CN111321337A - 一种预硬化镜面模具钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种预硬化镜面模具钢板，元素组成为C：0.28～0.36％，Si：0.50～0.80％，Mn：1.20～1.50％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：1.30～1.80％，Mo：0.30～0.50％，Ni：0.65～0.90％，V：0.15～0.30％，H≤1.5ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。采用连铸坯经轧制和下线缓冷及正火和回火热处理等工序的制造方法，获得一款高淬透性预硬化镜面模具钢板，其优点在于连铸生产效率高，制造成本低，厚度为20‑180mm的所述钢板非调质态硬度达到38‑42HRC，全厚度硬度波动≤2HRC，探伤级别满足GB/T2970 Ⅰ级要求。

Description

一种预硬化镜面模具钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于铁基合金技术领域，具体涉及一种预硬化模具钢的制造。
背景技术
制造型企业朝着自动化升级，产品制造逐渐由依赖人工密集型劳动转向依赖工业设备生产，提高制造的自动化水平。生产设备的大型化和自动化，推动了我国塑料模具制造业向大模块、高均匀性及高镜面发展。这就要求塑料模具钢具有更厚的规格，更高的淬透性和更均匀的性能，主要表现为厚度规格更大，硬度更高更均匀，致密度要求更高。同时制造厂为保证良好的市场竞争力，要求模具钢生产周期短，成本低，性价比高。
现在广泛使用的预硬化模具钢有3Cr2Mo、3Cr2MnNiMo，其硬度范围在28-36HRC，已不能满足镜面模具高尺寸精度和高抛光性能需求。为获得更好的抛光效果，模具钢预硬化硬度要求38-42HRC。该类钢板主要是日本大同的NAK80预硬型钢，但是该钢合金含量高，多采用钢锭+锻造+调质工艺生产，生产周期长，成本高，价格昂贵。近些年，国内一些钢厂在3Cr2Mo的基础上添加Cr、Mo、V及微合金元素来获得质量更高的塑料模具钢。
公开号CN102650021A的发明专利在3Cr2Mo的基础上增加了Mn，加入微合金元素Nb获得了一种高淬透性贝氏体预硬型模具钢，其硬度为30.6-33.6HRC，不属于高硬度的模具钢，而且采用钢锭+锻造的制造工艺，成材率低，生产周期长，生产成本高。
公开号CN109136736A的发明专利公开了一种含钒塑料模具钢板，该钢板采用连铸轧制成材，制备流程短，工艺简单，与钢锭+锻造的工艺相比，生产成本较低，但是所涉及的钢板厚度为15-80mm，硬度为280-330HBW(相当于29-35HRC)，硬度仍然没有更高的突破。
公开号CN107699801A的发明专利生产的含V塑料模具钢晶粒细化，硬度均匀，但是该钢板生产须进行高温锻造，调质处理及二次回火，生产周期长，工艺较复杂，复杂的热处理也显著提高了生产成本，且该发明钢板芯部硬度也只能满足高于30HRC，而无法满足更高。
公开号CN107974636A和CN109706397A的发明专利文献公开的高硬度塑料模具钢淬透性好，硬度高，但是均采用感应炉、电渣重熔冶炼、浇铸钢锭，锻造成材，生产周期长，生产成本高。
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预硬化镜面模具钢板，其不仅硬度高，而且沿钢板厚度方向钢板硬度均匀性好，硬度随厚度的曲线波动≤2HRC，钢板探伤级别满足GB/T2970Ⅰ级要求。
本发明的预硬化镜面模具钢板，是在3Cr2Mo的基础上，降低易偏析元素碳、Cr的含量，提高钢板硬度均匀性，增加相对便宜的Si、Mn的含量及添加适量的合金元素，细化晶粒，增加钢板淬透性，提高钢材强度和硬度，获得一种综合性能优异、性价比高的预硬化镜面模具钢。具体化学成分为C：0.28～0.36％，Si：0.50～0.80％，Mn：1.20～1.50％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：1.30～1.80％，Mo：0.30～0.50％，Ni：0.65～0.90％，V：0.15～0.30％，H≤1.5ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。以下是对本发明钢板中主要添加元素的作用及比例分析说明：
Si：Si元素在钢中脱氧和固溶强化作用，固溶于奥氏体中能够抑制珠光体的形成，促进贝氏体/马氏体相变，提高钢板硬度。本发明Si含量控制在0.50～0.80％。
Mn：Mn元素可以延迟高温铁素体相变得发生，以提高钢材强度和淬透性。本发明Mn含量控制在1.20～1.50％。
Cr：Cr在塑料模具钢中起固溶强化作用，提高钢材强度和硬度。但是Cr过高易产生偏析，因此本发明Cr含量控制在1.30～1.80％。
Mo：钼在钢种形成碳化物，可以提高钢板淬透性以及二次硬化作用。钼还可以增加钢材的回火抗力，与铬和锰元素复合使用，可以降低其导致的回火脆性。本发明Mo含量控制在0.30～0.50％。
Ni：镍是钢中的强化元素，可以提高钢强度和淬透性，同时对钢韧性损害较小。但镍元素成本高，适量添加0.65～0.90％。
V：钒与碳、氮有极强亲和力，与之形成相应的碳、氮化物，弥散分布，细化组织，降低钢的过热敏感性，增加回火稳定性。本发明V含量控制在0.15～0.30％。
上述合金元素的效果在于：通过Cr、Mo、Ni等合金元素提高钢板淬透性及钢板强度，保证大厚度钢板芯部硬度，提高钢板回火稳定性，扩大钢板回火工艺窗口；钒与钢板中的碳形成碳化物，阻止晶粒长大，结合轧制工艺细化晶粒，提高钢板性能均匀性；Si、Mn等元素扩大钢板贝氏体形成区间，从而在轧后获得相对稳定的贝氏体组织，以期在本发明设计的正火工艺下能够达到调质态硬度区间，使钢板通体获得更高、更均匀的硬度值。
与上述元素设计所对应的钢板制造方法，包括如下步骤：
(1)钢水冶炼：铁水经预处理及氧气转炉冶炼，随后进行钢包炉精炼和真空脱气处理；
(2)连铸：钢水连铸成厚370-450mm×宽1600-2600mm的连铸坯；
(3)轧制：将连铸坯加热到1150℃-1250℃，在炉时间为铸坯板厚cm×7～14min/cm，在初轧阶段，采用高温开轧，控制开轧温度不低于1020℃，单道次压下量为40-55mm，最大压下率≥18％，使轧制力渗透到板坯芯部，为再结晶区轧制；第二阶段为精轧，不进行控轧，将80-200mm厚的初轧钢板进行目标厚度轧制及板型精整，轧成20-180mm厚的目标钢板厚度，轧后下线堆缓冷至室温；
(4)热处理：包括正火和回火两步，将堆冷后的钢板加热到870-910℃，保温时间2-2.5min/mm，出炉后空冷至室温，使钢板贝氏体转变充分；正火后的钢板根据不同钢板厚度安排回火：20-100mm厚钢板回火温度590-620℃，大于100mm厚钢板回火温度580-610℃，保温时间为板厚mm×3-4min/mm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的模具钢板硬度高，淬透性好(表现为钢板在厚度方向硬度均匀，波动小)，内部组织致密，探伤级别满足GB/T2970Ⅰ级要求。而且连铸成材厚度规格达到180mm，工艺可操作性高，生产效率高，合金元素和生产成本均较为经济。
附图说明
图1为本发明各实施例全厚度硬度的波动曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，下面描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例的化学成分按质量百分比计为：C：0.33％，Si：0.60％，Mn：1.40％，P：0.010％，S：0.001％，Cr：1.59％，Mo：0.39％，Ni：0.78％，V：0.21％，H≤0.8ppm，余量为Fe及不可避免的杂质元素。具体生产过程如下：
(1)铁水经预处理及氧气转炉冶炼后，采用专用的精炼渣进行钢包炉精炼，有效处理钢水中S等有害元素，利用精炼渣尽可能的吸附去除S元素。然后进行30min真空脱气处理，且软吹氩20min，将钢水中H的含量降低至0.8ppm，钢包上连铸台前表面覆盖碳化稻壳保温，防钢液裸露二次氧化。
(2)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控制在10-25℃，采用动态轻压下技术改善铸坯中心偏析和中心疏松。最终连铸成厚370mm×宽2200mm的连铸坯。连铸坯低倍中心偏析C0.5，中心疏松0.5，无其它缺陷。
(3)将冷却后的连铸坯加热到1240℃，铸坯板在炉时间为8小时。初轧阶段开轧温度1032℃，道次压下量在常规模型上增加10mm，40mm以上，最大到达55mm，最大压下率达到20％，初轧为再结晶区轧制，轧制变形直达钢板芯部，轧成80mm厚的中间坯。第二阶段轧制为板型板厚精整轧制，不控轧，自由轧制，将中间坯轧制成28mm厚钢板。轧后钢板高温下线堆缓冷至室温。
(4)将堆冷后的钢板在连续炉按照880℃，保温时间2min/mm正火，出炉后空冷至室温。正火后的钢板按照620℃，90min在炉时间进行回火。回火结束后钢板进行探伤，探伤级别满足GB/T2970Ⅰ级要求。硬度检测结果见表1。
实施例2
本实施例的化学成分按质量百分比计为：C：0.35％，Si：0.60％，Mn：1.41％，P：0.011％，S：0.002％，Cr：1.60％，Mo：0.40％，Ni：0.78％，V：0.21％，H≤0.8ppm，余量为Fe及不可避免的杂质元素。具体生产过程如下：
(1)铁水经预处理及氧气转炉冶炼后，采用专用的精炼渣进行钢包炉精炼，有效处理钢水中S等有害元素。然后进行35min真空处理，且软吹氩20min，将钢水中H的含量降低至0.6ppm，钢包上连铸台前表面覆盖碳化稻壳保温，防钢液裸露二次氧化。
(2)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控制在15-25℃，采用动态轻压下技术改善铸坯中心偏析和中心疏松。最终连铸成厚450mm×宽2100mm的连铸坯。连铸坯低倍中心偏析C0.5，中心疏松0.5，无其它缺陷。
(3)将冷却后的连铸坯加热到1250℃，在炉时间为铸坯板9.5小时。初轧阶段开轧温度1030℃，道次压下量在常规模型上增加12mm，最大到达52mm最大压下率达到20％。第二阶段轧制为板型板厚精整轧制，不控轧，开轧厚度180mm，最终轧制成160mm厚钢板。轧后钢板高温下线堆缓冷至室温。轧后钢板组织为贝氏体。
(4)将堆冷后的钢板在连续炉按照890℃，保温时间2.5min/mm正火，出炉后空冷至室温。正火后的钢板按照610℃，488min在炉时间进行回火。回火结束后钢板进行探伤，探伤级别满足GB/T2970Ⅰ级要求。硬度检测结果见表1。
实施例3
本实施例的化学成分按质量百分比计为：C：0.34％，Si：0.61％，Mn：1.42％，P：0.012％，S：0.002％，Cr：1.62％，Mo：0.40％，Ni：0.79％，V：0.22％，H≤0.8ppm，余量为Fe及不可避免的杂质元素。具体生产过程如下：
(1)铁水经预处理及氧气转炉冶炼后，采用专用的精炼渣进行钢包炉精炼，有效处理钢水中S等有害元素。然后进行33min真空处理，且软吹氩20min，将钢水中H的含量降低至0.8ppm，钢包上连铸台前表面覆盖碳化稻壳保温，防钢液裸露二次氧化。
(2)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控制在10-25℃，采用动态轻压下技术改善铸坯中心偏析和中心疏松。最终连铸成厚450mm×宽2100mm的连铸坯。连铸坯低倍中心偏析C0.5，中心疏松0.5，无其它缺陷。
(3)将冷却后的连铸坯加热到1240℃，在炉时间为铸坯板8小时。初轧阶段开轧温度1035℃，道次压下量在常规模型上增加13mm，最大到达50mm最大压下率达到17％。第二阶段为不控制轧制，板型板厚精轧，总下压量只有20mm，总压下率为10％，开轧厚度200mm，最终轧制成180mm厚钢板。轧后钢板高温下线堆缓冷至室温。
(4)将堆冷后的钢板在连续炉按照890℃，保温时间2.5min/mm正火，出炉后空冷至室温。正火后的钢板按照600℃，550min在炉时间进行回火。回火结束后钢板进行探伤，探伤级别满足GB/T2970Ⅰ级要求。硬度检测结果见表1。
表1实施例硬度检测结果
编号 钢板厚度/mm 表面硬度(HRC) 芯部硬度(HRC)
实施例1 28 42 41.5
实施例2 160 41 40
实施例3 180 41 40
上述实施例1-3的轧制方式的采用使得钢板的致密度更高，轧后钢板获得更加稳定的贝氏体组织，为后面正火后钢板能够达到调质态硬度区间，且整板硬度波动小，硬度均匀性更好。

Claims (5)

1.一种预硬化镜面模具钢板，其特征在于：其化学成分按质量百分比为C：0.28～0.36％，Si：0.50～0.80％，Mn：1.20～1.50％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr：1.30～1.80％，Mo：0.30～0.50％，Ni：0.65～0.90％，V：0.15～0.30％，H≤1.5ppm，余量为Fe及不可避免的杂质，厚度为20-180mm的所述钢板非调质态硬度达到38-42HRC，全厚度硬度波动≤2HRC，探伤级别满足GB/T2970Ⅰ级要求。
2.一种制造权利要求1所述预硬化镜面模具钢板的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)钢水冶炼：铁水经预处理及氧气转炉冶炼，随后进行钢包炉精炼和真空脱气处理；
(2)连铸：钢水连铸成厚370-450mm×宽1600-2600mm的连铸坯；
(3)轧制：将连铸坯加热到1150℃-1250℃，在炉时间为铸坯板厚cm×7～14min/cm，在初轧阶段，采用高温开轧，控制开轧温度不低于1020℃，单道次压下量为40-55mm，最大压下率≥18％，使轧制力渗透到板坯芯部，为再结晶区轧制；第二阶段为精轧，不进行控轧，将80-200mm厚的初轧钢板进行目标厚度轧制及板型精整，轧成20-180mm厚的目标钢板厚度，轧后下线堆缓冷至室温；
(4)热处理：包括正火和回火两步，将堆冷后的钢板加热到870-910℃，保温时间2-2.5min/mm，出炉后空冷至室温，使钢板贝氏体转变充分；正火后的钢板根据不同钢板厚度安排回火。
3.根据权利要求2所述的预硬化镜面模具钢板的方法，其特征在于：步骤(1)真空脱气持续时间至少30min，且软吹氩至少20min，降低钢水中H的含量，使钢中非金属夹杂物充分上浮。
4.根据权利要求2所述的预硬化镜面模具钢板的方法，其特征在于：步骤(2)连铸过程中配合大包下渣检测、全程无氧化保护浇注，浇注过热度≤25℃，在连铸过程中采用动态轻压下技术改善铸坯中心偏析和中心疏松。
5.根据权利要求2所述的预硬化镜面模具钢板的方法，其特征在于：步骤(4)所述回火根据不同钢板厚度进行：20-100mm厚钢板回火温度590-620℃，大于100mm厚钢板回火温度580-610℃，保温时间为板厚mm×3-4min/mm。
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