顆粒細小且分布均勻。M6C為W和Mo的碳化物，在1050-1300℃時固溶於奧氏體，M6C相當穩定，不易聚集長大，可增加模具硬度與耐磨性。M7C3為Cr的的碳化物，是一次共晶碳化物或由奧氏體中析出的二次碳化物，它能溶入W、Mo、V等元素，增加耐磨性，降低摩擦係數。二次M7C3在950-1150℃溶入奧氏體中；M23C6是另一種Cr的碳化物，在溫度為1000-1020℃時開始固溶，完全固溶於奧氏體需1150-1200℃的溫度。因此，1100-1150℃時，基體中未熔碳化物含量約為5-6％，原始奧氏體晶粒度小於7級，在1100-1150℃溫度時，晶粒雖稍有長大並趨於開始快速長大，但形核率較晶粒長大速率增加更快，此時基體中合金度及形核數量的增加帶來的對抗熱疲勞性能有利的因素超過晶粒稍微長大帶來的影響。因此，為了獲得較大的基體合金度和較小的奧氏體晶粒尺寸，選擇先通過預熱後快速加熱至淬火溫度1100-1150℃(高於普通淬火工藝的淬火溫度)，並進行15-20min的短時保溫，作為第一步淬火工藝，以獲得均勻細小的奧氏體原始晶粒。當該步淬火溫度低於1100℃時，會造成碳化物熔入基體中的含量不夠，導致基體強度不足；當淬火溫度高於1150℃時，會造成晶粒過度長大，顯微組織不均勻，導致強度降低；優選地，需將第一步淬火保溫時間控制在16min<t5；之後進行冶煉後退火、電渣重熔、球化退火、調質熱處理和本發明所設計的最終熱處理工藝(如圖1所示)，製備了本發明的增厚模具材質。其具體化學成分如表4所示，其常溫及高溫力學性能如表5、表6所示。表4單位：重量百分比實施例CSiMnCrMoVWNb10.401.120.603.402.81.40.90.4520.440.861.153.252.61.81.30.3530.451.200.803.183.51.61.10.6040.501.020.902.902.32.11.60.5050.501.160.852.751.82.21.90.4060.600.900.652.602.02.71.20.55表5實施例1-6的常溫力學性能實施例Rp0.2/MPaRm/MPaA/％Z/％AKU2/JHRC11659185112.039.730.250.421681187912.740.831.951.731686188213.141.632.252.341679187012.340.23252.951672186611.839.430.951.261667185911.238.731.650.8表6實施例1-6的高溫力學性能實施例Rp0.2/MPaRm/MPaA/％Z/％AKU2/JHRC1972111221.682.616946.72984113921.883.918348.93982114222.384.618649.24979113620.783.518449.65969112821.884.217348.86961111921.283.117647.5表7實施例1-6的熱疲勞抗力與斷裂韌性對比實施例熱疲勞抗力/mm-1斷裂韌性KC/MPa·m1/212.1867.222.2668.332.2868.742.3770.952.1369.262.0966.5實施例7根據本發明所設計的化學成分範圍，採用中頻爐煉製電渣棒，嚴格控制成分，降低鋼錠的有害合金元素；冶煉採用兩次電渣重溶，並在每次重溶後進行依次球化退火，即依次進行中頻冶煉後退火、一次電渣重熔、球化退火、二次電渣重熔、球化退火，極大提高鋼材品質，減少及杜絕微小氣泡、夾雜、微裂紋等瑕疵；之後進行鍛造，鍛造比>5，調質熱處理和本發明所設計的最終熱處理工藝。之後將該材質做成無縫鋼管增厚模具，分別試驗軋制不同的鋼種，其使用壽命如表8所示。表8本發明材質與4Cr5MoSiV1使用壽命對比表本發明通過成分設計，採用「兩步淬火法」，高溫回火併加入下貝氏體轉變工藝的方法，綜合考慮增厚模具的硬度、強度和韌性合理配合，達到提高增厚模具抗熱裂紋性能和使用壽命的目的。本發明模具材質和熱處理工藝可推廣至熱作模具領域，除做鋼管增厚模具外，還可做錘鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等，可滿足600-650℃高溫工況下的服役要求。當前第1頁1 2 3