CN112481546A - 一种特厚塑料模具用钢板p20的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种特厚塑料模具用钢板P20的生产方法，所述钢板200‑300mm厚，包含如下化学成分：C、Si、Mn、P、S、Cr、V、B，余量为Fe和残留元素；经过包括洁净钢冶炼、水冷模浇注、钢锭清理及加热、轧制、轧后快冷、堆冷、回火热处理等一系列的工艺措施，取消传统工艺的正火工序，有利于降低生产成本、缩短整个工艺流程、减少钢板在线占压，同时获得的钢板内部质量达到锻件水平、具有高硬度及整板硬度差40HB以内的优点，具有良好的市场推广价值。

Description

一种特厚塑料模具用钢板P20的生产方法
技术领域
本发明属于特厚模具钢技术领域，具体涉及一种特厚塑料模具用钢板P20的生产方法。
背景技术
模具是制造工业现代化的基础与核心，是推动先进成形技术发展的重要支撑技术，其发展水平是衡量一个国家制造业发展水平的重要标志之一。P20模具钢适用于制作塑料模和压铸低熔点金属的模具材料,用途广泛，要求预先硬化处理至280-340HB且对整板硬度差要求严格。目前，P20模具钢普遍存在生产周期长、硬度差偏差及生产成本过高等诸多问题，与国外先进水平还存在较大差距，严重制约模具产业的发展，因此亟需开发新型高质量低成本模具钢以支撑模具制造业快速发展。
发明内容
针对上述问题，为达到节能环保、降低成本、简化生产流程的目的，本发明提供了一种新的特厚塑料模具用钢板P20的生产方法，有效解决了上述问题，同时采用本发明获得的钢板内部质量达到锻件水平、具有高硬度及整板硬度差40HB以内。具体方案如下：
一种特厚塑料模具用钢板P20的生产方法，所述钢板200-300mm厚，包含如下质量百分比的化学成分：C：0.45-0.51％、Si：0.3-0.6％、Mn：1.50-1.6％、P≤0.006％、S≤0.001％、Cr：1.70-1.80％、V：0.15-0.20％、B：0.0010-0.0.0018％，余量为Fe和残留元素；
所述钢板经粗轧、精轧、轧后快速冷却至500-520℃、堆冷、回火热处理，获得的钢板内部质量达到锻件水平、整板硬度差在40HB以内。
需要说明的是，成分设计中，V有很强的细晶强化作用，极微量的V就能显著增强模具钢的高温强度、高温耐磨性以及回火稳定性，同时能提升模具钢的韧性。
进一步地，所述钢板的生产方法还包括：洁净钢冶炼、水冷模浇注、钢锭清理及加热、轧制、轧后快冷、堆冷、回火热处理；
a.洁净钢冶炼：铁水经KR脱硫、转炉冶炼、吹氩处理、LF精炼及VD真空处理，定氢1.2PPm，VD破空后根据钢水中Als含量加入1.6～2.0m/t钙线进行钙处理，确保W(Ca)/W(Al)＝0.08～0.12，钢水钙质处理能够脱氧、脱硫、去夹杂，改变夹杂物的形态，利于提高钢水纯净度、提高钢材性能，钢水离站前加入覆盖剂，保证铺满钢液面，控制离站温度1545±15℃；
b.水冷模浇注：使用42-48吨定厚调宽水冷钢锭模，锭厚800-840mm，浇注温度控制在1540-1548℃；需要说明的是，浇注过程使用定厚调宽型水冷钢锭模，采用通水强制冷却铜板模壁，具有锭模本体冷却强度大、钢锭本体凝固速度快的特点，由于钢锭帽口采取保温措施，在凝固过程中可使钢锭内部形成上大下小的补缩通道，避免了缩孔的产生，凝固时间大幅缩短进一步减轻钢锭内部的疏松和偏析，同时锭模可实现在线无级调宽，可根据对应宽度钢板灵活调整钢锭宽度。
c.钢锭清理及加热：钢锭在脱模后的24h内清理完毕，清理温度≥240℃；钢锭装炉时炉温小于400℃，炉温450-550℃时焖钢3h，一阶段升温速度60℃/h，当温度升至860℃时保温8h，二阶段升温速度70-80℃/h，炉温至1000℃时不限升温速度，三阶段炉温1220-1240℃时保温16h，翻钢后重新升至1220-1240℃保温4h出钢；加热过程采用焖钢-升温-保温-升温-保温的方式，适当降低加热温度，不仅消除了钢水凝固过程产生的残余应力，而且避免钢锭内部原始奥氏体晶粒过分长大，为钢锭在轧制过程中晶粒的细化奠定坚实基础。
d.轧制：轧制过程中，通过采用高温低速大压下工艺能够保证钢板内部疏松结构完全啮合、原始铸态组织充分破碎，第一阶段高温大压下快速轧制，开轧温度1050-1100℃，道次压下率9～12％，温度在980℃～1020℃凉钢待轧，晾钢厚度是成品厚的1.5～2倍；第二阶段开轧930～950℃，道次压下率12％以上，成品前四道次压下率保证不小于15％，总压下量大于50％，终轧温度850-870℃，终轧结束，钢板进入淬火水箱快速冷却；
e.轧后快冷：控制淬火水箱冷却水温50-60℃，入水时钢板温度780-800℃，冷速1-2℃/S，返红温度500-520℃；
需要说明的是，因钢板厚度过大，通常的ACC冷却已无法满足快速冷却的要求，因此采用淬火水箱快速冷却，水箱加速冷却的优点一是利用钢板轧制完毕后的余温进行加速冷却可降低生产成本，二是采用加热炉浊环水作为冷却水并增加气体搅拌实现冷却均匀，且可将水温控制在适当范围，预防冷却速度过大造成组织应力超过钢板自身抗拉强度产生开裂，三是通过加大冷却速度，降低钢板的相变温度，抑制微合金元素碳氮化物的长大，形核率变高，钢板组织更加细化，减少特厚板厚度方向不同厚度的性能差异，确保性能均匀提高。同时，成分设计中的V属于强碳化物形成元素，与碳的结合能力仅次于Nb、Ti,VC尺寸极为细小，直径一般不超过10nm，且VC的稳定性极高，能在700℃时稳定存在，且不易聚集长大、粗化，仍能起到弥散强化的作用，显著提高二次硬化作用，对高温回火中a相的再结晶晶粒的长大也有抑制作用。
f.堆冷：钢板经淬火水箱快速冷却后，堆垛缓冷消除残余应力，堆冷温度500±20℃，堆冷时间≥48小时；
g.回火热处理：钢板在外部机械化炉进行回火处理，将钢板硬度调整至合适范围，回火温度550-580℃，保温时间3-6min/mm，出炉后空冷至常温，有利于进一步消除应力，并对钢钢板截面不同厚度的硬度进行调整，确保P20特厚钢板性能满足要求。
该方案相较于传统的大厚度模具钢生产工艺，取消了正火工序，钢板轧制结束直接进入淬火水箱快速冷却，
本发明的有益效果在于，本方案所述的特厚塑料模具用钢板P20的生产方法，通过合理的成分设计和包括洁净钢冶炼、水冷模浇注、钢锭清理及加热、轧制、轧后快冷、堆冷、回火热处理等一系列的工艺措施，取消传统工艺的正火工序，有利于降低生产成本、缩短整个工艺流程、减少钢板在线占压，同时获得的钢板内部质量达到锻件水平、具有高硬度及整板硬度差40HB以内的优点，具有良好的市场推广价值。
附图说明
图1为本发明实施实例获得的钢板钢1/4厚度处放大100倍数下的金相组织。
图2为本发明实施实例获得的钢板钢1/4厚度处放大200倍数下的金相组织。
图3为本发明实施实例获得的钢板钢1/4厚度处放大500倍数下的金相组织。
图4为本发明实施实例获得的钢板钢1/4厚度处放大500倍数下的金相组织。
图5为本发明中回火后对钢板表面五点及其横截面做硬度检测的示意图。
具体实施方式
为达到上述目的，本发明优先采用以下成分设计，包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C：0.45-0.51％、Si：0.3-0.6％、Mn：1.50-1.6％、P≤0.006％、S≤0.001％、Cr：1.70-1.80％、V：0.15-0.20％、B：0.0010-0.0.0018％，余量为Fe和残留元素。
其生产方法包括：KR铁水预处理、转炉冶炼、吹氩处理、LF精炼、VD精炼、模铸、钢锭清理、加热、轧制、轧后快冷、堆冷、回火热处理等工艺控制。
KR铁水预处理：处理铁水硫含量控制在0.005％以内，脱硫完毕经过扒渣处理，铁水罐内渣层厚度控制在20mm以下。
转炉冶炼：入炉铁水磷含量控制0.080％以下，入炉废钢必须采取自产边角料，同时边角料必须干燥，少油污和泥土，根据铁水成分情况(影响着物理热与化学热热量情况)来搭配合适吨位的废钢比例，确保出钢C≥0.05％，出钢P≤0.012％，S≤0.012％，最终达到C～T～P(C含量、温度、P含量)协调出钢的目的；同时冶炼过程点吹次数不得大于2次，严控出钢过程下渣。
吹氩处理：钢水到氩站开启氩气后立即加入铝线1.2kg/t，铝线必须垂直喂入钢包，严禁盘旋喂入钢包；铝线加入后强吹氩3min(强吹氩标准以吹开钢液裸眼直径总和控制在500-700mm为准)后离站，并确保离站温度在1570℃以上。
LF精炼：分为两个阶段，第一阶段钢水到站后加入350-400Kg的萤石，然后分多批次少批量加入石灰，石灰与萤石加入量之比控制在2.0左右，加热过程温度不得超过1560℃，待钢水P脱至0.003％以下后抬电极倒渣；第二阶段采取大渣量精炼工艺，同时采用电石、铝粒、硅铁粉来脱氧，确保精炼一加热结束炉渣必须变白或黄白，白渣保持时间必须≥30min，要求精炼结束的终渣为流动性良好、粘度合适的高碱度泡沫白渣，精炼总时间要求控制在55min以上，同时LF精炼工序对Als成分的微调次数必须控制在2次以内。
VD精炼：真空度≤67Pa，保压时间25-30min，破空后软吹3-5min，软吹过程中钢水不得裸露，抽真空结束后定H控制在1.2PPm以内；破空后根据Als含量加入1.6～2.0m/t钙线进行钙处理，确保W(Ca)/W(Al)＝0.08～0.12，钢水钙质处理能够脱氧、脱硫、去夹杂，改变夹杂物的形态，利于提高钢水纯净度、提高钢材性能。离站前加入覆盖剂，保证铺满钢液面，离站温度1545±15℃。
模铸：使用42-48吨定厚调宽水冷钢锭模，锭厚800-840mm，浇注温度控制在1540-1548℃，浇注之前将保护渣吊挂在锭模内，吊挂高度距离锭模底部200～280mm，另外一半保护渣在开浇后2～5min内加完，浇注过程若出现钢液返红则必须及时补加保护渣，浇注过程要求平稳浇注无飞溅，液面稳定上升无翻腾；浇注结束30min内，对每一支钢锭补加60-70Kg覆盖剂防止帽口返红。
钢锭清理：钢锭在脱模后的24h内清理完毕，清理温度≥240℃；要求对钢锭正反两面全部清理，防止皮下裂纹漏清，钢锭清理前后必须堆垛缓冷，以有效减轻原始钢锭内部应力，清理合格钢锭60分钟内装炉，若条件不允许，则使用两块热锭将已清理钢锭夹在中间保温。
加热：钢锭装炉时炉温小于400℃，炉温在450-550℃时焖钢3h，一阶段升温速度60℃/h，当温度升至860℃时保温8h，二阶段升渐速度70-80℃/h，炉温至1000℃时不限升温速度，三阶段炉温1220-1240℃时保温16h，翻钢后重新升至1220-1240℃保温4h出钢。
轧制：轧制过程中严格执行“高温、低速、大压下”工艺，第一阶段高温大压下快速轧制，开轧温度1050-1100℃，道次压下量35-45mm，温度在980℃～1020℃凉钢待轧，凉钢厚度是成品厚的1.5～2倍；第二阶段开轧930～950℃，成品前四道次压下率保证不小于15％，终轧温度850-870℃。
轧后快冷：轧后采用高温夹钳将热态钢板吊入箱式淬火水箱加速冷却，入水时钢板温度780-800℃，水温50-60℃，返红温度500-520℃。
堆冷：堆垛温度500±20℃，堆冷时间≥48小时。
回火热处理：采用外部机械化炉对钢板进行回火处理，回火采用提高回火温度延长回火时间确保碳化物充分析出，促进组织充分均匀化并有效减轻成分偏析，并将钢板硬度调整至合适范围，回火温度550-580℃，保温时间3-6min/mm，出炉后空冷至常温。
具体实施例成分设计见下表(表1)
表1 P20模具钢板化学成分(wt％)
实施例 厚度 C Si Mn P S Cr V B
实例1 200mm 0.48 0.45 1.55 0.005 0.001 1.75 0.18 0.0015
实例2 250mm 0.47 0.42 1.57 0.004 0.001 1.77 0.17 0.0016
实例3 300mm 0.50 0.45 1.53 0.006 0.001 1.73 0.20 0.0017
回火后对钢板表面五点及其横截面做硬度检测，截面五点示意图参看图5所示。
硬度检测结果见表2
Figure BDA0002800141180000051
250mmP20钢板厚度1/4处的为贝氏体回火组织(以粒状贝氏体为主)，不同放大倍数的金相组织，参看附图1-4所示。
本次试生产厚度200-300mmP20共计32批，表面硬度平均达到了320HB、心部硬度平均值为309HB，完全达到预硬化模具钢280-340HB硬度范围。
经表面质量检验及探伤：所研制的钢板表面质量正品率100％，按JB/T 47013进行探伤，合一级率为100％，达到了预期效果。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种特厚塑料模具用钢板P20的生产方法，其特征在于：所述钢板200-300mm厚，包含如下质量百分比的化学成分：C：0.45-0.51％、Si：0.3-0.6％、Mn：1.50-1.6％、P≤0.006％、S≤0.001％、Cr：1.70-1.80％、V：0.15-0.20％、B：0.0010-0.0.0018％，余量为Fe和残留元素；
所述钢板经粗轧、精轧、轧后快速冷却至500-520℃、堆冷、回火热处理，获得的钢板内部质量达到锻件水平、整板硬度差在40HB以内；所述钢板的生产方法还包括：洁净钢冶炼、水冷模浇注、钢锭清理及加热、轧制、轧后快冷、堆冷、回火热处理；
a.洁净钢冶炼：铁水经KR脱硫、转炉冶炼、吹氩处理、LF精炼及VD真空处理，定氢1.2PPm，VD破空后根据钢水中Als含量加入1.6～2.0m/t钙线进行钙处理，确保W(Ca)/W(Al)＝0.08～0.12，钢水离站前加入覆盖剂，保证铺满钢液面，控制离站温度1545±15℃；
b.水冷模浇注：使用42-48吨定厚调宽水冷钢锭模，锭厚800-840mm，浇注温度控制在1540-1548℃；
c.钢锭清理及加热：钢锭在脱模后的24h内清理完毕，清理温度≥240℃；钢锭装炉时炉温小于400℃，炉温450-550℃时焖钢3h，一阶段升温速度60℃/h，当温度升至860℃时保温8h，二阶段升温速度70-80℃/h，炉温至1000℃时不限升温速度，三阶段炉温1220-1240℃时保温16h，翻钢后重新升至1220-1240℃保温4h出钢；
d.轧制：采取两阶段轧制，第一阶段高温大压下快速轧制，开轧温度1050-1100℃，道次压下率9～12％，温度在980℃～1020℃凉钢待轧，晾钢厚度是成品厚的1.5～2倍；第二阶段开轧930～950℃，道次压下率12％以上，成品前四道次压下率保证不小于15％，总压下量大于50％，终轧温度850-870℃，终轧结束，钢板进入淬火水箱快速冷却；
e.轧后快冷：控制淬火水箱冷却水温50-60℃，入水时钢板温度780-800℃，冷速1-2℃/S，返红温度500-520℃；
f.堆冷：钢板经淬火水箱快速冷却后，堆垛缓冷，堆冷温度500±20℃，堆冷时间≥48小时；
g.回火热处理：钢板在外部机械化炉进行回火处理，将钢板硬度调整至合适范围，回火温度550-580℃，保温时间3-6min/mm，出炉后空冷至常温。
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