CN110153186B - 高合金工模具钢空心管坯制备方法和空心管坯及环形刀具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高合金工模具钢空心管坯制备方法及高合金工模具钢空心管坯和管材与环形刀具，本发明的空心管坯制备方法包括将精炼后的高合金工模具钢钢水制成一端封闭的空心钢锭，于空心钢锭内填充满符合热锻变形要求的流变材料，再将空心钢锭的开口一端封闭，将填充有流变材料的空心钢锭入炉进行加热，将加热好的空心钢锭出炉在精锻机上进行径向锻造制得高合金工模具钢坯，并将钢坯入炉进行退火，退火后冷却矫直，以及确定高合金工模具钢坯两端内孔的位置，将钢坯端部切除，再将填充的流变材料清除得到高合金工模具钢空心管坯。本发明形成了一种高合金工模具钢空心管坯新制备工艺，且缩短制造工艺流程，并可提高质量、材料利用率以及生产效率。

Description

高合金工模具钢空心管坯制备方法和空心管坯及环形刀具

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，特别涉及一种高合金工模具钢空心管坯制备方法，本发明同时也涉及由以上制备方法所制备的高合金工模具钢空心管坯，以及由该高合金工模具空心管坯制得的管材与环形刀具。

背景技术

高合金工模具钢，例如高速钢M2、M35、M2Al等，高碳铬冷作模具钢Cr12Mo1V1、高韧高耐磨冷作模具钢HYC3等，以及H13E、H13、H12等热作模具钢，这些高合金工模具钢广泛用于制造各种切削刀具和各式各样的模具，其中包括大型空心拉刀、滚刀、空心轧辊、盾构滚刀、圆盘剪刀片等。因高合金工模具钢含有大量的W、Mo、Cr、V等合金元素，冶炼时凝固成分不均匀，偏析严重，含有大量碳化物，合格的钢锭规格尺寸受到限制，故需要特殊的冶金方法制备，而且需要大的热变形量进行破碎，以改善其分布状态使其具备工模具要求的均均组织，才能得到所要求性能的工模具钢材。

现有传统的空心工模具制造方法，一般采用实心棒料将心部掏空，或实心锻坯冲孔后再扩孔成环形件的工艺制备坯料，这些方法普遍存在费时费力，工艺路线长，成材率、合格率低，尤其是效率低下等不足。而其它一些用于较低合金钢管的常规生产方法，如穿孔技术、三辊连轧机组钢管轧制技术等，也很难应用到高合金工模钢上。

其中，对于现有空心工模具制造方法，以H13E盾构滚刀圈的制备为例，现有工艺流程为中频冶炼→电渣重熔得φ315锭→精锻成φ160坯→退火→精确下料→加热锻打→冲孔→扩孔→模锻成形→退火→机加工→刀圈坯检验→交付。采用上述现有工艺流程制备的盾构滚刀圈，其钢锭心部组织不好，材料利用率仅53%，且制备过程流程长、生产效率低下。

由于高合金工模具钢工艺塑性差，变形温度区间窄，变形抗力大，加工难度大，耗时成本高，且质量难以得到保证。因而虽均知道中空的高合金工模具钢采用空心管材不但会提高产品的质量，其生产效率、材料利用率也会大大提高，但基于上述的原因，高合金工模具钢的空心管材的制备一直是难题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种高合金工模具钢空心管坯制备方法，以可形成高合金工模具钢空心管坯的新制备工艺。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高合金工模具钢空心管坯制备方法，该方法包括如下的步骤：

a、将精炼后的高合金工模具钢钢水制成一端封闭的空心钢锭；

b、于所述空心钢锭内填充满符合热锻变形要求的流变材料，且将流变材料捣实后再将空心钢锭的开口一端封闭，所述热锻变形要求包括流变材料具有比锻造加热温度高的熔点、在加热时不与钢材发生反应、热锻变形时自身体积不发生变化，以及可随钢锭变形发生均匀流变；

c、将填充有流变材料的空心钢锭入炉进行加热；

d、将加热好的空心钢锭出炉，在精锻机上进行径向锻造，制得直径符合要求的高合金工模具钢坯，并将所述高合金工模具钢坯入炉进行退火，退火后冷却矫直；

e、确定高合金工模具钢坯两端内孔的位置，于该位置将钢坯端部切除，再将填充的流变材料清除，得到高合金工模具钢空心管坯。

进一步的，步骤a中采用喷射成型将钢水制成空心钢锭。

进一步的，步骤c中按高合金工模具钢相应钢牌号的开坯加热规范进行加热。

进一步的，步骤d中精锻机上进行径向锻造时空心钢锭的变形比应不小于3。

进一步的，步骤e中为通过超声波探伤确定两端内孔的位置，且为通过带锯将钢坯的两端部去除。

进一步的，所述流变材料为铝氧粉。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明的高合金工模具钢空心管坯制备方法，通过将填充流变材料与精锻开坯工艺结合起来，形成了一种高合金工模具钢空心管坯的新制备工艺，其可使得高合金工模具钢空心管坯的锻造制备与常规的实心钢锭锻造制备一样便捷，并能够使得高合金工模具钢空心管坯制造工艺流程缩短，质量提高，材料利用率提高，而提高生产效率。

本发明同时也提出了由以上高合金工模具钢空心管坯制备方法制备的高合金工模具钢空心管坯。

此外，本发明还提出了一种高合金工模具钢管材以及一种环形刀具。

其中，所述的高合金工模具钢管材由以上高合金工模具钢空心管坯经定径、车皮、探伤精整得到。所述的环形刀具由以上所述的高合金工模具钢空心管坯下料后经机加工或者辗轧、模锻后得到。

而且进一步的，所述环形刀具可为经机加工得到的圆盘剪刀片，或者，所述环形刀具可为经辗轧、模锻后得到的盾构滚刀圈。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。同时，如未特别说明，本实施例中提及的加工方式及其所采用的加工设备，均参照现有高合金工模具加工中的常规加工工艺，依据相应钢牌号的工艺规范进行。

实施例一

本实施例涉及高合金工模具钢空心管坯制备方法，该方法具体包括将精炼后的高合金工模具钢钢水采用喷射成型或其它工艺制成一端封闭的空心钢锭，然后于制成的空心钢锭内填充满符合热锻变形要求的流变材料，且将流变材料捣实后再将空心钢锭的开口一端封闭。接着，将填充有流变材料的空心钢锭入炉进行加热，加热好后将空心钢锭出炉，并在精锻机上进行径向锻造，以制得直径符合要求的高合金工模具钢坯，再将该高合金工模具钢坯入炉进行退火，退火后冷却矫直。然后，确定矫直后的高合金工模具钢坯两端内孔的位置，于该位置将钢坯端部切除，再将填充的流变材料清除，便得到高合金工模具钢空心管坯。

其中，上述制备方法中所述及的热锻变形要求包括流变材料具有比锻造加热温度高的熔点、在加热时不与钢材发生反应、热锻变形时自身体积不发生变化，以及该流变材料可随钢锭变形发生均匀流变。而所述的均匀流变也即在填充有该流变材料的钢锭在被径向锻造时，由钢锭因锻造而发生的长径比的变化，流变材料可随钢锭的变长变细而相应流动，以使流变材料整体也变长变细，从而始终保持与锻造变化后的钢锭的构形一致，保证流变材料在钢锭内处于稳定的填充且充满的状态。具体实施时，流变材料例如可采用铝氧粉（Al₂O₃），且铝氧粉的粒度一般应该在60~120μm之间。当然，除了铝氧粉，上述符合热锻变形要求的流变材料也可采用其它材料。

通过填充符合热锻变形要求的流变材料，可在后续径向锻造中起到支撑空心钢锭内壁，以保证内孔形状的作用。而且流变材料的符合热锻变形要求，也可在加工完成后容易从内孔中清理出来。

本实施例的以上制备方法中，对填充有流变材料的空心钢锭进行加热，应按高合金工模具钢相应钢牌号的开坯加热规范进行。而后面的高合金工模具钢坯的退火也按照相应钢牌号的退火工艺制度进行即可。此外，加热后的空心钢锭在精锻机上进行径向锻造，钢锭四周受力均匀，流变材料由于体积不变，在钢锭拔长的情况下，流变材料整体也随之变长，并与钢锭成比例变细，以此能够通过流变材料的支撑，使得钢锭锻造时保持均匀的壁厚和内孔圆形度。

本实施例中，精锻机上进行径向锻造时空心钢锭的变形比应不小于3，例如其可为3、3.2、3.5或4、4.5、5等。而由于高合金工模具钢空淬即可淬透而发生马氏体转变，很容易造成组织应力开裂，故在精锻机上锻造后钢锭缓冷后及时进行退火是必要的。在退火后，对钢锭进行矫直，此时仍依靠内部填充的流变材料的支撑作用，在矫直时使得本实施例制备的钢锭可以与现有实心钢料一样，能够保证管坯不被压扁而保持其形状。

本实施例中，作为优选的实施方式，可通过超声波探伤的形式以确定钢坯两端内孔的位置，此处所述内孔的位置，也即钢坯内部均为同一内径的内孔的两端处。此外，需要说明的是，在通过超声波探伤确定内孔两端位置时，当然也可同时进行管坯上缺陷的探测，以确定缺陷的类型和大小，而探测出的缺陷位置可在去除钢坯两端时一并去除。在确定两端内孔位置后，本实施例具体可通过带锯将钢坯的两端部去除，以在钢坯的两端露出填充的流变材料，而后清理流变材料便可得到所制备的管坯。

本实施例的制备方法与现有高合金工模具钢管材制备方式相比，其至少有着如下几方面的优势。

其一，材料的利用率大幅提高。比如制备掏空拉刀坯（较长管），现有工艺为采用锻制的实心棒材，并采用车床机加工掏出内孔，钢材的利用率低。而本发明可为由空心锭直接锻制而成，且可以根据计算设计合适孔径的空心锭，锻成较为合适的管坯，再加工成掏空拉刀坯，其材料利用率将大为提高，同时内壁质量也要比直接掏空的棒材要好很多。

其二，可减少环件产品制备的工艺环节。以盾构滚刀圈的制备为例，现有流程为实心棒材下料后，先锻成鉼状再依次冲孔、冲孔、扩孔、模锻或辗轧成滚刀圈，然后机加工成型。而若采用本发明制备方法制备空心管坯，其流程为空心管坯精确下料后，再扩孔、模锻或辗轧成滚刀圈，然后机加工成型。两相比较，本发明省去了锻饼和冲孔以及再次加热工序，同时还减少了冲孔的材料浪费，以及由于冲孔质量问题造成的内壁缺陷等。

第三，本实施例制备方法可以提高管坯的冶金质量，并改善冶金缺陷分布，而有利于提高由管坯制成的成品管材和环形刀具的质量与成品率。

本发明采用制成的空心锭，特别是喷射成形制备空心锭，管壁较同样直径的实心锭凝固尺寸要小得多（约是实心锭直径的1/4左右），凝固条件要好得多，而且冶金疏松缺陷在管壁中间并轻微，同时由于是闭口缺陷在随后的锻造管坯过程会焊合，由此避免了实心锭在心部大范围形成冶金缺陷，或者冲孔或掏空后可能形成在成品管件内壁或环件的内孔处的开口缺陷。

下面以一具体制备实例进一步说明本实施例的制备方法。

在该制备实例中，具体以HYC3（Cr8Mo2V2WSiNb）高韧高耐磨冷作模具钢管坯的制备为例进行说明，该工模具钢管坯用于制作冷带切边机圆盘刀片，制备的管坯的外径为240mm、内径为105mm。其工艺步骤如下所述。

采用IF+LF精炼工艺冶炼HYC3钢水，采用喷射冶金成形工艺喷射制备成内径φ200mm外径φ500mm高1500mm的空心锭，空心锭上端封闭，下端开口，且制成的空心锭经退火备用。

然后，将经过烘烤的铝氧粉装入空心锭的内孔，边填充边捣实，装满后用铁板将钢锭开口端口盖上并焊牢封死。接着，将填充铝氧粉的空心锭，入SX55环形炉中加热，加热温度1150℃，保温5小时，出炉后在SX55精锻机上锻打成外径为φ250 mm，精锻后下车空冷至400℃左右，再入电退火炉进行退火，退火温度880℃，保温4小时炉至740℃，然后以≤10℃/小时缓慢冷却至650℃，再炉冷至550℃出炉空冷。

接着，将退火后的钢锭在液压矫直机上进行点矫，弯曲度达到要求后，进行超声波探伤，确定内孔两端端头位置，再用带锯切掉钢锭头部露出内孔，然后将内部的铝氧粉清理出来，检测内孔孔径约为φ98mm。由于粉状铝氧粉加热后锻打会变的更加密实，故其整体所占空间体积会有所减小，所以管坯内径比外径缩减比例稍大。

最后，根据需要可再利用加长车床进行管坯外圆和内圆机加工，加工成外圆φ240mm及内径φ105mm的成品管坯即可。而经测定，在上述制备过程，自空心钢锭至管坯的黑皮成材率约为82%。

实施例二

本实施例首先涉及一种高合金工模具钢空心管坯，该高合金工模具钢空心管坯具体是由实施例一中的高合金工模具钢空心管坯制备方法制备得到，其具体制备参见实施例一中描述即可，在此不再赘述。

此外，本实施例亦涉及有一种高合金工模具钢管材以及一种环形刀具。

其中，本实施例的高合金工模具钢管材由以上高合金工模具钢空心管坯经定径、车皮、探伤精整得到。而环形刀具则由以上的高合金工模具钢空心管坯下料后经机加工或者辗轧、模锻后得到，此时经机加工得到的例如可是圆盘剪刀片，经辗轧、模锻后得到的例如则可是盾构滚刀圈。

本实施例的高合金工模具钢空心管坯采用实施例一中的制备方法，其适于制作厚壁空心管材，并可进一步制作环形工模具刀具，且其相对于现有工艺能够节省掏空实心料工序及材料，可提高生产效率，而有着很好的实用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (8)

1.一种高合金工模具钢空心管坯制备方法，其特征在于：该方法包括如下的步骤：

a、将精炼后的高合金工模具钢钢水采用喷射成型制成一端封闭的空心钢锭；

b、于所述空心钢锭内填充满符合热锻变形要求的流变材料，且将流变材料捣实后再将空心钢锭的开口一端封闭，所述流变材料为铝氧粉，且铝氧粉的粒度在60-120mm之间；

c、将填充有流变材料的空心钢锭入炉进行加热；

d、将加热好的空心钢锭出炉，在精锻机上进行径向锻造，制得直径符合要求的高合金工模具钢坯，并将所述高合金工模具钢坯入炉进行退火，退火后冷却矫直；

e、确定高合金工模具钢坯两端内孔的位置，于该位置将钢坯端部切除，再将填充的流变材料清除，得到高合金工模具钢空心管坯。

2.根据权利要求1所述的高合金工模具钢空心管坯制备方法，其特征在于：步骤c中按高合金工模具钢相应钢牌号的开坯加热规范进行加热。

3.根据权利要求1所述的高合金工模具钢空心管坯制备方法，其特征在于：步骤d中精锻机上进行径向锻造时空心钢锭的变形比应不小于3。

4.根据权利要求1所述的高合金工模具钢空心管坯制备方法，其特征在于：步骤e中为通过超声波探伤确定两端内孔的位置，且为通过带锯将钢坯的两端部去除。

5.一种由权利要求1至4中任一项所述的高合金工模具钢空心管坯制备方法制备的高合金工模具钢空心管坯。

6.一种高合金工模具钢管材，其特征在于：所述高合金工模具钢管材由权利要求5所述的高合金工模具钢空心管坯经定径、车皮、探伤精整得到。

7.一种环形刀具，其特征在于：所述环形刀具由权利要求5所述的高合金工模具钢空心管坯下料后经机加工或者辗轧、模锻后得到。

8.根据权利要求7所述的环形刀具，其特征在于：所述环形刀具为经机加工得到的圆盘剪刀片，或者，所述环形刀具为经辗轧、模锻后得到的盾构滚刀圈。