CN110284058B

CN110284058B - 一种高硬度碳素模架用钢

Info

Publication number: CN110284058B
Application number: CN201910532434.9A
Authority: CN
Inventors: 吴扬; 何广霞; 许晓红; 苗丕峰; 黄军; 葛恒贵
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2039-06-19
Also published as: CN110284058A

Abstract

本发明涉及一种高硬度碳素模架用钢，化学成分按质量百分比计为C：0.42～0.51％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.50～0.80％，S：≤0.025％，P：≤0.025％，Cr：0.30～0.40％，Al：0.02～0.05％，余量为Fe。该钢的钢板生产工艺中首先将钢坯加热至全部奥氏体化并充分保温，出炉后采用差温轧制工艺，分粗轧和精轧，粗轧轧制前先在钢板表面喷水冷却钢板表面，使钢板表面迅速硬化；粗轧时采用低速大压下工艺轧制；精轧的待温厚度1.6‑2.5h，轧制结束前增加2～3平整道次；轧制结束后高温下线空冷至室温。通过添加少量的Cr抑制多边形铁素体，提高了钢材的强度和硬度。

Description

一种高硬度碳素模架用钢

技术领域

本发明涉及合金特钢及其冶炼方法，尤其涉及一种模具钢。

背景技术

模具是工业产品生产的基础工艺装备，广泛应用于家用电器、电子及汽车等各类行业。模具各部分用的钢材各有不同，模具中重要的标准件塑料模架一般采用45钢制造，45钢有一定的塑性、耐磨性，材料来源方便，应用范围广，但是45钢生产的模架硬度偏低，性能波动较大，耐用性较差，而且现在模具用钢规格越来越厚，市场上性能要求高的碳素钢板厚度一般都在150mm以下，不能满足客户要求。专利号为CN1076760C的专利公开了一种塑料模具模架钢及其制造方法，该钢通过增加2.1％以上的Mn元素，以及添加0.12％V合金化来提高模具钢板的硬度和强度，但该钢板是钢锭成材成材率低，而且合金成本较高，性价比低。专利CN108425067A发明了一种大厚度优质碳素模具钢板及其生产方法，该发明硬度高，冲击好，但是最大厚度只有150mm，且最高探伤级别只能合NB/T47013.3-2015Ⅲ级。

综上，能够生产出一种综合力学性能优良，厚度范围大，且成本较低的优质模架用钢是本领域技术人员迫切需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种优质碳素模架用钢，对现有45钢的合金成分进行改良，尤其添加强度有益元素Cr，在工艺上利用连铸时的轻压下技术，再利用差温轧制及大压下轧制工艺细化钢板晶粒，最终获得一种整体致密度高、组织均匀、硬度分布均匀的优质碳素模架用钢。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高硬度碳素模架用钢，钢板屈服强度320～480MPa，抗拉强度620～770MPa，表面布氏硬度200～230HBW，钢板探伤级别能满足NB/T47013.3-2015I级。化学成分按质量百分比计为C：0.42～0.51％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.50～0.80％，S：≤0.025％，P：≤0.025％，Cr：0.30～0.40％，Al：0.02～0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本申请的化学成分是在45钢的基础上改进获得，各元素及含量的设置依据如下

C：碳在钢中起固溶强化和析出强化作用，是提高钢材硬度和强度最强力和最经济的元素。但是碳含量过高会降低钢板的延展性和韧性，不利于钢板的后续加工及使用，本发明控制碳的含量在0.42～0.51％，属于中碳钢范畴。

Si：硅不仅是炼钢强脱氧元素，而且具有固溶强化作用，可提高材料的基体强度，本发明的Si含量范围确定为0.17～0.37％。

Mn：锰是脱氧元素，通过固溶强化提高钢材的强度，Mn同时可以与钢中S形成MnS，减少热脆倾向；但Mn在钢中容易形成中心偏析，不利于钢板性能均匀性，而且Mn元素过高还能促进晶粒长大，所以要控制模具钢中Mn含量，本发明控制锰的范围在0.50-0.80％。

Cr：铬能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进贝氏体或马氏体的转变，能显著提高钢材强度、硬度和耐磨性，但铬作为合金元素大量添加会增加钢板成本。本申请中添加的铬含量范围在0.30～0.40％。

Al：铝是炼钢过程中重要的脱氧元素，可以与钢水中的N元素形成AlN，防止奥氏体晶粒粗大，起到细化晶粒的作用。本发明中铝含量控制在0.02～0.05％。

P、S：钢水中的P、S在引凝固时容易产生偏析，P会增加钢材的冷脆性，S使钢产生热脆性。本发明P、S含量的范围确定为≤0.025％。

此外，本申请高硬度优质碳素模架用钢的制造流程为：转炉冶炼→钢包精炼→真空处理→钢坯→钢坯加热→轧制→钢板缓冷→探伤→精整→性能检测→入库。若以370mm-450mm以上厚度的连铸坯作为钢坯，能够轧制成10-200mm厚的本发明的钢板

(1)铁水经过脱硫预处理，并采用优质的原辅材料，降低钢水中的有害元素，真空脱气处理至少30分钟，并在破真空后软吹氩15min以上，降低钢水的H、N气体含量，使钢中非金属夹杂物充分上浮。

(2)以连铸坯作为钢坯时，连铸过程中采用大包下渣检测、全程无氧化(氩气)保护浇注，来减少钢中的夹杂物数量，并且中间包选用优质耐材减少外来夹杂对钢水的污染。

(3)连铸过程中浇注过热度不超过35℃，连铸过程中配合动态轻压下技术改善铸坯中心偏析和中心疏松，提高铸坯内部质量。

(4)钢包精炼过程中采用喂Al线操作，保证钢中酸溶铝含量稳定变化。

(5)将钢坯加热至全部奥氏体化，通过高温让C、Cr等元素充分且均匀的溶于奥氏体相中，改善铸坯中心偏析，为后续钢板组织细化和均匀工艺做准备。

(6)出炉后采用差温轧制工艺，轧制分粗轧和精轧，粗轧轧制前先在钢板表面喷水冷却钢板表面，使钢板表面迅速硬化，保证轧制力渗透到钢板芯部；粗轧时采用低速大压下工艺轧制，后三道次压下量≥45mm，总压下率为50～70％，通过轧制破碎粗大的奥氏体晶粒，结合Cr元素有效地抑制多边形铁素体的形成，更好的实现组织细化和均匀性。

精轧开轧温度在840-940℃，待温厚度1.6-2.5h，轧制结束前增加2～3平整道次，保证钢板良好的板形。

(7)轧制结束后高温下线对缓冷至室温，不通过水冷快速冷却，通过时效处理释放钢板内部应力，保证轧后钢板的表面硬度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

通过添加少量的Cr元素有效地抑制多边形铁素体的形成，更好的实现组织细化和均匀性，不仅提高了钢材的强度和硬度，而且成本经济，性价比高。

工艺方面，可采用连铸坯作为钢坯轧制10-200mm厚成品钢板，成材率高，生产周期短。采用的差温轧制和大压下轧制工艺所生产的钢板力学性能良好，提高了心部的变形率，硬度分布均匀，钢板内部质量更高，心部更为致密，弥合了缺陷，使产品探伤级别满足NB/T47013.3-2015I级，提高了市场竞争力，可满足高标准用户的生产需求。

附图说明

图1为本发明钢板的金相组织图；

图2为本发明实施例1和2的全厚度方向上的硬度分布图。

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。

两个实施例对应的碳素模架用钢板的化学成分满足：C：0.42～0.51％，Si：0.17～0.37％，Mn：0.50～0.80％，S：≤0.025％，P：≤0.025％，Cr：0.30～0.40％，Al：0.02～0.05％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

具体两个实施例和对比例的化学成分见表1。

表1实施例和对比例化学成分(wt％)

编号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Al
								实施例1	0.45	0.24	0.74	0.010	0.002	0.33	0.029
实施例2	0.44	0.24	0.76	0.011	0.002	0.34	0.028
								对比例	0.45	0.27	0.75	0.014	0.003	0.03	0.03

实施例和对比例均采用连铸坯作为钢坯，钢板的制造流程：转炉冶炼→钢包精炼→真空脱气处理→连铸→铸坯加热→轧制→钢板缓冷→探伤→精整→性能检测→入库。

铁水脱硫预处理，和优选的废钢一起进行转炉冶炼；钢包精炼采用专用的精炼渣，充分地去除钢水中的有害元素，并进行喂线操作，保证钢中酸溶铝Als含量；真空脱气处理30分钟，极限真空保持20min，破空后软吹氩15min，降低钢水的H、N元素含量，并使钢中非金属夹杂物充分上浮，消除夹杂物。连铸过程中采用大包下渣检测、氩气保护浇注等手段来减少钢中的夹杂物数量，中间包选用优质耐材减少外来夹杂对钢水的污染。连铸过程中设置浇注过热度15℃～35℃，并匹配合适的拉速及二冷水量，连铸过程中采用动态轻压下技术，轻压下10mm，最终成坯厚度为450mm左右。

将450mm厚铸坯加热到1140～1260℃，并保温4小时以上。铸坯出炉进行粗轧，粗轧采用差温轧制和大压下轧制，差温轧制是采用高压水对钢坯表面冲洗，除了有除鳞作用，进一步将钢板表面温度迅速降低，一般控制高压水冲洗后钢坯表面要降温160℃以上，使表面形成硬化层，后三道次压下量≥45mm，粗轧累计压下率65％；粗轧后钢板在840～940℃温度开始精轧，精轧后3道次对钢板进行平整，保证钢板良好的板形。最终轧制钢板厚度为200mm，若要生产更薄的钢板，粗轧和精轧的压下率可分别提高，打压下率更有利于钢板的致密度和组织均匀性。

轧后钢板及时下线空冷(堆冷)至室温，不水冷，通过时效处理释放钢板内部应力，保证轧后钢板的表面硬度。

作为对比，对比例在粗轧轧制前未进行表面高压水冲淋。

钢板冷至室温后进行表面清理及超声波探伤，两实施例的探伤标准满足NB/T47013.3-2015I级，而对比例不满足，对实施例和对比例进行取样检验，结果见表2。

表2实施例和对比例钢板性能检测结果

编号	R<sub>el</sub>(或R<sub>P0.2</sub>)(MPa)	R<sub>m</sub>(MPa)	A(％)	硬度(HBW)	钢板厚度/mm
						实施例1	347	664	21	220	150
实施例2	331	658	21.5	215	200
						对比例	318	605	22	179	150

另外，再对两实施例的钢板全厚度硬度(HBW)进行检测，结果参见图2。

从上述性能检测结果可知，两实施例屈服强度、抗拉强度均显著提高，断后伸长率并无明显下降，仍然满足作为模架钢的要求。两实施例硬度比对比例硬度提高30HBW以上；三个试样检测组织组成都是铁素体+珠光体，但是从图1和图2所示的金相组织图及全厚度硬度检测结果可以看出其晶粒细小，组织均匀，硬度随厚度的波动范围较小，证明了两实施例的组织都更为均匀、致密。

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

1.一种高硬度碳素模架用钢，其特征在于：化学成分按质量百分比计为C：0.42～0.51%，Si：0.17～0.37%，Mn：0.50～0.80%，S：≤0.025%，P：≤0.025%，Cr：0.30～0.40%，Al：0.02～0.05%，余量为Fe及不可避免的杂质元素；以连铸坯或铸造坯作为钢坯，将钢坯加热至全部奥氏体化，并保温，出炉后采用差温轧制工艺，轧制分粗轧和精轧，粗轧轧制前先在钢板表面喷水冷却钢板表面，使钢板表面迅速硬化；粗轧时采用低速大压下工艺轧制，后三道次压下量≥45mm，总压下率为50～70%；精轧开轧温度在840-940℃，轧制结束前增加2～3平整道次；轧制结束后高温下线堆缓冷至室温，对于370mm-450mm以上厚度的连铸坯，轧制成10-200mm厚的所述碳素模架用钢板。

2.根据权利要求1所述的高硬度碳素模架用钢，其特征在于：钢板屈服强度320～480MPa，抗拉强度620～770MPa，表面布氏硬度200～230HBW，钢板探伤级别能满足NB/T47013.3-2015 I级。

3.根据权利要求1所述的高硬度碳素模架用钢，其特征在于：轧制前对钢坯易偏析元素进行高温扩散，设置加热温度为1140～1260℃，保温时间≥4h。

4.根据权利要求1所述的高硬度碳素模架用钢，其特征在于：钢坯所用的钢水冶炼包括转炉冶炼、钢包精炼、真空脱气处理，其中真空脱气处理至少30分钟，并在破真空后软吹氩15min以上，降低钢水的H、N气体含量，使钢中非金属夹杂物充分上浮。

5.根据权利要求1所述的高硬度碳素模架用钢，其特征在于：所述连铸坯的连铸过程中采用大包下渣检测、全程无氧化保护浇注，连铸过程中浇注过热度不超过35℃，连铸过程中配合动态轻压下技术改善铸坯中心偏析和中心疏松。

6.根据权利要求4所述的高硬度碳素模架用钢，其特征在于：钢包精炼过程中采用喂Al线操作，保证钢中酸溶铝含量稳定变化。