CN105252237A - 一种CrMnNiMo系特厚模具复合坯的生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种CrMnNiMo系特厚模具复合坯的生产方法，连铸坯长边L长/短边L短≥2.5；采用铣床对钢坯六面进行加工，复合界面Ra=3～6μm；真空处理后在100～500℃气氛下先点焊、再连续焊；焊接电流50～180mA，速度220～350mm/min；焊接后1h内进入热处理炉进行0.5～1min/mm中温回火或退火；对厚度在100～300mm的复合坯，采用步进式连续炉，加热段以50～200℃/h的升温速度加热到1100～1300℃，均热温度1200～1280℃；厚度＞300mm复合坯采用室式加热炉，600～700℃装炉，以100～150℃/h的升温速度升至1220～1300℃，以1200-1280℃均热。本发明可有效解决模具钢速流不稳、焊接开裂、翘起及焊接开裂遗传性问题，极大提高生产效率。
Description
技术领域
本发明属于冶金复合材料制备工艺领域，特别涉及一种CrMnNiMo系特厚模具复合坯的生产方法。
背景技术
以0.3～0.45wt%C，0.20～0.80wt%Si，0.60～1.60wt%Mn，1.40～2.10wt%Cr，0.15～0.55wt%Mo，0.90～1.20wt%Ni为主要成分特点（中碳、高合金）预硬型塑料模具钢，如我国GB标准钢号3Cr2NiMnMo；德国DIN标准材料钢号1.2738；瑞典一胜百ASSAB标准钢号718；美国AISI/SAE标准钢号P20+Ni；日本JS标准钢号SNCM优化。广泛应用大型长寿命塑胶注塑模，如家电制品、电脑外壳等模具。该类钢种通常要求进行真空精炼等工艺处理，以保证钢质纯净，对内部质量、钢种截面硬度组织均匀性均有较高的要求，受下游产业使用特点要求，采购规格多以100mm以上大截面模块为主，多以模铸钢锭锻造生产，如授权号为CN01736139B的专利“大型预硬型塑料钢模块组织控制方法”，采用模铸锭两镦两拔工艺生产，问题是包括冒口、轧制楔形等问题产生的成材率普遍不高，且对于大型钢锭往往需要多火成型，加工成本较高，采用连铸坯生产该类钢的案例不多，多受连铸坯规格及压下比制约，生产特厚钢板厚度受到限制，公布号CN103397261A的专利“400mm厚连铸坯轧制塑料模具用钢板及其生产方法”，尽管已经采用了目前最大规格的中厚板连铸坯规格，也仅能生产60-100mm厚规格钢板。
轧制复合法是一种生产特厚钢板的新型方法，相对于传统的铸锭，大大提高了轧后产品的内部组织及性能，解决了因连铸坯厚度限制和压下比制约，生产特厚钢板厚度受限的问题，且轧制坯料广泛，利于大批量生产，可以大大提高成材率。
公布号CN102896466A的发明专利“一种150-400mm厚塑料模具用钢板的生产方法”介绍了一种模具钢及其生产方法，但是所述的气体保护焊工艺极易产生表面氧化，影响焊接效果，不仅如一般的复合坯对表面进行处理，还要额外进行两块甚至多块坯料进行坡口加工，对于单块10-20吨的钢坯无论是吊运、对齐、加工都是十分困难的。所述的三种焊接组合的方式，工艺复杂，操作困难，且对于同时进行气保焊、埋弧焊、真空复合焊的三条边，由于反复焊接，积累焊接应力、组织应力、热应力等更大，极易开裂。即使目的为了提高生产效率也是得不偿失的。此外该发明主要用于0.20-0.40wt%C，0.20-0.50wt%Si，1.00-1.60wt%Mn，1.40-2.00wt%Cr，0.10-0.50wt%Mo，0.01-0.04wt%V，（Nb+Ti+Ni）≤0.2wt%的钢种，对于本专利所述及的低温显磁性模具钢没有提出相应的解决办法，所采用的加热方法也不能适应此类中碳高合金型模具钢的生产。
对于低温显磁性（≥0.3T）的模具钢材料，其特有的低温磁性将显著影响焊接束流的走向，进而影响复合焊融合区焊接效果和焊缝质量，此外，由于中碳合金型模具钢碳、合金元素含量较高，焊接过程形成的内应力较大，先焊合部位极易崩开，而未焊的部位受先焊合部分相变应力影响，还有翘起过大的风险。上述现象不均不能直接进行复合焊接，而必须进行有效的点焊固定，并配合后续连续焊才能实现。此外，该类品种由于具有较高的C、Cr、Mn、Mo、Ni元素，碳当量较高，淬硬性极强，采用真空复合方式生产的模具钢特厚坯料，在凝固区相变，以及焊接过程累计而来的内应力较大，加之该类模具钢低温塑性较差，加热工艺不当产生的热应力同上述应力综合作用，极易超过钢种的破裂极限，在加热过程中导致焊缝开裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用连铸坯为基础原料生产的模具钢复合坯的焊接、加热方法，可以有效解决模具钢低温磁性带来的速流不稳问题以及钢种特性带来的焊接开裂、翘起的问题以及焊接过程的开裂遗传性问题，并有效提高生产效率。
本发明采取的技术解决方案如下：
一种CrMnNiMo系特厚模具复合坯的生产方法，其特征在于，通过坯料焊接、坯料预处理、加热时机控制及加热过程控制，生产100～1000mm厚模具复合坯，具体方法为：
母坯选用优质连铸坯，且连铸坯长边L长/短边L短≥2.5，目的在于有效的控制四条焊接边在连续焊接过程受力均衡，不至于发生翘起现象。
采用铣床对连铸坯六面均进行表面粗铣和精铣加工，对于复合界面，粗铣磨出金属基体后，继续精铣0.5～1mm，保证复合界面表面粗糙度控制在Ra=3～6μm。目的在于最大程度的保留钢坯成材率，并有利于后续轧制过程，复合截面的结合，这是本发明的重要特征之一，众所周知，对于低合金成分钢种，由于高温下，钢质较软，即使较粗糙的复合截面也极易轧合，而对于以中碳、高合金（甚至更高成分的品种），高温钢质较硬，弱粗糙度较大，接触点将不会迅速变形融合，而高成分的特点同样不利于原子扩散，因此本发明将复合界面表面粗糙度严格控制在3-6μm。
清理后连铸坯平行叠放送入真空室抽真空。
真空处理后的焊接顺序为先进行点焊，再进行连续焊，点焊和连续焊均在100～500℃气氛下进行，无需升至居里点退磁的常规去磁方法。该步骤旨在通过高温作用改变钢种磁畴排列，进而产生消磁作用，温度的选择视钢种的不同而略有变化，据测量此类材料焊接前磁场强度基本在0.5～5T之间，通过焊接气氛的选择，并配合上述电流的选择，将其磁场强度降至0.3T以下。
点焊采用“先长后短”方式进行，具体步骤为：
（1）先进行四角点焊；
（2）再沿一条长边进行等距4点或6点偶数点点焊，两两对称、且对应的两点焊接方向相反；
（3）其后，沿另一条长边进行等距4点或6点偶数点点焊。
点焊后进行连续焊。
钢坯采用“高速低电流”方式焊接，焊接电流50～180mA，采用交变电流焊接，目的在于应用变化的磁场在焊缝表面产生感应电流，而感应电流产生的磁场会对磁性材料以及焊接过程带来的磁偏吹有消弱的作用。焊接速度220～350mm/min。
钢坯熔深30～50mm。受钢种特性影响，熔深过低则后续工序不易轧合，熔深过高，积累的应力较高，不仅易于开裂，而且极易遗传到后续工序，必须加以控制。
钢坯焊接成复合坯后，1h内进入热处理炉进行回火或退火，回火温度或退火温度均为500～550℃，对于本发明所涉及钢种，500-550℃下，钢种塑性有大幅提升，强度下降不明显，较易抵抗热过程产生的热应力。回火或退火时间均控制在0.5～1min/mm；其中退火为优选方案，过长会影响钢坯表面质量且能耗较大，过短不能有效去除应力。
采用带温装炉，预处理后复合坯料入加热炉前，在钢坯表面覆盖冷轧板，冷轧板材质采用普碳或低合金材料。
对于厚度在100～300mm的复合坯，中温处理后4小时内进入加热炉，采用步进式连续炉进行处理，加热段板坯以50～200℃/h的升温速度加热到1100～1300℃，之后进入均热段，以1200～1280℃的目标温度均热，降低板坯表面与中心的温差以及减少水印，在预处理后进入连续炉生产，具有生产成本低，效率高的优势，且有利于生产计划安排，减轻室式加热炉生产压力。。
对于厚度＞300mm的复合坯采用室式加热炉进行处理，采用随炉升温方式，600～700℃装炉，以100～150℃/h的升温速度升至1220～1300℃，之后降至目标温度1200-1280℃均热。
本发明的有益效果为：
本发明针对以中碳、高合金为主要成分特点的模具钢低温显磁性造成的电子速流不稳、偏析严重、加热过程热裂倾向严重问题，以及钢种特性带来的焊接开裂、翘起的问题，提供了一种高效复合坯料制备方法，主要包括坯料焊接、坯料预处理，加热时机控制以及加热过程控制等四方面综合解决方案，从而可以有效解决模具钢低温磁性带来的速流不稳问题以及钢种特性带来的焊接开裂，翘起的问题以及焊接过程的开裂遗传性问题，并有效提高生产效率。
具体实施方式
实施例1
钢种：718，成分见表1，坯料厚度492mm。
表1实施例1坯料化学成分
| 元素 | C | Si | Mn | Mo | Cr | Ni |
| 含量 wt% | 0.35 | 0.40 | 0.92 | 0.51 | 1.80 | 1.08 |
母坯选用优质连铸坯，长边4500mm，短边1650mm，成坯厚度492mm，L长/L短=2.727。
钢坯六面均进行铣磨，特别对于复合界面，粗铣磨出新鲜金属后，继续精铣0.7mm，复合界面表面粗糙度控制在Ra=6.4μm，清理组坯后，测量钢种磁场强度为2.4T，进入真空室抽真空平行叠放，准备焊接。
所述焊接顺序为依次进行点焊，连续焊。选择真空室焊接气氛320±10℃。
其中点焊采用“先长后短的”方式进行，具体步骤如下
1、进行四角点焊；
2、沿一条长边进行等距4点点焊；
3、沿对边进行等距4点点焊。
其后进行连续焊。
钢坯采用“高速低电流”方式焊接，焊接电流100mA，采用交变电流焊接，焊接速度300mm/min。熔深40mm左右。其中两长边电焊四点两两对称、且对应的两点焊接方向相反。
复合钢坯焊接成坯后随即进入550±20℃热处理炉进行回火，回火制度为1min/mm。入炉前，在钢坯表面覆盖1.2mm后冷轧板，用以控制钢板表面氧化，冷轧钢板的材质采用Q235。
预处理后的坯料随即采用室式加热炉进行处理。采用随炉升温方式，700℃装炉，以150℃/h的升温速度升至1240±25℃，之后降至目标温度1220℃的炉温均热。
实施例2
钢种：2738，坯料厚度H=296mm
表2实施例2坯料化学成分
| 元素 | C | Si | Mn | Mo | Cr | Ni |
| 含量 wt% | 0.42 | 0.60 | 1.56 | 0.35 | 2.10 | 1.20 |
母坯选用优质连铸坯，长边4000mm，短边1450mm，成坯厚度296mm，L长/L短=2.758。
钢坯六面均进行铣磨，特别的对于复合界面，粗铣磨出新鲜金属后，继续精铣0.5mm，复合界面表面粗糙度控制在Ra=3.2μm，清理组坯后，测量钢种磁场强度为2.56T，进入真空室抽真空平行叠放，准备焊接。
所述焊接顺序为依次进行点焊，连续焊。选择真空室焊接气氛300±10℃。
其中点焊采用“先长后短的”方式进行，具体步骤如下
1、进行四角点焊；
2、沿一条长边进行等距4点点焊；
3、沿对边进行等距6点点焊。
其后进行连续焊。
钢坯采用“高速低电流”方式焊接，焊接电流150mA，采用交变电流焊接，焊接速度280mm/min。熔深45mm左右。其中两长边电焊偶数点两两对称、且对应的两点焊接方向相反。
复合钢坯焊接成坯后随即进入530±20℃热处理炉进行回火，回火制度为0.8min/mm。入炉前，在钢坯表面覆盖1.0mm后冷轧板，用以控制钢板表面氧化，冷轧钢板的材质采用Q235。钢坯中温处理后，随即进入连续炉进行均匀化处理，采用步进式连续炉进行处理钢坯依次进入三级加热段和均热段，在加热段板坯以150℃℃/h的升温速度升至加热到1260℃，之后进入均热，以目标温度1230℃的炉温均热。
Claims (1)
1.一种CrMnNiMo系特厚模具复合坯的生产方法，其特征在于，通过坯料焊接、坯料预处理、加热时机控制及加热过程控制，生产100～1000mm厚模具复合坯，具体方法为：
母坯选用优质连铸坯，且连铸坯长边L长/短边L短≥2.5；
采用铣床对连铸坯六面均进行表面粗铣和精铣加工，对于复合界面，粗铣磨出金属基体后，继续精铣0.5～1mm，保证复合界面表面粗糙度控制在Ra=3～6μm；
清理后连铸坯平行叠放送入真空室抽真空；
真空处理后的焊接顺序为先进行点焊，再进行连续焊，点焊和连续焊均在100～500℃气氛下进行，以改变钢种磁畴排列，将其磁场强度降至0.3T以下，点焊采用“先长后短”方式进行，具体步骤为：
（1）先进行四角点焊；
（2）再沿一条长边进行等距4点或6点偶数点点焊，两两对称、且对应的两点焊接方向相反；
（3）其后，沿另一条长边进行等距4点或6点偶数点点焊；
点焊后进行连续焊；
钢坯采用“高速低电流”方式焊接，焊接电流50～180mA，采用交变电流焊接，焊接速度220～350mm/min；
钢坯熔深30～50mm；
钢坯焊接成复合坯后，1h内进入热处理炉进行回火或退火，回火温度或退火温度均为500～550℃，回火或退火时间均控制在0.5～1min/mm；
采用带温装炉，预处理后复合坯料入加热炉前，在钢坯表面覆盖冷轧板，冷轧板材质采用普碳或低合金材料；对于厚度在100～300mm的复合坯，处理后4小时内进入加热炉，采用步进式连续炉进行处理，加热段板坯以50～200℃/h的升温速度加热到1100～1300℃，之后进入均热段，以1200～1280℃的目标温度均热；对于厚度＞300mm的复合坯采用室式加热炉进行处理，采用随炉升温方式，600～700℃装炉，以100～150℃/h的升温速度升至1220～1300℃，之后降至目标温度1200-1280℃均热。
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