CN111172448B - 一种厚大断面高均质塑料模具钢制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及塑料模具钢制备领域，具体为一种厚大断面高均质塑料模具钢制备方法。利用成分均匀的坯料，采用超细化组织锻造及关键冷速控制热处理方法，实现厚大断面高均质塑料模具钢的制备。原始坯料采用高纯净低偏析的制备方法，获得厚度200～500mm铸坯，断面碳含量控制在0.05wt％以内；然后采用高纯净低偏析电渣重熔技术，控制电渣方锭断面碳含量在0.05wt％以内；采用超细化组织锻造及热处理方法、模块防裂及组织控制方法,实现组织均匀、硬度均匀的大型均质塑料模块。本发明方法涉及的钢种主要为DIN1.2738系列等，将为厚大断面塑料模具用钢提供原材料。

Description

一种厚大断面高均质塑料模具钢制备方法
技术领域
本发明涉及塑料模具钢制备领域，具体为一种厚大断面高均质塑料模具钢制备方法。
背景技术
塑料模具钢广泛应用在汽车、电视、冰箱、光学仪器等塑料制品制造中，随着汽车行业的快速发展，汽车用的塑料模具越来越大，而质量要求越来越高。当前，塑料模具钢常用主要生产坯料的方式有：①电炉-精炼-VD-模铸钢锭，然后再锻造制造模块；②电炉-精炼-VD-模铸电极坯-电渣重熔-电渣锭，然后再锻造制造模块，由于大型钢锭在冒口端存在严重正偏析，用上面两种方式制造模块，都存在成分偏析及利用率低问题。因此，成本高、硬度不均匀一致是大型模具钢制造过程中的一个难题，急需解决，替代进口。
发明内容
本发明的目的在于提供一种厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，解决现有技术大型模具钢制造过程中存在硬度不均匀一致等问题，实现替代进口。
本发明的技术方案是：
一种厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，原始坯料采用高纯净低偏析制备方法，获得厚度200～500mm铸坯，断面碳含量控制在0.05wt％以内；然后采用高纯净低偏析电渣重熔技术，控制电渣方锭断面碳含量在0.05wt％以内；采用超细化组织锻造及热处理方法、模块防裂及组织控制方法实现组织均匀、硬度均匀的大型均质塑料模块。
所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，该方法适合厚大断面DIN1.2738系列大型均质塑料模块的制备，模块吨位在15吨以上，硬度均匀性控制在4HRC范围内，满足厚度断面≥400mm塑料模具钢高均匀性要求，硬度均匀性控制在34～37HRC范围内。
所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，高纯净采用的冶炼工艺是电炉/转炉——LF精炼炉——RH/VD——连铸，其中：电炉/转炉的钢水出钢碳大于0.1wt％，精炼过程中采用高氧化铝渣系，氧化铝控制在20～35wt％，CaO/Al2O3质量比控制在1.8～2.5％，RH/VD处理时间大于25min；RH/VD后溶解氧控制在5ppm以下，铸坯氧含量控制在12ppm以下。
所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，电炉/转炉的钢水出钢碳控制在0.10～0.30wt％。电炉/转炉的钢水出钢碳最优控制在0.15～0.25wt％。
所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，电炉/转炉熔炼后的浇注环节大包与中间包连接采用全密闭多层保护，中间包采用氧化镁含量大于70wt％的打结料，中间包的包盖与中间包通过耐火材料密封，填料口采用氩气密封，保证防二次氧化。
所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，RH/VD后溶解氧控制在10ppm以下，铸坯氧含量控制在3～10ppm。RH/VD后溶解氧最优控制在3.5ppm以下，铸坯氧含量较稳定控制在6～8ppm。
所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，低偏析控制方面，中间包采用30℃以下浇注，连铸拉坯过程中采用轻压下技术，末端轻压点采用数值模拟技术准确控制。
所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，中间包采用的浇注温度控制钢水过热度在15～30℃范围，连铸工位板坯的宽/厚比控制在3～10。中间包采用的浇注温度最优控制钢水过热度在20～25℃范围，连铸工位板坯的宽/厚比最优控制在5.5～7。
所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，高纯净低偏析电渣重熔技术，采用MgO、CaO、Al2O3、CaF2多组元渣系，过程还分批添加CaSi-Al-CaC复合脱氧剂，并实现气密保护，微正压控制；电渣结晶器横截面的宽/厚比控制在1.8～2.5，保证具有凝固浅熔池，控制电渣方锭断面碳含量在0.05wt％以内。
所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，采用超细化组织锻造及热处理方法、模块防裂及组织控制方法实现组织均匀、硬度均匀的大型均质塑料模块；其中，锻造采用三向交叉大变形处理，保证铸态组织充分锻碎，并在最后一火采用1200℃以下锻造温度，通过采用正火及淬火处理，达到组织超细化控制，晶粒度达到7级以上；为了保证模块组织、硬度均匀，采用800℃以下低温快速淬火工艺，应用计算机数值模拟技术，根据材料CCT曲线中合理组织冷却曲线需要，在淬火操作过程中，采用水控交替方式将组织控制在马氏体与贝氏体两相组织，保证组织在整个断面均匀，硬度均匀性控制在4HRC范围以内，并控制应力避免材料开裂。
本发明的设计原理是：
利用成分均匀的坯料，采用超细化组织锻造及关键冷速控制热处理方法，实现厚大断面高均质塑料模具钢的制备。原始坯料采用高纯净低偏析的制备方法，获得厚度200～500mm铸坯，断面碳含量控制在0.05wt％以内；然后采用高纯净低偏析电渣重熔技术，控制电渣方锭断面碳含量在0.05wt％以内；采用超细化组织锻造及热处理方法、模块防裂及组织控制方法,实现组织均匀、硬度均匀的大型均质塑料模块。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明通过对塑料模具钢纯净度控制，能够将铸坯中的氧含量稳定控制在6～8ppm，与国外先进控氧水平相当，保证最终模块的纯净度。
2、本发明的通过成分均匀控制，再加锻造及热处理控制，实现模块组织的均匀控制，能够很好将模块硬度均匀性控制在4HRC以内，满足国内400mm以上厚大断面高均质塑料模具钢的需求。
3、本发明集成纯净度、成分偏析、锻造、热处理等方面的系统控制，并应用先进数值模拟计算进行工艺指导，工艺具有先进性，产品可以替代进口。
4、本发明方法涉及的钢种主要为DIN1.2738系列等，将为厚大断面塑料模具用钢提供原材料。
附图说明
图1为铸坯断面低倍金相图。
具体实施方式
下面，通过实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例为20吨塑料模具钢制备过程，模块厚大部位的厚度为500mm，塑料模具钢材料成分如下：
元素 含量(wt％)
C 0.37
Si 0.32
Mn 1.35
P 0.012
S 0.005
Ni 0.90
Cr 1.9
Mo 0.3
Al 0.02
Fe 余量
制备流程采用如下步骤：
①铸坯生产工艺为：转炉熔炼——LF精炼炉进行钢包精炼——RH(真空循环脱气)——连铸，坯厚在250mm。
铸坯冶炼控制：转炉钢水出钢碳含量0.15wt％，精炼过程中采用高氧化铝渣系，氧化铝控制在25wt％，CaO/Al2O3质量比控制在1.9％，RH真空循环脱气中进行稀土变质处理，RH真空循环脱气处理时间30min。浇注环节大包与中间包连接采用全密闭多层保护，中间包采用氧化镁含量为75wt％的打结料，中间包的包盖与中间包通过耐火材料密封，填料口采用氩气密封，保证防二次氧化。RH真空循环脱气后溶解氧3ppm，铸坯取样氧含量为8ppm。
铸坯偏析控制方面：中间包钢水采用过热度25℃浇注，连铸拉坯过程中采用轻压下技术，末端轻压点采用数值模拟技术准确控制，连铸工位板坯的宽/厚比最优控制在5.8。
为了减轻中心偏析，在产生中心偏析段(铸坯凝固末段)应用轻压下技术，即在快要完全凝固区域，对铸坯进行≤6mm轻微地压下，以减轻中心偏析。
②如图1所示，对铸坯整个断面进行低倍及成分检测。结果显示无点状偏析，对整个断面进行成分检测，碳成分范围0.36～0.38wt％，具有低偏析特点。
③以高纯净低偏析连铸坯为电极，采用MgO、CaO、Al2O3、CaF2多组元渣系，其中：MgO所占质量分数范围为3～15％，CaF2所占质量分数范围为30～50％，Al2O3所占质量分数范围为15～40％，CaO所占质量分数范围为3～20％。过程还分批添加CaSi-Al-CaC复合脱氧剂(CaSi：Al：CaC质量比例＝5：3：2)，并实现气密保护，采用微正压重熔操作。电渣结晶器横截面的宽/厚比控制在2.0，保证具有凝固浅熔池，电渣方锭上、下横断面碳含量波动在0.03wt％范围内，氧含量在12ppm以下。
④采用超细化组织锻造及热处理方法：其中，锻造采用三向交叉大变形处理，保证铸态组织充分锻碎，并在最后一火采用1200℃以下锻造温度，通过采用正火及淬火处理，达到组织超细化控制，晶粒度达到7.5级。
⑤应用模块防裂及组织控制方法，采用800℃进行低温快速淬火操作，应用计算机数值模拟技术，根据材料CCT曲线中合理组织冷却曲线需要，在淬火操作过程中，采用水控交替方式将组织控制在马氏体与贝氏体两相组织，保证组织在整个断面均匀，整个热处理过程模块应力得到控制，防止模块开裂。
⑥对模块上下表面进行硬度检测，硬度在36±1HRC。实施结果表明，不存在成分偏析及工艺设备利用率低问题。
实施例2
本实施例为25吨塑料模具钢制备过程，模块厚大部位的厚度为650mm，塑料模具钢材料成分如下：
Figure BDA0001862486230000041
Figure BDA0001862486230000051
制备流程采用如下步骤：
①铸坯生产工艺为：电炉熔炼——LF精炼炉进行钢包精炼——VD(真空脱气)——连铸，坯厚在300mm。
铸坯冶炼控制：电炉钢水出钢碳0.25wt％，精炼过程中采用高氧化铝渣系，氧化铝控制在30wt％，CaO/Al2O3质量比控制在2.3％，VD真空脱气前进行Ca变质处理，VD真空脱气处理时间40min。浇注环节大包与中间包连接采用全密闭多层保护，中间包采用氧化镁含量为80wt％的打结料，中间包的包盖与中间包通过耐火材料密封，填料口采用氩气密封，保证防二次氧化。VD真空脱气后溶解氧4ppm，铸坯取样氧含量为10ppm。
铸坯偏析控制方面：中间包钢水采用过热度23℃浇注，连铸拉坯过程中采用轻压下技术，末端轻压点采用数值模拟技术准确控制，连铸板坯的宽/厚比最优控制在6.7。
为了减轻中心偏析，在产生中心偏析段(铸坯凝固末段)应用轻压下技术，即在快要完全凝固处，对铸坯进行≤6mm轻微地压下，以减轻中心偏析。
②对铸坯整个断面进行低倍及成分检测，结果显示无点状偏析，对整个断面进行成分检测，碳成分范围0.35～0.38wt％，具有低偏析特点。
③以高纯净低偏析连铸坯为电极，采用MgO、CaO、Al2O3、CaF2多组元渣系，其中：MgO所占质量分数范围为3～15％，CaF2所占质量分数范围为30～50％，Al2O3所占质量分数范围为15～40％，CaO所占质量分数范围为3～20％。过程还分批添加CaSi-Al-CaC复合脱氧剂(CaSi：Al：CaC质量比例＝5：3：2)，并实现气密保护，采用微正压重熔操作。电渣结晶器横截面的宽/厚比控制在2.3，保证具有凝固浅熔池，电渣方锭上、下横断面碳含量波动在0.05wt％范围内，氧含量在15ppm以下。
④采用超细化组织锻造及热处理方法：其中，锻造采用三向交叉大变形处理，保证铸态组织充分锻碎，并在最后一火采用1200℃以下锻造温度，通过采用正火及淬火处理，达到组织超细化控制，晶粒度达到7.5级。
⑤应用模块防裂及组织控制方法，采用800℃进行低温快速淬火操作，应用计算机数值模拟技术，根据材料CCT曲线中合理组织冷却曲线需要，在淬火操作过程中，采用水控交替方式将组织控制在马氏体与贝氏体两相组织，保证组织在整个断面均匀，整个热处理过程模块应力得到控制，防止模块开裂。
⑥对模块上下表面进行硬度检测，硬度在34～37HRC。实施结果表明，不存在成分偏析及工艺设备利用率低问题。

Claims (5)

1.一种厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，其特征在于，原始坯料采用高纯净低偏析制备方法，获得厚度200~500mm铸坯，断面碳含量控制在0.05wt%以内；然后采用高纯净低偏析电渣重熔技术，控制电渣方锭断面碳含量在0.05wt%以内；采用超细化组织锻造及热处理方法、模块防裂及组织控制方法实现组织均匀、硬度均匀的大型均质塑料模块；
高纯净采用的冶炼工艺是电炉/转炉——LF精炼炉——RH/VD——连铸，其中：电炉/转炉的钢水出钢碳大于0.1wt%，精炼过程中采用高氧化铝渣系，氧化铝控制在20~35wt%，CaO/Al2O3质量比控制在1.8~2.5%，RH/VD处理时间大于25min；RH/VD后溶解氧控制在5ppm以下，铸坯氧含量控制在12ppm以下；
低偏析控制方面，中间包采用的浇注温度控制钢水过热度在20~25℃范围，连铸工位板坯的宽/厚比控制在5.5~7，连铸拉坯过程中采用轻压下技术，末端轻压点采用数值模拟技术准确控制；
高纯净低偏析电渣重熔技术，采用MgO、CaO、Al2O3、CaF2多组元渣系，过程还分批添加CaSi-Al-CaC复合脱氧剂，并实现气密保护，微正压控制；电渣结晶器横截面的宽/厚比控制在1.8~2.5，保证具有凝固浅熔池，控制电渣方锭断面碳含量在0.05wt%以内；
采用超细化组织锻造及热处理方法、模块防裂及组织控制方法实现组织均匀、硬度均匀的大型均质塑料模块；其中，锻造采用三向交叉大变形处理，保证铸态组织充分锻碎，并在最后一火采用1200℃以下锻造温度，通过采用正火及淬火处理，达到组织超细化控制，晶粒度达到7级以上；为了保证模块组织、硬度均匀，采用800℃以下低温快速淬火工艺，应用计算机数值模拟技术，根据材料CCT曲线中合理组织冷却曲线需要，在淬火操作过程中，采用水控交替方式将组织控制在马氏体与贝氏体两相组织，保证组织在整个断面均匀，硬度均匀性控制在4HRC范围以内，并控制应力避免材料开裂。
2.根据权利要求1所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，其特征在于，该方法适合厚大断面DIN1.2738系列大型均质塑料模块的制备，模块吨位在15吨以上，硬度均匀性控制在4HRC范围内，满足厚度断面≥400mm塑料模具钢高均匀性要求，硬度值控制在34~37HRC范围内。
3.根据权利要求1所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，其特征在于，电炉/转炉的钢水出钢碳控制在0.10~0.30wt%。
4.根据权利要求1所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，其特征在于，电炉/转炉熔炼后的浇注环节大包与中间包连接采用全密闭多层保护，中间包采用氧化镁含量大于70wt%的打结料，中间包的包盖与中间包通过耐火材料密封，填料口采用氩气密封，保证防二次氧化。
5.根据权利要求1所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，其特征在于，RH/VD后溶解氧控制在10ppm以下，铸坯氧含量控制在3~10ppm。
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