CN102002638B - 一种截面硬度均匀的塑料模具钢厚板生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种截面硬度均匀的塑料模具钢厚板生产工艺，该生产工艺对传统塑料模具钢的成分进行适当调整，采用开合式水冷模铸机浇注、合理的加热制度及控轧控冷工艺、并通过轧后中温回火处理得到塑料模具钢厚板，该生产工艺利用水冷模铸坯厚板坯，通过控制轧制，利用轧后余热、控制冷却实现在线预硬化，然后中温回火，实现钢的预硬化处理。本发明不仅可以减少能源消耗，减少污染；并能提高组织和硬度的均匀性和预硬化回火工艺的稳定性。本发明将厚度300-400mm铸坯轧制出60-120mm特厚规格的钢板，截面硬度均匀，硬度相差很小，综合性能好。

Description

一种截面硬度均匀的塑料模具钢厚板生产工艺

技术领域

本发明涉及一种塑料模具钢的生产工艺，具体地说是一种截面硬度均匀的塑料模具钢厚板生产工艺。

背景技术

随着我国塑料工业的迅速发展，市场对大型塑料模具钢的需求量日益增加，为了提高模具的使用寿命，模具的加工精度及塑料制品的质量，对模具钢的质量要求越来越高。

传统铸锭方法生产模具钢模耗高浇注难，脱模困难，钢液凝固慢，易产生缩孔，偏析，短锭跑钢等缺陷，且生产效率低，成本高，成材率低。电渣重熔扁锭的生产需要专门的设备，需要大的投资，工艺复杂，而且能耗高。连铸生产节奏快，不足以使所有的夹杂物有足够的时间上浮，矫直后铸坯处于水平位置时，在冶金长度内，铸坯内部仍然存在液态金属的凝固，在凝固过程中部分夹杂上浮受到铸坯外部凝固层的阻隔，而后部接近完全凝固的芯部补缩通道并不畅通，因而造成连铸坯存在不同程度的夹杂富集、偏析以及疏松区域。采用连铸坯生产压缩比较小的厚板，对连铸坯的质量要求是非常高的，采用普通连铸工艺生产优质厚钢板较为困难。

塑料模具钢传统热处理工艺是淬火/正火+回火，这样不仅多了工序环节，同时也带来能源损失，工人劳动强度大等问题。

发明内容

为了克服现有塑料模具钢厚板生产存在的问题，本发明的目的是提供一种截面硬度均匀的塑料模具钢厚板生产工艺，该生产工艺利用水冷模铸坯厚板坯，通过控制轧制，利用轧后余热、控制冷却实现在线预硬化，然后中温回火，达到该类钢进行预硬化处理目的。本发明不仅可以减少能源消耗，减少污染；并能提高组织和硬度的均匀性和预硬化回火工艺的稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种截面硬度均匀的塑料模具钢厚板生产工艺，其特征在于该生产工艺对传统塑料模具钢的成分进行适当调整，采用开合式水冷模铸机浇注、合理的加热制度及控轧控冷工艺、并通过轧后中温回火处理得到塑料模具钢厚板，具体步骤如下：

1)在传统模具钢P20的成分基础上进行了适当调整，在满足硬度的前提下，适当降低碳量，同时加入微量Ti细化晶粒，加入微量B提高淬透性，使截面硬度更加均匀；塑料模具钢的化学成分重量百分比为：碳0.30-0.36％、锰：0.90-1.20％、铬：1.40-1.70％、钼：0.30-0.50％、硅：0.40-0.60％、磷≤0.01、硫≤0.002，钛≤0.03、硼≤0.002。

2)采用开合式水冷模铸机浇注，采用低温浇注，底注上补缩的浇注工艺，循环水冷结晶器使钢液快速凝固，钢液不承受任何收缩阻力，保证模铸坯宽面无裂纹；

3)确定加热炉内加热制度，钢锭的加热温度不超过1240℃，使合金元素充分固溶；钢锭采用热送温装，入炉温度大于250℃。粗轧温度为1080-1180℃，粗轧阶段采用高温大压下，精轧阶段900-950℃开轧后，终轧温度≥900℃；轧后下线温度250℃以下，轧后堆冷，堆冷时间在24h左右，得到钢板；

4)对钢板进行回火处理，回火温度在550-580℃，得到60-120mm截面硬度均匀的塑料模具钢厚板。

本发明步骤2)中，低温浇注可防止柱状晶粗大；在水循环下强制冷却，凝固成坯，在表面形成较细的一层等轴晶，表面质量好；角部设有用来分散应力的圆弧，得到的模铸坯无角裂；模铸坯中心等轴晶率≥30％，可视缩孔为零。步骤3)中，采用合适的加热制度，钢锭的加热时间为5-6小时；控制终轧温度和下线温度，采用在线风冷的方法实现在线预硬化处理；并通过回火处理消除应力，降低钢板硬度。

本发明在传统模具钢P20的成分基础上进行了适当调整，碳对钢的强韧性、硬度、耐磨性有决定性影响，碳量增多，硬度、强度和耐磨性增高，但韧性下降。在满足硬度的前提下，适当降低碳量，同时加入微量Ti细化晶粒，加入微量B提高淬透性，使截面硬度更加均匀。冶炼化学成分C、Cr、Mo、Mn必须控制在很窄的范围。

本发明通过控制轧制，利用轧后余热、控制冷却实现在线直接正火，然后中温回火，达到该类钢进行预硬化处理目的。

本发明在采用开合式水冷模铸机浇注时，钢液静态结晶，无拉矫，出现角裂和内裂的机会少。底注工艺，夹杂物易上浮。角部设有用来分散应力的圆弧，圆弧为R25mm，得到的模铸坯无角裂；循环水冷结晶器使钢液结晶速度快，无2次和3次枝状晶；模铸机可由多个模体结合，铸坯品种规格调整更换容易，适用范围广；可进行高温脱模，条件允许，钢坯可实现热送，温装；铸坯内部质量与连铸坯相近，由于无震痕，角裂和表面氧化，表面质量明显优于连铸坯。

本发明中60-120mm厚的钢板经控轧和风冷后，硬度值有一定差异，但一般随钢板厚度的增加，硬度有下降趋势。同一厚度钢板的边部硬度最高，芯部硬度最低，且随钢板厚度的减小，硬度差减小。边部一般得到马氏体组织，心部为贝氏体和索氏体的混合组织。通过控轧控冷的手段，实现塑料模具钢预硬化，并提高组织和硬度的均匀性和预硬化回火工艺的稳定性。

在模具钢生产中采用控轧控冷+中温回火的工艺是很好的节能途径。本发明控轧控冷后硬度满足淬硬性要求，回火温度后可满足预硬化状态交货的技术要求。生产的钢板规格可达120mm，其组织为回火马氏体和少量贝氏体组织，在此状态具有良好的强韧性和足够的硬度，洛氏硬度在33-35之间。通过控轧控冷替代离线正火，可节约能源，为企业创造巨大的经济效益和社会效益。

本发明的有益效果如下：

1、传统的塑料模具钢采用中等水平的碳含量，以Fe-C两元素为基础，通过Si、Cr、Mn、Mo等合金元素对钢基体的强化，确保钢具有较高的淬透性能，经淬、回火调质后获得良好切削加工性能的回火马氏体组织。本发明在满足硬度的前提下，适当降低碳量，同时加入微量Ti细化晶粒，加入微量B提高淬透性，使截面硬度更加均匀。

2、水冷模铸浇注适应多品种、多尺寸规格、小批量的需求，浇注速度快，开模脱坯时间短，铸坯无缩孔和气孔，成品率高。脱模时铸出的钢坯温度高，可以进轧机直接轧制。水冷模铸坯的质量高于模铸坯，生产成本低于连铸坯。

3、铸坯厚度300-400mm，可以轧制出60-120mm特厚规格的塑料模具钢，超声波检测达GB/T2970-2004标准I级，夹杂物级别较低，晶粒度达9级，综合性能良好，满足了用户要求和市场需求。

4、采用的控轧控冷+中温回火工艺简单合理，通过在线预硬化处理，使钢板截面硬度均匀，截面硬度相差很小，通过正火轧制替离线正火，不仅可以减少能源消耗，减少污染可以为企业带来很大的经济效益和社会效益。通过控轧控冷的手段，实现P20的预硬化，并提高组织和硬度的均匀性和预硬化回火工艺的稳定性。

附图说明

图1(a)是厚度为100mm的塑料模具钢厚板热轧态边部组织形态图；

图1(b)是厚度为100mm的塑料模具钢厚板热轧态1/4处组织形态图；

图1(c)是厚度为100mm的塑料模具钢厚板热轧态芯部组织形态图；

图2(a)是厚度为100mm的塑料模具钢厚板回火态边部组织形态图；

图2(b)是厚度为100mm的塑料模具钢厚板回火态1/4处组织形态图；

图2(c)是厚度为100mm的塑料模具钢厚板回火态芯部组织形态图。

具体实施方式

一种截面硬度均匀的塑料模具钢厚板生产工艺，该生产工艺采用合适的化学成分设计、开合式水冷模铸机浇注、通过合理的加热制度及控轧控冷工艺、控轧控冷后直接回火处理得到截面硬度均匀塑料模具钢厚板，具体步骤如下：

碳对钢的强韧性、硬度、耐磨性有决定性影响，碳量增多，硬度、强度和耐磨性增高，但韧性下降。在满足硬度的前提下，适当降低碳量，同时加入微量Ti细化晶粒，加入微量B延缓奥氏体-珠光体转变的孕育期，提高淬透性，使截面硬度更加均匀。冶炼化学成分C、Cr、Mo、Mn必须控制在很窄的范围。预硬化塑料模具钢P20化学成分重量百分比：碳0.30-0.36％、锰：0.90-1.20％、铬：1.40-1.70％、钼：0.30-0.50％、硅：0.40-0.60％、磷≤0.01、硫≤0.002，钛≤0.03、硼≤0.002。

使用开合式水冷模铸机浇注了厚度320mm，宽度2.2m，长度3.5m的钢坯。在水循环条件下强制冷却，凝固成坯，钢坯无内裂外裂鼓肚等缺陷，钢坯组成致密，内外质量好。浇注时，开浇温度保持10℃左右过热度，浇注时间控制在20min范围内，脱模时间在1小时之内。

采用热送温装，入炉温度大于250℃，低于此温度铸坯采用下铺上盖夹放在热坯中预热。加热炉加热温度不宜超过1240℃，总加热时间6h；采用高温、低速强压下的轧制方式，纵横交叉轧制，改善金属变形条件，提高钢板性能质量。粗轧温度为1080-1180℃，中间坯厚度为1.5h，终轧温度控制在860-900℃，下线温度250℃以下，风冷后洛氏硬度可达40，可满足淬透性要求。经轧制和风冷后的100mm厚的钢板，钢板的边部硬度最高，芯部硬度最低。边部一般得到马氏体组织，心部为贝氏体和索氏体的混合组织。通过控轧控冷的手段，实现塑料模具钢预硬化，并提高组织和硬度的均匀性和预硬化回火工艺的稳定性。

钢板回火工艺：回火温度550-580℃左右，保温时间2.5min/mm。经热处理得到性能合格的预硬化硬化塑料模具钢厚板。同一块钢板的不同部位，经同一回火温度处理后，其硬度值差比回火前明显减小，同一块钢板的芯部与边部硬度值基本相同，同截面硬度相差2HRC。随着回火温度的升高，硬度降低。

图1(a)是厚度为100mm的塑料模具钢厚板热轧态边部组织形态图；图1(b)是厚度为100mm的塑料模具钢厚板热轧态1/4处组织形态图；图1(c)是厚度为100mm的塑料模具钢厚板热轧态芯部组织形态图。边部一般为回火马氏体或索氏体，心部为贝氏体或细珠光体，这是由于轧后冷却速度不同，钢板表面风冷后形变奥氏体进入正火阶段，使表面层一定深度达到马氏体的临界冷却速度，发生形变奥氏体向马氏体转变，表层马氏体层的深度决定于冷却持续的时间，但心部温度仍较高，在随后冷却过程中，由于钢板截面存在温度梯度，心部热量向外扩散，传至表面的淬火层，使已经形成的马氏体进行自回火，转变为回火马氏体或回火索氏体。临近表层处的奥氏体随截面大小和冷却条件不同转变为贝氏体或索氏体。芯部转变为细珠光体和贝氏体，其转变量与截面，冷却效果和持续时间有关。

图2(a)是厚度为100mm的塑料模具钢厚板回火态边部组织形态图；图2(b)是厚度为100mm的塑料模具钢厚板回火态1/4处组织形态图；图2(c)是厚度为100mm的塑料模具钢厚板回火态芯部组织形态图。边部组织为回火马氏体组织，芯部组织为回火马氏体+贝氏体。

研究表明，预硬化塑料模具钢厚板经控轧控冷和回火处理后，截面硬度均匀，平均洛氏硬度为33-35HRC，同截面硬度相差2HRC，常温冲击功达到50J。超声波检测通过GB/T2970-2004标准I级，夹杂物级别较低，100mm厚钢板晶粒度为9级，综合性能好。

Claims (3)

1.一种截面硬度均匀的塑料模具钢厚板节能生产工艺，其特征在于该生产工艺对传统塑料模具钢的成分进行适当调整，采用开合式水冷模铸机浇注、合理的加热制度及控轧控冷工艺、并通过轧后中温回火处理得到塑料模具钢厚板，具体步骤如下：

1)在传统模具钢P20的成分基础上进行了适当调整，在满足硬度的前提下，适当降低碳量，同时加入微量Ti细化晶粒，加入微量B提高淬透性，使截面硬度更加均匀；塑料模具钢的化学成分重量百分比为：碳0.30-0.36％、锰：0.90-1.20％、铬：1.40-1.70％、钼：0.30-0.50％、硅：0.40-0.60％、磷≤0.01％、硫≤0.002％，钛≤0.03％、硼≤0.002％；余量为Fe；

2)采用开合式水冷模铸机浇注，采用低温浇注，底注上补缩的浇注工艺，循环水冷结晶器使钢液快速凝固，钢液不承受任何收缩阻力，保证模铸坯宽面无裂纹；

3)确定加热炉内加热制度，钢锭的加热温度不超过1240℃，使合金元素充分固溶；粗轧温度为1080-1180℃，粗轧阶段采用高温大压下，精轧阶段900-950℃开轧后，终轧温度≥900℃；轧后下线温度250℃以下，轧后堆冷，得到钢板；

4)对钢板进行回火处理，回火温度在550-580℃，得到60-120mm截面硬度均匀的塑料模具钢厚板。

2.根据权利要求1所述的截面硬度均匀的塑料模具钢厚板节能生产工艺，其特征在于：步骤3)中，钢锭采用热送温装，入炉温度大于250℃。

3.根据权利要求1所述的截面硬度均匀的塑料模具钢厚板节能生产工艺，其特征在于：步骤2)中，低温浇注，防止柱状晶粗大；在水循环下强制冷却，凝固成坯，在表面形成较细的一层等轴晶，表面质量好；角部设有用来分散应力的圆弧，得到的模铸坯无角裂；模铸坯中心等轴晶率≥30％，可视缩孔为零。

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