CN102268599A - 一种非调制的塑料模具钢厚板生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非调制的塑料模具钢厚板生产工艺，采用转炉冶炼、LF+RH精炼，浇注连铸坯；加热温度为1150-1200℃，精轧温度为900-950℃，终轧温度为860-900℃；钢板轧后控冷，利用相变强化和微合金碳氮化物的析出强化，使钢板截面在不进行调质处理的情况下，其组织和性能沿截面的分布均匀，获得截面硬度为300-340的塑料模具钢；并通过轧后再回火，消除应力，避免锯切开裂，回火后硬度均匀，截面获得粒状贝氏体组织。本发明通过对合金成分进行控制，不添加Ni，加入少量Mo，B，V并适当提高Cr含量，使其具有较高淬透性；轧后进行控制冷却，使大截面钢板获得贝氏体组织。本发明适用于320mm连铸坯生产120mm以下规格的非调制的塑料模具钢厚板。

Description

一种非调制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，具体地说是一种低成本非调制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。

预硬型塑料模具钢是指将热加工后的钢板先进性调质处理，通过淬火处理及高温回火处理，获得回火索氏体组织，达到塑料模具钢要求的硬度范围，再进行刻模加工，待模具成形后不需要再进行最终热处理，从而避免由于热处理引起的模具变形和裂纹问题。预硬型塑料模具钢虽然具有上述优点，但也存在淬火裂纹敏感性高、生产成本高、制造周期长的特点。预硬型塑料模具钢尤其是大截面的塑料模具钢，对淬透性有很高的要求，典型钢种P20/718就是通过添加Cr、Mn及贵金属Ni、Mo等提高淬透性的合金元素，从而得到提高淬透性的目的。贵金属及预硬化导致制造成本的增加，而且预硬化模具钢制造周期加长了。由于调质处理，硬度受截面不同部位冷速的影响较大，导致大截面硬度分布的不均匀。淬火马氏体的硬度随回火温度的变化敏感，生产中很难回火炉内温度均匀分布。导致切削加工性能受到影响。大截面钢板在淬火过程中由于截面温差导致应力大，淬火开裂。

采用非调质钢代替调质是一个很好的克服预硬化塑料模具钢上述缺点的解决方案。非调质钢通过Cr、Mn、Mo等主要元素进行合金化，提高淬透性，并添加微量Ti、B、N等微合金化元素进行沉淀强化和细晶强化，使钢在轧后空冷即可获得调质处理所能得到的性能。国内已有工厂利用厚板轧制生产非调质塑料模具钢板，但鉴于厚板厚度方向的硬度均匀性，一般采用加入Mo,Ni等合金元素，生产成本高。

专利号200610028195.6公开了一种超厚非调质塑料模具钢及其制造方法，克服了预硬化塑料模具钢制造成本高，淬火裂纹敏感性高以及已有非调质塑料模具钢成形厚度小的缺点，保证了大截面塑料模具钢能够获得贝氏体组织及硬度，采用锻造的方式进行热加工，控制锻后冷却速度，实现了厚度超过300mm的超厚塑料模具钢的非调质化。但其采用铸坯锻造的方式生产，生产环节多，生产效率低。

发明内容

为了克服预硬化塑料模具钢制造成本高，制造周期长，淬火裂纹敏感性高及已有非调质塑料模具钢合金元素较多，碳当量较高，截面硬度不均匀的缺点，本发明的目的是提供一种低成本非调制的塑料模具钢厚板生产工艺。该生产工艺通过对合金成分进行控制，不添加Ni，加入少量Mo，B，V并适当提高Cr含量，使其具有较高淬透性；轧后进行水冷，控制终轧温度、返红温度、冷却速度，使大截面钢板获得贝氏体组织，实现120mm的塑料模具钢的非调质化。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种非调制的塑料模具钢厚板生产工艺，其特征在于：该生产工艺采用转炉冶炼、LF+RH精炼，浇注连铸坯；加热温度为1150-1200℃，精轧温度为900-950℃，终轧温度为860-900℃；钢板轧后控冷，利用相变强化和微合金碳氮化物的析出强化，使钢板截面在不进行调质处理的情况下，其组织和性能沿截面的分布均匀，获得截面硬度为300-340的塑料模具钢，截面硬度均匀性达到P20预硬化钢板的要求；并通过轧后再回火，消除应力，避免锯切开裂，回火后硬度均匀，截面获得粒状贝氏体组织；具体要求如下：

1）采用转炉冶炼、LF+RH精炼，连铸方式浇注得到连铸坯，将H控制在1.5ppm以下，N控制在50ppm以下，S控制在50ppm以下；浇注时，保证10-20℃过热度，连铸坯的化学成分满足：碳0.25-0.33%、硅：0.20-0.70%、锰：1.10-1.50%、铬：1.40-2.00%、钼≤0.20%、磷≤0.01%、硫≤0.005%、钛≤0.03%、硼≤0.003%、钒≤0.15%，其余为铁；

2）采用热送温装，入炉温度大于250℃，加热炉加热温度为1150-1200℃，总加热时间4-5h；采用高温、低速强压下的轧制方式，纵横交叉轧制；粗轧温度为1050-1150℃，中间坯厚度为1-2h，终轧温度控制在850-900℃；

3） 轧后进行水冷至500℃返红，然后风冷至200℃下线；

4）钢板轧后在500-550℃再回火，调整硬度，消除轧后冷却过程中产生的内应力，防止模具在加工过程产生变形和开裂，得到非调制的塑料模具钢厚板。

本发明的特点就是通过C-Mn-Cr合金化技术，同时添加少量Mo，V，B和Ti等多元合金元素，利用微合金V来保证其力学性能，加入适量的B及Mo来保证淬透性，并降低碳当量。克服预硬化塑料模具钢制造成本高，制造周期长，淬火裂纹敏感性高。且已有塑料模具厚板厚度方向的硬度均匀性的控制困难，加入淬透性较好的贵金属Ni和Mo等元素，增加的生产成本。

要想全截面获得贝氏体组织，就要抑制奥氏体向铁素体及珠光体的转变，添加Mn,Cr,Mo抑制奥氏体向铁素体及珠光体的转变有显著作用，使该钢具有较高的淬透性，适量控制Ti和N，抑制钢在高温轧制时奥氏体晶粒长大，保证钢在轧制冷却后具有良好机械性能。避免BN的形成，充分发挥B的有效作用。钢的奥氏体连续冷却转变曲线中贝氏体转变曲线应具有偏平特征。

C是提高钢的硬度和强度最有效的元素，固溶强化作用显著，但C过高会降低贝氏体转变温度，不利于贝氏体的形成，且但为了减小钢的切割裂纹敏感性，改善钢的焊接性能，需要降低碳含量；

Mn含量大于1.7%时有利于获得贝氏体组织，太高会增加碳当量，增加气割裂纹敏感性和恶化钢的焊接性能。

Mo固溶于基体中强烈推迟铁素体和珠光体转变，特别有利于贝氏体组织的形成，但含量过高会形成碳化物，影响其作用；

Cr强烈推迟珠光体转变，促进贝氏体相变，提高钢的硬度。CrMo同时加入效果更明显，有利于贝氏体的形成。但Cr过高会降低贝氏体转变温度，同时使碳当量增大。

V使钢在轧后从铁素体中析出碳氮化物，提高钢的硬度和强度，有利于大截面获得贝氏体组织，但过高严重降低钢的塑性和韧性；

B固溶于基体中强烈中温组织转变，它和钼复合加入有助于在很宽冷速范围获得贝氏体组织，但含量过高会形成碳化物。

Ti和氮、氧的亲和力比B高，添加一定量Ti，先于B形成TiN，避免BN，充分发挥B提高淬透性的作用，同时形成的TiN在晶界处起钉扎阻碍奥氏体晶粒长大，提高韧性。

Al可以帮助脱氧，并和钙，硅一起形成硅酸盐，有助于改善加工性能，还可以避免低熔点Cr-Mn复合氧化物形成，防止表面裂纹产生。

     Ca使钢中氧化物和硫化物变性，并且变性后的硫化物将氧化物包裹，有利于改善钢的切削加工性能。

本发明中，将H控制在1.5ppm以下，防止由于H含量过高导致的钢板探伤不合；N控制在50ppm以下，太多的N将形成粗大的TiN,不利于切削性能，同时避免BN，充分发挥B提高淬透性的作用；同时S控制在50ppm以下；浇注时，保证10-20℃过热度，采用轻压下技术有效减小中心偏析和中心疏松。

    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，进行多道次除磷，提高钢板内部及表面质量。粗轧温度为1050-1150℃，尽量较少粗轧轧制道次，中间坯厚度为1.5h，终轧温度控制在850-900℃， 轧后进行水冷至500℃返红，然后风冷至200℃下线，可满足淬透性要求。经轧制和水冷后的100mm厚的钢板，钢板的表面硬度最高，芯部硬度最低。表面一般得到马氏体组织，心部大多为贝氏体组织。未出现由于偏析导致的马氏体。通过控轧控冷的手段，实现了塑料模具钢预硬化，并提高组织和硬度的均匀性和预硬化回火工艺的稳定性。

   本发明采用低碳当量的合金化成分设计，降低合金元素Mn、Mo的含量，减小偏析，降低合金成本，控制较低的H、N，利用连铸坯在中厚板轧机控轧控冷的方法生产出符合性能要求的120mm塑料模具钢板，钢板截面硬度均匀，降低了生产成本，提高了生产效率，扩大生产规模。

本发明适用于采用320mm连铸坯生产120mm以下规格非调质塑料模具钢，轧后水冷+风冷使整个截面得到贝氏体组织，截面布氏硬度达280-340HB，不需调质热处理即可获得较好的机械性能。

本发明的有益效果如下：

 1、大截面塑料模具钢的非调质化，省去了大截面塑料模具钢的调质处理，降低了生产成本，缩短了生产周期。

2、本发明采用微合金化技术提高淬透性，不添加Ni，少量Mo，适当增加Cr，化学成分更加经济，少量合金元素Mo与Cr共同作用，推迟奥氏体向铁素体和珠光体的转变，有利于贝氏体组织的获得。合金元素B固溶于基体中，它和Mo复合加入有助于在很宽的冷速范围内得到贝氏体。适量V有利于在轧后铁素体中析出碳氮化物，以提高钢的硬度和强度。

3、Ti可固定N，形成TiN，可以阻碍均热过程中奥氏体晶粒的长大，有利于改善钢的韧性。同时,它避免了BN的形成,可以充分发挥B的有效作用。太多的N将形成粗大的TiN,不利于切削性能。为此，控制N≤50ppm，Ti/N=3~4。

4、采用连铸坯生产非调质塑料模具钢，提高了生产效率，提高成材率。

5、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。

本发明塑料模具钢厚板经控轧控冷和回火处理后，截面硬度均匀，平均布氏硬度为300-340HB，同截面硬度相差40HB。超声波检测通过GB/T2970-2004标准Ⅰ级，夹杂物级别较低，120mm厚钢板晶粒度为9级，综合性能好。

 

附图说明

图1是本发明得到的非调制的塑料模具钢厚板的表面组织形态图。

图2是本发明得到的非调制的塑料模具钢厚板的心部组织形态图。

具体实施方式

     一种非调制的塑料模具钢厚板的生产工艺，该生产工艺采用较低碳当量的合金化设计，连铸坯在轧后冷却时利用相变强化和微合金碳氮化物的析出强化，使模具钢在不进行调质处理的情况下，获得贝氏体组织，其组织和硬度沿截面分布均匀。

通过对合金成分设计，加入适量C元素，少量Mn、Mo合金元素并适当提高Cr含量，使其具有较高淬透性。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。降低Mn含量较少Mn偏析，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、Mn、Cr、Mo必须控制在很窄的范围，P和S元素控制在较低的含量，降低偏析。轧后控冷，使截面钢板获得贝氏体组织，具有较好的机械性能。

其化学成分：碳0.25-0.33%、硅：0.20-0.70%、锰：1.10-1.50%、铬：1.40-2.00%、钼≤0.20%、磷≤0.01%、硫≤0.005%、钛≤0.03%、硼≤0.003%、钒≤0.15%，余量为铁。

采用转炉冶炼、LF+RH精炼，连铸方式浇注。将H控制在1.5ppm以下，防止由于H含量过高导致的钢板探伤不合；N控制在50ppm以下，太多的N将形成粗大的TiN,不利于切削性能，同时避免BN，充分发挥B提高淬透性的作用；同时S控制在50ppm以下；浇注时，保证10-20℃过热度，采用轻压下技术有效减小中心偏析和中心疏松。

   采用热送温装，入炉温度大于250℃，低于此温度铸坯要对铸坯进行预热。加热炉加热温度不宜超过1200℃，总加热时间5h；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，进行多道次除磷，提高钢板内部及表面质量。粗轧温度为1050-1150℃，尽量较少粗轧轧制道次，中间坯厚度为1.5h，终轧温度控制在850-900℃， 轧后进行水冷至500℃返红，然后风冷至200℃下线，可满足淬透性要求。经轧制和水冷后的100mm厚的钢板，钢板的表面硬度最高，芯部硬度最低。表面一般得到马氏体组织，心部大多为贝氏体组织。未出现由于偏析导致的马氏体。通过控轧控冷的手段，实现了塑料模具钢预硬化，并提高组织和硬度的均匀性和预硬化回火工艺的稳定性。

钢板轧后在530℃回火消除应力，避免锯切开裂，回火后硬度变化不大，截面硬度更加均匀。

图1是本发明得到的非调制的塑料模具钢厚板的表面组织形态图。图2是本发明得到的非调制的塑料模具钢厚板的心部组织形态图。可以看出，在整个截面尺寸范围均为贝氏体组织，表面贝氏体束比心部细且残留变形带。心部均无块状先共析铁素体在轧制过程中，钢板截面上的变形量不同，表层的变形量比心部大，奥氏体沿变形方向伸长，形成变形带。心部变形量小，冷却速率小，在轧制过程中处于奥氏体再结晶区，发生再结晶的奥氏体在缓慢冷却过程中容易长大，因此心部贝氏体束较粗大。

   心部组织较表层粗大，表面存在变形带特征，为位错密度较高的贝氏体铁素体板条和板条不连续的碳化物或残余奥氏体组成，心部贝氏体铁素体板条宽于贝氏体淬透性。

本发明生产的非调质贝氏体塑料模具钢合金成本低，偏析小，不需调质处理，轧制冷却后，经530℃回火120mm钢板布氏硬度为290-340HB，钢板表面到中心得到均匀分布的贝氏体，硬度分布也均匀，加工性能良好。节省了能耗，降低了制造成本，生产周期短，为用户提供物廉价美的产品，提高了模具钢的市场竞争力。

Claims (3)

1.一种非调制的塑料模具钢厚板生产工艺，其特征在于：该生产工艺采用转炉冶炼、LF+RH精炼，浇注连铸坯；加热温度为1150-1200℃，精轧温度为900-950℃，终轧温度为860-900℃；钢板轧后控冷，利用相变强化和微合金碳氮化物的析出强化，使钢板截面在不进行调质处理的情况下，其组织和性能沿截面的分布均匀，获得截面硬度为300-340的塑料模具钢，截面硬度均匀性达到P20预硬化钢板的要求；并通过轧后再回火，消除应力，避免锯切开裂，回火后硬度均匀，截面获得粒状贝氏体组织；具体要求如下：

1）采用转炉冶炼、LF+RH精炼，连铸方式浇注得到连铸坯，将H控制在1.5ppm以下，N控制在50ppm以下，S控制在50ppm以下；浇注时，保证10-20℃过热度，连铸坯的化学成分满足：碳0.25-0.33%、硅：0.20-0.70%、锰：1.10-1.50%、铬：1.40-2.00%、钼≤0.20%、磷≤0.01%、硫≤0.005%、钛≤0.03%、硼≤0.003%、钒≤0.15%，其余为铁；

2）采用热送温装，入炉温度大于250℃，加热炉加热温度为1150-1200℃，总加热时间4-5h；采用高温、低速强压下的轧制方式，纵横交叉轧制；粗轧温度为1050-1150℃，中间坯厚度为1-2h，终轧温度控制在850-900℃；

3） 轧后进行水冷至500℃返红，然后风冷至200℃下线；

4）钢板轧后在500-550℃再回火，调整硬度，消除轧后冷却过程中产生的内应力，防止模具在加工过程产生变形和开裂，得到非调制的塑料模具钢厚板。

2.根据权利要求1所述的非调制的塑料模具钢厚板生产工艺，其特征在于：连铸坯为320mm，得到非调制的塑料模具钢厚板为120mm以下规格。

3.根据权利要求1所述的非调制的塑料模具钢厚板生产工艺，其特征在于：对低于250℃的铸坯进行预热；总加热时间5h；进行多道次除磷。

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