CN107177796A - 100‑260mm厚调质态预硬化塑料模具钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及100‑260mm厚调质态预硬化塑料模具钢板，钢板的化学成分按质量百分比%为C：0.35～0.45，Si：0.20～0.50，Mn：0.60～1.00，Cr：1.00～2.50，Mo：0.20～0.50，V+Ti：0.04～0.15，Als：0.01～0.04，P≤0.015，S≤0.005，其余为Fe和不可避免的杂质，钢板性能均匀，整板硬度差≤2.0HRC，钢板经超声波检测达到NB/T 47013.3板材部分І 级要求。整板硬度差≤2.0HRC，钢板经超声波检测达到NB/T 47013.3板材部分 І 级要求，夹杂物总级别不大于2.5。本申请简化了模具钢板的化学成分，从生产工艺角度改进，减小钢板厚度方向上的差异，尤其是截面硬度的均匀性。

Description

100-260mm厚调质态预硬化塑料模具钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于热处理模具钢板技术领域，具体涉及一种100-260mm厚高性能调质态预硬化塑料模具钢板的生产工艺。

背景技术

进入21世纪以来，塑料工业的快速扩张推动了国内模具产业的发展，根据统计，机电工业70%左右的零部件以模具成型，而塑料使用量更大的家用家电中80%以上的零部件是使用模具加工而成。近些年，以洗衣机筒体、大型彩电外壳、电冰箱内腔等为代表的塑料制品越来越大型化，这促进了模具的大型化发展，直接反应在模具原材料的模具钢板的厚度要求上。

钢材的性能主要取决于其组织结构，而大厚度钢板往往由于其芯部冷却速度达不到要求造成性能不达标，或者是由于表面与芯部冷却速度差异大导致钢板整板性能差异大，不能满足加工以及使用要求。所以，芯部性能的控制是大厚度塑料合金模具钢板生产的主要难点之一。

目前国内市场上中低端塑料合金模具钢板竞争激烈，但是仅仅局限于100mm以下厚度钢板的竞争，大厚度的塑料合金模具钢板生产的企业较少，产品性能稳定性有待提高。

由于塑料合金模具钢板一般要求以预硬态交货，即客户可以将钢板直接锯切、加工和使用。所以市场上使用较多的预硬态合金模具钢板以Cr-Mo系或者Cr-Ni-Mo系的合金搭配，以GB/T 1299-2014中的3Cr2Mo、3Cr2MnNiMo为代表的塑料模具钢板在正火热处理后空冷条件下即能达到较高的硬度，后通过不同的温度进行回火处理使得钢板满足用户的硬度要求，但这样的合金搭配和热处理方法只能满足薄板和常规中厚板的生产要求，当厚度超过一定的范围后则会出现表面与芯部硬度差异大的现象，对于模具钢厚板生产来说，提高芯部性能稳定性，确保整板的性能的均一性是生产难点所在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种100-260mm厚高性能调质态预硬化塑料模具钢板的生产工艺，采用塑料合金模具钢厚板离线直立淬火+回火的工艺，在保证材料外观尺寸满足要求的条件下，大大地缩小100-260mm厚的合金模具钢板的表面和芯部性能的差异，提升了材料芯部性能的稳定性，让整板的硬度差≤2.0HRC，钢板经超声波检测达到NB/T 47013.3板材部分І级要求，夹杂物级别低，钢板综合性能良好。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种100-260mm厚调质态预硬化塑料模具钢板，钢板的化学成分按质量百分比%为C：0.35～0.45，Si：0.20～0.50，Mn：0.60～1.00，Cr：1.00～2.50，Mo：0.20～0.50，V+Ti：0.04～0.15，Als：0.01～0.04，P≤0.015，S≤0.005，其余为Fe和不可避免的杂质，钢板性能均匀，整板硬度差≤2.0HRC，钢板经超声波检测达到NB/T 47013.3板材部分І级要求。

为了让钢板的厚度提高，在成分设计上较100mm以下厚度的钢板有所优化，通过添加微量的V、Ti细化晶粒，并适当提高Cr、Mo含量提升钢板淬透性能，有助于减少钢板厚度方向组织的差异，提升截面硬度的均匀性。

本申请钢板整板硬度差≤2.0HRC，钢板经超声波检测达到NB/T 47013.3板材部分І级要求，夹杂物总级别不大于2.5，钢板金相组织主要为回火索氏体和贝氏体。

本申请钢板化学成分的设计原理如下：

C：是保证钢板强度重要的元素，其固溶强化作用显著，适当的碳含量有助于提高钢的强度，但是过高的含碳量则会降低钢板韧性，对模具钢的后续加工及使用不利。本发明控制碳含量为0.35～0.45%。

Si：是钢中重要的脱氧元素，通常以固溶强化形式提高钢的强度，适量的硅有助于提高钢的弹性极限、屈服点以及抗拉强度。本发明Si 含量控制为0.20～0.50%。

Mn：是提高钢淬透性的元素，有固溶强化的作用，是提高钢板强度的重要元素。本发明Mn 含量控制为0.60～1.00%。

Cr：是提高钢淬透性的元素，可以提高钢的强度、硬度、耐磨性以及耐腐蚀性能。另外，适当的铬含量能够抑制珠光体和多边形铁素体的形成，促进低温组织贝氏体或马氏体的转变。本发明将其含量控制在1.00～2.50%。

Mo：可以显著提高钢的淬透性和强度。钼可以细化钢种晶粒，提高钢的淬透性、热强性能以及红硬性，且适当的钼含量能够使模具钢在高温时保持足够的强度与抗蠕变能力。本发明中Mo 的含量控制在0.20～0.50%。

Ti、V：是微合金化元素。钛是固氮的重要元素，形成的TiN可有效阻止高温加热时奥氏体晶粒的粗化；钒形成的碳氮化物在沉淀强化方面具有独特的优势，适当的钒含量可提高钢种高温高压下抗氢腐蚀能力。两者的价格方面较铌优势明显，且搭配使用有助于提高模具钢的综合性能。本发明控制V+Ti含量在0.04～0.15%。

Al：是一种脱氧元素。适量的铝含量可有效减少钢中的夹杂物含量，酸溶铝形成弥散细小的AlN可以阻止奥氏体晶粒度的长大。但过多的铝会促进B类夹杂物的形成，对坯料表面质量有着不利的影响。本发明中酸溶铝含量控制在0.01～0.04%。

S、P：为钢中的有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷。其过高的含量影响模具钢的使用寿命，应尽量地减少其含量。本发明控制P ≤0.015%、S≤0.005%。

上述100-260mm厚调质态预硬化塑料模具钢板的制造方法，主要步骤包括

（1）钢水经转炉冶炼，后经LF精炼和RH真空脱气，连铸前要求钢水中氢含量＜1.0ppm，钢水经直弧连铸机连铸出厚度为450mm的板坯，连铸采用10～20℃的低过热度浇铸，稳定拉速，并且采用连铸轻压下技术，保证连铸坯内部质量，连铸坯低倍达到：中心偏析C类0.5级，中心疏松0.5级，无其他中心裂纹、角裂纹、三角区裂纹，连铸坯下线后热送轧钢分厂，严格控制入炉温度；

（2）采用步进炉加热连铸坯，采用分段加热方式：连铸坯均热段最高温度1280℃，加热时间在常规合金结构钢坯料工艺的基础上延长2小时，均热时间是控制在3～5小时，减缓合金元素偏析，避免后续相变过程中因合金元素偏析导致的组织差异。

（3）采用高温低速大压下轧制工艺，开轧温度控制在1100～1160℃，终轧温度≥900℃，大压下轧制的第一阶段再结晶区轧制，要求前三道次总压下量≥150mm，高温大压下保证轧制力能够渗透到坯料芯部，确保厚板芯部组织细化，有助于提升合金模具钢厚板芯部性能的稳定性。轧制过程中采用高压水除鳞，轧后钢板在表面400～500℃时下线堆缓冷，缓冷时间＞72小时，缓冷至室温有助于充分降低钢板中残留的H含量，提升钢板探伤质量。

（4）轧后钢板进台车炉加热，加热温度880±10℃，保温时间2.0-3.0min/mm，钢板出炉后吊至直立式板坯淬火机淬火，淬火速率控制在0.1～0.5℃/s，要求快速吊运钢板，保证入水温度，避免钢板降温过快，影响淬火质量；淬火过程中开通体池内供气和补水装置，一方面可以打破入水钢板表面的蒸汽薄膜，达到快速冷却的目的，另一方面可以搅拌池内的淬火介质，达到均匀淬火的目的，开通补水装置保证淬火池温度≤45℃；

（5）淬火后钢板及时入台车炉做回火热处理，入炉后先在200℃保温2～4小时后升温，此步骤一方面是为了去除钢板的内应力，遏制形成表面裂纹的趋势，另一方面是为了减少后面升温过程中板在厚度方面的温度差，这也是保证整板硬度均匀性的重要工序。回火温度550～650℃，保温时间3.0～4.0min/mm；钢板出炉冷却后带温压平，带温温度≥200℃，保证钢板平直度≤5mm/m。

本发明的100-260mm厚高性能调质态预硬化塑料模具钢属于中碳合金钢，裂纹敏感性强，表面质量控制困难，这是长期困扰本领域技术人员的一道难题。为了避免连铸厚板坯离线后因冷却速度过快产生组织变化应力，导致坯料内部存在微裂纹，铸坯采用热送热装。

本发明采用特定的加热工艺，适当提高保温温度以及保温时间，有助于减缓坯料偏析，确保板坯内部各处均匀性，消除局部差异，保证坯料加热质量。

本发明采用低速大压下工艺轧制，保证轧制变形可以渗透到铸坯芯部，消除钢板厚度方向上的差异，该工艺能够实现大厚度钢板的轧制。

本发明采用直立式板坯淬火机淬火，有助于实现大厚度钢板整体的均匀淬火，避免钢板水平入水导致的上下表面不均匀冷却，导致钢板淬火过程中开裂，使适应裂纹敏感性高的钢板生产。

本发明采用离线淬火+回火的热处理工艺，可以大幅度提高此类钢板芯部性能的稳定性，缩小整板硬度差异，提高钢板综合性能。

与现有技术相比，本发明的优点在于：所涉及工艺获得的100-260mm厚调质态预硬化塑料模具钢，质量优异，性价比高，在简化化学成分的前提下，通过生产工艺的改进，降低了裂纹敏感性，提高了钢板的表面质量，大幅度提高了材料的成品率和使用寿命，降低了用户的生产成本。

本发明生产的特厚塑料模具钢板，最大厚度达260mm，钢板性能均一，显著减小了整板硬度差，整板硬度差≤2.0HRC，心部质量优良，经超声波检测达到NB/T 47013.3板材部分І级要求，夹杂物级别低，钢板加工性能良好。

附图说明

说明书附图

图1为本申请模具钢的表层金相组织；

图2为本申请模具钢的心部金相组织。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例涉及的适于调质态预硬化塑料模具钢板的厚度为260mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.41%，Si：0.28%，Mn：0.85%，P：0.005%，S：0.002%，Cr：2.0%，Mo：0.28%， Als：0.025%，V+ Ti：0.12%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

该260mm厚的适于调质态预硬化塑料模具钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料并依次进行KR铁水预处理、转炉冶炼、 LF 精炼、RH 真空脱气以获得纯净度较高的钢水，连铸前钢水中氢含量＜1.0ppm，钢水经直弧连铸机连铸出厚度为450mm的连铸板坯，连铸过程中保证低过热度、恒拉速操作，并且采用连铸轻压下技术，连铸坯低倍达到：中心偏析C类0.5级，中心疏松0.5级，无其他中心裂纹、角裂纹、三角区裂纹，连铸坯下线后热送轧钢分厂；将连铸坯加热至1280℃并保温3.5小时；出炉后经20MPa高压水除鳞，然后进行大压下轧制，开轧温度控制在1120℃，再结晶区轧制的前三道次压下量分别为45 mm、55 mm、55mm，前三道次总压下量≥150mm；轧后钢板在表面450℃时下线堆缓冷，缓冷时间96小时；缓冷结束后的钢板进台车炉加热，加热温度880±10℃，保温时间3.0min/mm，钢板出炉后吊至直立式板坯淬火机上淬火，开通池体内供气和补水装置，淬火速率控制在0.1～0.5℃/S，淬火池水温控制在40℃左右，淬火后钢板及时入台车炉做回火热处理，入炉后先在200℃温度下保温3小时，而后升温回火温度620±10℃，保温时间3.5min/mm；钢板出炉冷却后带温压平，带温温度200℃，随后空冷至室温即获得260mm厚钢板成品。

经由上述制造工艺制得的260mm厚的钢板外观板型良好，整板硬度均匀，表面和芯部硬度相差2HRC以内，综合性能优异，其主要性能详见表1。

实施例2

本实施例涉及的适于调质态预硬化塑料模具钢板的厚度为200mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.41%，Si：0.28%，Mn：0.85%，P：0.005%，S：0.003%，Cr：2.0%，Mo：0.24%， Als：0.025%，V+ Ti：0.10%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

该200mm厚的适于调质态预硬化塑料模具钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料并依次进行KR铁水预处理、转炉冶炼、 LF 精炼、RH 真空脱气以获得纯净度较高的钢水，连铸前钢水中氢含量＜1.0ppm，钢水经直弧连铸机连铸出厚度为450mm的连铸板坯，连铸过程中保证低过热度、恒拉速操作，并且采用连铸轻压下技术，连铸坯低倍达到：中心偏析C类0.5级，中心疏松0.5级，无其他中心裂纹、角裂纹、三角区裂纹，连铸坯下线后热送轧钢分厂；将连铸坯加热至1260℃并保温3.5小时；出炉后经20MPa高压水除鳞，然后进行大压下轧制，开轧温度控制在1150℃，再结晶区轧制，前三道次压下量40mm、55 mm、55mm，前三道次总压下量≥150mm；第二阶段轧制压下量100mm，终轧温度910℃，轧后钢板在表面400℃时下线堆缓冷，缓冷时间84小时；缓冷结束后的钢板进台车炉加热，加热温度880±10℃，保温时间3.0min/mm，钢板出炉后吊至直立式板坯淬火机淬火，开通池体内供气和补水装置，淬火速率控制在0.1～0.5℃/S，淬火池水温控制在40℃左右，淬火后钢板及时入台车炉做回火热处理，入炉后先在200℃保温2小时后升温至640±10℃，保温时间4.0min/mm；钢板出炉冷却后带温压平，带温温度200℃，随后空冷至室温即获得200mm厚钢板成品。

经由上述制造工艺制得的200mm厚的钢板外观板型良好，整板硬度均匀，表面和芯部硬度相差2HRC以内，综合性能优异，其主要性能详见表1。

实施例3

本实施例涉及的适于调质态预硬化塑料模具钢板的厚度为180mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.40%，Si：0.28%，Mn：0.85%，P：0.006%，S：0.003%，Cr：2.1%，Mo：0.22%， Als：0.025%，V+ Ti：0.08%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

该180mm厚的适于调质态预硬化塑料模具钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料并依次进行KR铁水预处理、转炉冶炼、 LF 精炼、RH 真空脱气以获得纯净度较高的钢水，连铸前钢水中氢含量＜1.0ppm，钢水经直弧连铸机连铸出厚度为450mm的连铸板坯，连铸过程中保证低过热度、恒拉速操作，连铸坯低倍达到：中心偏析C类0.5级，中心疏松0.5级，无其他中心裂纹、角裂纹、三角区裂纹，连铸坯下线后热送轧钢分厂；将连铸坯加热至1280℃并保温3小时；出炉后经20MPa高压水除鳞，然后进行大压下轧制，开轧温度控制在1180℃，再结晶区轧制，前三道次压下量45 mm、55 mm、55mm，前三道次总压下量≥150mm；第二阶段轧制压下115mm，轧后钢板在表面400℃时下线堆缓冷，缓冷时间80小时；缓冷结束后的钢板进台车炉加热，加热温度880±10℃，保温时间2.5min/mm，钢板出炉后吊至直立式板坯淬火机淬火，开通池体内供气和补水装置，淬火速率控制在0.1～0.5℃/S，淬火池水温控制在40℃左右，淬火后钢板及时入台车炉做回火热处理，入炉后先在200℃保温3小时后升温至640±10℃，保温时间4.0min/mm；钢板出炉冷却后带温压平，带温温度200℃，随后空冷至室温即获得180mm厚钢板成品。

经由上述制造工艺制得的180mm厚的钢板外观板型良好，整板硬度均匀，表面和芯部硬度差异小，综合性能优异，其主要性能详见表1。

表1各实施例所生产钢板的硬度及探伤情况

实施例	钢板厚度/mm	表面硬度（HRC）	芯部硬度（HRC）	探伤级别
					1	260	33.0	32.5	NB/T 47013.3 板材部分І 级
2	200	32.5	31.0	NB/T 47013.3 板材部分І 级
					3	180	32.0	31.0	NB/T 47013.3 板材部分І 级

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种100-260mm厚调质态预硬化塑料模具钢板，其特征在于：钢板的化学成分按质量百分比%为C：0.35～0.45，Si：0.20～0.50，Mn：0.60～1.00，Cr：1.00～2.50，Mo：0.20～0.50，V+Ti：0.04～0.15，Als：0.01～0.04，P≤0.015，S≤0.005，其余为Fe和不可避免的杂质，钢板性能均匀，整板硬度差≤2.0HRC，钢板经超声波检测达到NB/T 47013.3板材部分І级要求。

2.根据权利要求1所述100-260mm厚调质态预硬化塑料模具钢板，其特征在于：整板硬度差≤2.0HRC，钢板经超声波检测达到NB/T 47013.3板材部分 І 级要求，夹杂物总级别不大于2.5，钢板综合性能良好，钢板金相组织主要为回火索氏体和贝氏体。

3.一种制造权1或权2所述的100-260mm厚调质态预硬化塑料模具钢板的方法，其特征在于：步骤包括

（1）钢水经转炉冶炼，后经LF精炼和RH真空脱气，连铸前要求钢水中氢含量＜1.0ppm，钢水经直弧连铸机连铸出厚度为450mm的连铸板坯，连铸采用10～20℃的低过热度浇铸，稳定拉速，并且采用连铸轻压下技术，保证连铸坯内部质量，连铸坯低倍达到：中心偏析C类0.5级，中心疏松0.5级，无其他中心裂纹、角裂纹、三角区裂纹，连铸坯下线后热送轧钢分厂，严格控制入炉温度；

（2）采用步进炉加热连铸坯，采用分段加热方式：连铸坯均热段最高温度1280℃，加热时间在常规合金结构钢坯料工艺的基础上延长2小时，均热时间是控制在3～5小时，减缓合金元素偏析，避免后续相变过程中因合金元素偏析导致的组织差异；

（3）采用高温低速大压下轧制工艺，开轧温度控制在1100～1160℃，终轧温度≥900℃，大压下轧制的再结晶区轧制要求前三道次总压下量≥150mm；轧制过程中采用高压水除鳞，轧后钢板在表面400～500℃时下线堆缓冷，缓冷时间＞72小时，缓冷至室温，充分降低钢板中残留的H含量；

（4）轧后钢板进台车炉加热，加热温度880±10℃，保温时间2.0-3.0min/mm，钢板出炉后热吊至直立式板坯淬火机淬火，淬火速率控制在0.1～0.5℃/S，要求快速吊运钢板，保证入水温度，避免钢板降温过快；淬火过程中开通池内供气和补水装置，一方面打破入水钢板表面的蒸汽薄膜，达到快速冷却的目的，另一方面搅拌池内的淬火介质，达到均匀淬火的目的，开通补水装置保证淬火池温度≤45℃；

（5）淬火后钢板及时入台车炉做回火热处理，入炉后先在200℃保温2-4小时后升温，回火温度550～650℃，保温时间3.0-4.0min/mm；钢板出炉冷却后带温压平，带温温度≥200℃，保证钢板平直度≤5mm/m。