CN114892094B - 一种预硬型镜面塑料模具钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预硬型镜面塑料模具钢及其生产方法，所述模具钢是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.20‑0.25%、Si：0.50‑0.70%、Mn：1.80‑2.00%、S≤0.005、P≤0.015、Cr：3.0‑5.0%、Mo：0.30‑0.50%、Ni：1.00‑1.50%、Al≤0.01、N≤0.005、B：00008‑0.0015%，其余为Fe和不可避免杂质，同时上述化学成分还必须满足公式：（1）B=0.043%+0.625S‑0.128C‑0.0031Cr‑0.0036Mo；（2）Al=‑0.034%‑0.167C+5.69S+0.696Ti+9.87N；其生产方法包括KR脱硫—130t转炉—LF—RH—板坯连铸—铸坯加热—轧制—正火热处理—回火热处理；本发明制得的塑料模具特厚钢板的洛氏硬度HRC28‑34，最大截面硬度差≤3HRC，加工成型面表面粗糙度值Ra≤0.10μm，满足预硬化高镜面塑料模具制作要求。

Description

一种预硬型镜面塑料模具钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及塑料模具钢技术领域，特别是一种预硬型镜面塑料模具钢及其生产方法。

背景技术

塑料成型加工是塑料工业的重要组成部分，只有通过成型才能使塑料变成具有使用价值的制品。随着塑料工业的发展，对透明塑件和外观光亮件需求的迅速增加，对注射模型腔表面粗糙度值的要求越来越高，镜面性能就成为评价塑料模具钢工艺性能的一项重要指标。模具制造过程分为模具设计、模具选材、材料铣削、模具粗加工、模具精加工、线切割、电火花等，最后一道加工工序——抛光。抛光加工可去除残余在模具零件表面的磨削痕、刀具痕、放电痕，以及放电加工表面白质层，改善表面粗糙度，达到模具表面镜面要求。高镜面模具除了增加工件的美观外，还能够改善模具型腔表面的耐腐蚀性、耐磨性，使塑胶制品易于脱模，减少注射成型周期，因而模具钢的高镜面性能是塑料模具用钢的一项具有重要意义的工艺性能指标。

相关研究发现，模具钢的良好镜面抛光性主要取决于钢的组织致密性、硬度均匀性、纯净度、夹杂物形态等因素，模具钢材内部不允许有DS类大颗粒夹杂物的存在。高品质模具就是在模具钢具有优良冶金质量的基础上，再结合各种先进的抛光工艺，制作成高镜面模具。因此，在镜面塑料模具用钢方面，除要求钢材截面方向硬度均匀性外，还要控制夹杂物类型及尺寸大小。也就是说，在保证模具钢使用性能的基础上，提升冶金质量显得尤为重要。钢质纯净度高，钢材内部的各种夹杂物和气孔少，能提高材料的抛光效果。

预硬化是指钢厂通过热处理达到模具使用时的硬度要求，这样，形状复杂、精密的大中型塑料模具在制作完成后不再需要热处理，避免模具在热处理过程中产生变形和开裂，从而保证模具的制造精度。

严格控制冶金工艺可提高钢质纯净度高，减少钢材内部的气体和夹杂物，能提高模具钢材的镜面性能。但各种冶金工艺都服从于最终的使用性能，满足最终使用要求的综合性能才具有实用意义，设计恰当的化学成分是综合解决预硬化镜面塑料模具钢源头。根据Ni含量的不同，我国预硬化镜面塑料模具钢可分为低Ni和高Ni两大系列，本案采用的方案为低Ni型。

预硬化镜面塑料模具钢是小众产品，现有技术中的相关报道比较少。

申请号200810060480.5的中国专利申请公开了一种淬硬型易切削镜面塑料模具钢，是一种兼具淬硬性、易切削性、镜面抛光和耐蚀性的新型塑料模具钢，采用的化学成分（重量百分比，%）C：0.30-0.70、Si≤1.0、Mn≤0.90、Cr：7.0-11.5、Cu≤1.0、Ni≤2.5、B：0.30-0.75、S≤0.10、P≤0.04，其余为Fe和不可避免杂质。采用的生产工艺为电炉—模铸—锻打开坯—退火—二次锻打—球化退火—调质热处理，典型金相组织为马氏体基体和少量共晶B化物，钢材的硬度为56-58HRC，铣削表面质量达到Ra≤0.20μm。该方案合金成本高，含Cr：7.0-11.5%、Ni≤2.5，工艺流程长，模铸、锻打开坯将带来成材率不高，多次热处理，既增加工艺成本，还导致烧损增加。

申请号201110175031.7的中国专利申请公开了一种镜面塑料模具钢的生产工艺，化学成分（重量百分比，%）为C：0.26-0.42、Si：0.30-0.50、Mn：1.40-2.10、Cr：1.40-2.10、Mo：0.20-0.50、Ni：0.80-1.30、S≤0.012、P≤0.015，其余为Fe和不可避免杂质。其生产工艺为电炉冶炼—VD精炼—电渣浇注后，钢锭加热温度不超过1240℃，始锻温度1050-1100℃，终锻温度≧920℃，锻后空冷至750-830℃，再砂冷72h，对钢板进行回火处理，处理温度为550-600℃，得到的塑料模具钢，组织性能均匀，截面硬度范围HB350-380，加工性能尤其是切割性能良好。该方案采用电渣浇注，对设备、操作人员技能要求高，锻造成形对装备技术要求高、砂冷72h工艺时间长，所得镜面塑料模具钢切割性能好，但没有介绍加工后的表面粗糙度的实绩。

申请号200810048359.0的中国专利申请公开了“一种耐腐蚀高镜面塑料挤压模具钢”，采用的化学成分为（重量百分比，%）C：0.18-0.26、Si：0.80-1.20、Mn：0.20-0.40、Cr：13.0-15.0、Mo：1.85-2.50、Ni≤0.60、Cu：0.80-1.20、V：0.07-0.15、N≤0.0070、S≤0.008、P≤0.015，其余为Fe和不可避免杂质。其生产工艺为：电炉-VD-电渣重熔-高温退火—锻造（轧制）成钢棒-QT或T处理。该发明属于中碳马氏体不锈钢，通过回火析出大量弥散碳化物产生高的二次硬度和高温强度，还具有较好的抗氧化性能、热强性和机械加工性能。只对化学成分提出了权利要求，对性能也没有做出介绍。

申请号CN201810833317.1 中国专利申请公开了一种耐腐蚀镜面模具钢及其制备方法，镜面模具钢的成分为（重量百分比，%）C：0.35-0.45、Si：0.35-0.55、Mn：0.40-0.70、Cr：12.0-15.0、Mo：0.08-0.20、Ni：0.10-0.30、W：0.08-0.30、V：0.10-0.30、Ti：0.01-0.05、S≤0.012、P≤0.020，其余为Fe和不可避免杂质。其生产工艺为电炉冶炼，氩气保护浇注VD炉精炼，再经电渣重熔，退火-锻造-退火，再进行调质热处理，淬火加热至1120-1200℃，加热时间12-20h，再于500-590℃回火，时间为5-20h；淬火后的冷却过程中，还采用了喷雾冷却、喷水冷却及吹风冷却的综合方式，所得模具钢的硬度范围为HRC45-50。该方案为解决已有技术需要添加稀土和大量合金元素而提出，但添加了Ni、Mo、W、V等贵重元素，增加了生产成本；采用电渣重熔、锻造等工艺路线，又大大增加了生产成本，且成材率低；淬火后交替采用雾冷、水冷及风冷，对冷却装备和操作水平要求高，生产周期长。

申请号201010501576.8的中国专利申请公开了一种镜面塑料模具钢的冶炼方法，冶炼的镜面塑料模具钢成分为（重量百分比，%）C：0.06-0.16、Si≤0.40、Mn：1.40-1.70、Cr≤0.30、Mo：0.20-0.40、Ni：2.90-3.40、Cu：0.80-1.00、Al：0.70-1.30、N≤0.0070、S≤0.030、P≤0.030，其余为Fe和不可避免杂质。其生产工艺采用EBT电炉-LF（脱氧、造渣-调成分-喂Al线）-VD，EBT电炉出钢后，在LF炉采用铝粉与铝丸脱氧、造渣，在LF炉优先调整Cu、C、Mn、Mo、Ni元素，采用大氩气搅拌操作，待这些元素均匀后，然后喂Al线调整Al含量，Al含量调整完毕后，减弱氩气搅拌；在VD炉进行真空处理，为避免Al分层问题，仍然采用小氩气搅拌，待温度达到要求后，开出VD工位浇钢。该方案只对冶炼方法提出了权利要求，详细介绍了技术方案，没有介绍加工后的模具表面粗糙度情况。

可见，上述镜面塑料模具钢都严格限定了S、P杂质含量，仅单个发明案例对[N]含量作出了限定。钢中气体和一些微量元素形成的化合物，如果发生聚集，或以高熔点化合物为核心形成微米级尺寸的复合夹杂物，就会对镜面塑料模具钢铣削后的表面质量产生影响。

因此，要控制钢中夹杂物的类型和尺寸大小，除设计出恰当的化学成分是外，合理的冶金技术，冶炼时的脱氧工艺，良好的去除夹杂环境，是必不可少的手段。

预硬化高镜面塑料模具钢，首先应截面硬度均匀，即使钢中化学元素C、Mn、Cr、Mo、Ni、B等设计合理，但钢中夹杂物及气体含量高，会严重影响模具钢材的镜面性能。其次，钢水在连铸凝固过程中，受到静压力影响，部分被熔断的树枝晶沉积到外弧侧，阻碍外弧侧柱状晶生长，导致外弧侧柱状晶短、等轴晶厚，而内弧侧的冷却水在连铸坯表面停留时间长，冷却强度大，促使柱状晶持续生长，导致内弧侧柱状晶长、等轴晶薄，连铸坯上下部分不均匀。且连铸二冷配水、动态轻压下设计不合理，会加剧连铸坯中心偏析，尤其是Mn含量高的钢种。最终导致连铸坯轧制后，钢板心部与表面硬度差过大，无法满足高品质预硬化镜面塑料模具钢的使用需求，因此，在设计出恰当的化学成分后，如何进一步优化冶金工艺及轧制、热处理工艺是获得优异的产品质量的关键，尤其是回火工艺也是生产出产品质量更优的预硬型模具钢非常关键的一环。

发明内容

本发明的目的就是提供一种预硬型镜面塑料模具钢及其生产方法，通过提供设计合理的化学成分，配合合理的冶金工艺及轧制和热处理工艺，获得洛氏硬度28-34HRC，最大截面硬度差≤3HRC，夹杂物级别低，加工成型面表面粗糙度值Ra≤0.10μm的预硬化镜面塑料模具钢。

本发明的一种预硬型镜面塑料模具钢，所述模具钢是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.20-0.25%、Si：0.50-0.70%、Mn：1.80-2.00%、S≤0.005、P≤0.015、Cr：3.0-5.0%、Mo：0.30-0.50%、Ni：1.00-1.50%、Al≤0.01、N≤0.005、B：00008-0.0015%，其余为Fe和不可避免杂质，同时上述化学成分还必须满足公式：

（1）B=0.043%+0.625S-0.128C-0.0031Cr-0.0036Mo；

（2）Al=-0.034%-0.167C+5.69S+0.696Ti+ 9.87N。

本发明的一种预硬型镜面塑料模具钢的生产方法，包括：KR脱硫—130t转炉—LF—RH—板坯连铸—铸坯加热—轧制—正火热处理—回火热处理，具体实施步骤如下：

（1）KR脱硫

铁水入站温度≥1350℃，扒除表面渣1/2后根据铁水原S情况加入适量脱硫剂搅拌脱硫，出站要求：铁水S≤0.010%，扒渣面积≥3/4，铁水温度≥1280℃；

（2）转炉冶炼

冶炼终点时控制C：0.10-0.15%，P≤0.008%，出钢温度：T=1560-1600℃，采用滑板挡渣；

（3）LF炉精炼

钢包到站后，喂铝线将Al含量控制在0.010%-0.020%，防止测温和取样时爆吹，造成二次氧化；采用石灰+复合脱氧剂快速造白渣，白渣保持时间≥10min，终渣成分CaO：50%-60%、SiO₂＜10%、Al₂O₃25%-30%、MgO＜8%、（MnO+FeO）＜1%，以保证高脱硫率和吸收Al₂O₃夹杂的能力；LF结束时将钢中控制Al含量≤0.010%，S含量≤0.003%，其他元素均按照目标成分进行控制；

所述复合脱氧剂含有下述质量百分含量的成分：Al：25.0-35.0%，Al₂O₃：30.0-45.0%，MgO：5.0-10.0%，CaO≤5.0，SiO₂≤7.0，C≤5.0，H2O≤1.5；

（4）RH真空炉精炼

RH炉不允许调整成分，真空度达到67Pa后，保持时间≥15min，确保钢水中N含量≤50ppm，O含量≤18ppm，H含量≤1.5ppm；

（5）连铸

采用强冷二冷配水模式，同时结合直弧形铸机的特点，从弯曲段到水平段的内外弧二冷水配比合理分配，保证冷却均匀性；直弧形铸机共计16个扇形段，1-6段为弧形段内外弧水比1:1.4，7-8段为弯曲段内外弧水比1:1.6，9-16段为水平段内外弧水比1:2；设定矫直温度为890℃；电磁搅拌电流为450A，频率为6Hz；控制中包钢水过热度10-25℃，选用碱性覆盖剂充分吸收中间包上浮的有害夹杂物；直弧形铸机的扇形段7-8段为矫直段为裂纹产生的敏感段，设计轻压下区间时将压下起始位置定在8段末端，终止点定在10段末，对应两相区压下区间为35%-100%，压下总量6mm，既避开了矫直段，又保证了压下效果；

（6）铸坯加热

铸坯加热到1220±30℃，均热时间≥25min；

（7）轧制

粗轧开始轧制温度≥1100℃；中间坯厚度M按照M=2H-（20-30）控制，H为成品板厚，M、H的单位为mm；精轧终轧温度≤860℃；

（8）正火热处理

正火保温温度800-900℃，保温时间1.0-2.0min/mm；

（9）回火热处理

对成品钢板进行正火热处理之后，再进行精准的回火热处理，所述回火热处理的 加热温度T，保温时间t，板厚H，和钢板心部硬度均值

符合下面的公式：

=36.05-0.0119H+0.0046T-0.051t+0.0224(H-77)²+0.047(H-77)(t-676)+ 0.024(T-676)²；

上述公式中，T的单位为℃，t的单位为min，H的单位为mm，

的单位为HRC；得到 截面硬度均匀的预硬型镜面塑料模具钢；当板厚H为50-100mm，模具钢的心部硬度均值

为28-34HRC时，回火温度T为650-700℃，保温时间120-170min，制得的模具钢最大截面硬度 差≤3HRC，夹杂物级别低，加工成型面表面粗糙度值Ra≤0.10μm。

所述复合脱氧剂的粒度要求5-50mm，小于5mm 比例不超过10%、大于50mm比例不超过5%；

本发明的化学成分设计原理分析如下：

C、N同为间隙元素和强奥氏体形成元素，对提高淬透性、高温奥氏体稳定性和强度有一定的作用；细小的碳化物、氮化物是钢中主要的析出强化相，可以提高预硬化镜面塑料模具钢的硬度，对提高镜面性能有利。但过多的M（CN）会导致预硬化镜面塑料模具钢的时效硬度不均匀，根据预硬化镜面塑料模具钢服役硬度的要求（HRC28-34），C、N不易过高，因此本发明的C含量应控制在0.20-0.25%，N≤0.0050%。

Si：在炼钢过程中用硅作为脱氧剂的工艺成熟，成本低廉；Si在钢中以固溶形态存在，能显著提高钢的强度和硬度，Si含量下限是0.50%；高Si含量会带来铸坯和钢板出现裂纹的风险，给生产组织带来较大不便，所以Si含量上限是0.70%。

Mn：固溶于铁素体和奥氏体中，扩大奥氏体区，降低钢冷却过程的相变点，提高钢的淬透性，显著提高钢的强度和硬度；Mn还能与钢中的S形成较高熔点的MnS，避免在晶界上形成FeS薄膜，消除钢的热脆性，所以Mn含量下限为1.80%；但Mn含量过高时，会降低铸坯的流动性，导致产生缩孔、气泡等内部质量缺陷，所以Mn含量上限为2.00%。

P：P是钢中的有害元素，增加钢的冷脆性，降低塑性，还会因偏聚到晶界而导致钢板出现冷裂纹，但降低P含量会增加生产成本，因此要求钢中含磷量≤0.015%。

S：S也是钢中的有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延性和韧性，使钢材产生各向异性，铁水脱S技术成熟而对生产成本影响不大，所以S含量上限是0.005%。

Cr：强铁素体形成元素和缩小奥氏体区的元素，一定含量的Cr，能使钢材在空冷条件下就能形成马氏体，从而提高钢材的强度和硬度；Cr能提高钢的淬透性，还能保证模具钢具有一定的耐蚀性能，对于厚钢板而言需添加一定量的Cr提高淬透性以弥补厚度带来的强度和硬度损失；Cr也是中等强度碳化物形成元素，在钢中可以形成碳化物以提高钢材的强度和硬度，但太高的Cr和Mn同时加入钢中，在轧钢过程中易形成表面裂纹，因此Cr含量限定为3.0-5.0%。

Mo：Mo在钢中形成M6C型化合物，以此增加Cr的固溶度，提高耐磨性；还可在回火后引起弥散硬化，有利于提高硬度和热稳定性，提高回火脆性温度，避免发生回火脆性

Ni：在钢中具有极强的稳定奥氏体、扩大奥氏体的能力，能提高钢材的韧性，改善模具的热疲劳性能，也能提高钢的淬透性；但过多的Ni增加了生产成本，我国的镜面模具钢根据Ni含量的不同可分为低镍和高镍两大系列，本案采用的方案为低Ni型，Ni含量控制在1.00-1.50%。

Ti：是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，其形成的化合物在铸坯加热时能阻止奥氏体晶粒长大，在轧制过程中应变诱导析出的微合金碳氮化物阻止形变奥氏体再结晶或阻止再结晶晶粒长大，在未再结晶区控制轧制，能提高组织的均匀性，获得较好的综合性能，0.010-0.030% 的Ti即能起到较好的作用。另外，Ti 对S 的亲和力比Mn高，在钢中形成Ti 的硫化物，产生固硫的作用，Ti的硫化物呈球形，降低夹杂物的危害。

Al：最为经济有效的脱氧元素，现代检测技术的发展，可以在炉前快速准确地测定氧含量，从而确定合适的Al添加量；多余的Al在钢中可能以氧化物（B类夹杂物）、硅酸盐（C类夹杂物）形式存在，极不利于模具钢的镜面性能，因此，Al含量的上限为≤0.010%。

B：是强烈提高钢的淬透性的元素，尤其是预硬化镜面塑料模具钢板居多，0.0008%的添加量是必不可少的。B的原子半径小，极易偏聚到晶界，使近邻区域位错密度增高，作为氢陷阱，从而诱发此处发生晶界开裂，所以B含量上限限定为0.0015%。

还限定B=0.043+0.625S-0.128C-0.0031Cr-0.0036Mo；

Al=-0.034-0.167C+5.69S+0.696Ti+ 9.87N；

理由如下：

C、Cr、Mo、Mn都是提高钢的淬透性的元素，是截面硬度均匀性的保障元素。因为预硬化镜面塑料模具钢以特厚板（厚度≥50mm）居多，在没有淬透性或淬透性元素不足的情况下，钢材冷却过程中，表面冷却快而心部冷却慢，导致表层和心部组织不均匀，从而带来截面方向硬度的不均匀，甚至出现表面硬度达到技术标准要求，而心部硬度低于技术标准要求，达不到预硬化镜面塑料模具钢的交货技术要求而不能发货，更不用说影响预硬化镜面塑料模具钢的使用效果，因此，预硬化镜面塑料模具钢中应添加一定量的提高钢的淬透性的元素C、Cr、Mo、Mn。B是强烈提高钢的淬透性的元素，如果仅靠B提高钢的淬透性，就需要添加较多的B元素，而如前所述， B元素极易偏聚到晶界，过多的B元素易诱发晶界开裂，因此，需发挥C、Cr、Mo、Mn提高钢的淬透性的作用，在保证钢材淬透性的基础上，限定B元素的添加量。钢中的Mn与S存在交互作用，在本公式中以S的含量体现其作用。

Ti是能提高组织的均匀性、获得较好的综合性能的元素。Ti在钢中与合金元素氧、氮、硫、碳的亲和力大小依次递减，并依次生成Ti2O3 或TiO2、TiN、Ti4C2S2、Ti(C,N)和TiC。钛的氧化物一般在冶炼过程中形成，颗粒较大，在钢中以夹杂物形式存在；钛的氮、碳和硫化物的颗粒相对较小，可以起到细化晶粒和析出强化的作用；由于Ti 对S 的亲和性比Mn高，在钢中形成Ti 的硫化物，产生固硫的作用，且Ti的硫化物呈球形，为刚性颗粒，降低析出或夹杂的危害，而MnS为可变形夹杂，在变形过程中会在变形方向上严重拉长，不利于钢材的性能。通过对C、S、Ti、N协同加入的限定，实质上是限定了Al的 含量，使其既能发挥经济有效的脱氧作用，也能避免多余的Al在钢中可能以氧化物、硅酸盐形式存在。

以下详述本发明生产工艺的参数控制理由。

本发明冶炼工艺的参数控制机理如下：

本发明之所以需要LF精炼炉加入专用复合脱氧剂，是为了快速造白渣，在设定的精炼周期内，提高脱氧效率，让脱氧产物有充分的时间上浮，提高钢水的纯净度。

本发明之所以要求RH炉不允许微调成分，是因为每次微调成分（加合金）都是一个破空→抽真空的过程，不仅影响脱气效果，且导致真空周期延长，影响连铸稳态浇铸，这就要求LF精炼炉必须精确控制钢水成分。

本发明之所以需要连铸各扇形段内外弧采用不同的水比，是为了保证内外弧柱状晶生长均匀，内外弧组织对称。通过精确设置动态轻压下区间及压下量，大幅降低连铸坯中心偏析。

本发明的轧钢工艺控制的机理及作用如下：

模具制造行业对特厚模具钢板的需求旺盛，尤其是高端的预硬化镜面塑料模具；而且，特厚模具钢板加工成模具型腔，实质是特厚模具钢板整个截面方向都成为了模具的工作面，需要特厚模具钢板整个截面方向镜面性能良好、硬度均匀，因此，特厚钢板的轧制必须采用不同于普通中厚板的工艺控制。

本发明的一种预硬化镜面塑料模具钢，按所述化学成分要求冶炼、浇注成300mm厚度板坯，对板坯加热后进行控制轧制，粗轧开始轧制温度≥1100℃，中间坯厚度M按照M=2H-（20-30）控制（H为成品板厚，M、N的单位为mm），终轧温度按照≤860℃控制。本发明控制了中间坯厚度，在第二阶段精轧时，轧制就可以渗透到钢板心部，充分破碎钢板心部的奥氏体晶粒，从而达到心部和表层的硬度性能均匀、一致。控制终轧温度≤860℃，也是达到充分破碎钢板心部的奥氏体晶粒的目的，使心部和表层的晶粒趋于相同或相近的大小，达到心部和表层的硬度性能均匀。

本发明的回火热处理工艺的机理及作用如下：

对轧制的成品进行正火热处理，正火保温温度800-900℃，保温时间1.0-2.0min/mm，再进行精准的回火热处理，回火温度650-700℃，保温时间120-170min，得到截面硬度均匀的预硬化镜面塑料模具钢。

本发明钢正火后的组织为马氏体+贝氏体，因为本发明钢为高碳高合金钢，相变温度低，尤其是马氏体转变温度在320-300℃之间，且临界冷却速度≤0.50℃/s，在通常的空气冷却条件下就能发生马氏体转变。预硬化镜面塑料模具钢以特厚板居多，厚度≥50mm钢板的需求量在70%以上，这个现状给钢板生产带来的问题就是特厚板正火后的组织不均匀。以80mm厚度钢板为例，在上、下表面各20mm内，正火得到的组织为马氏体，而钢板中心部位40mm范围内的组织为贝氏体。组织的不均匀必将导致硬度性能的不均匀，马氏体的硬度为40-42HRC，远远超过HRC28-34的技术要求，而贝氏体的硬度为25-30HRC，会出现达不到HRC28-34技术要求的情况。

因此，本发明钢需要进行回火热处理。通过回火，促进马氏体分解，形成回火马氏体组织，从而降低硬度；通过回火，促进贝氏体内的碳化物析出，形成回火贝氏体组织，从而降低硬度。这样通过回火热处理，达到截面方向硬度趋于一致，且正好落入HRC28-34技术要求的范围内。通过精准的回火热处理控制，可以达到上述目的。

本发明钢心部硬度均值

（单位为HRC）、加热温度T（单位为℃）、保温时间t（单 位为min）、板厚H（单位为mm）符合下面的公式：

=36.05-0.0119H+0.0046T-0.051t+0.0224(H-77)²+0.047(H-77)(t-676)+ 0.024(T-676)²

钢板厚度H和心部硬度的要求是由合同订单确定的，上述生产步骤都服务、服从于这两个要求。钢铁企业要生产出截面硬度均匀的预硬化镜面塑料模具钢，最后一道工序——回火热处理就显得极为重要，回火工艺的加热温度T、保温时间t必须在此公式的约束下，进行精准控制，才能得到特定钢板厚度H要求下的心部硬度。

最终，在轧制、热处理后得到截面硬度均匀的预硬化镜面塑料模具钢，洛氏硬度HRC28-34，最大截面硬度差≤3HRC，夹杂物级别低，加工成型面表面粗糙度值Ra≤0.10μm。

本发明相对现有技术，具有如下优点：

本发明的目的是提供一种预硬化镜面塑料模具钢，在设计恰当的化学成分、严格控制冶金质量后，通过精准控制尤其是回火工艺，低成本地生产出截面硬度均匀的预硬化高镜面塑料模具钢。所述截面硬度均匀的预硬化镜面塑料模具钢，洛氏硬度HRC28-34，最大截面硬度差≤3HRC，夹杂物级别低，加工成型面表面粗糙度值Ra≤0.20μm，部分实施例Ra≤0.10μm，满足高品质预硬化镜面塑料模具制作的要求。

附图说明

图1是实施例2制备的预硬化镜面塑料模具钢放大至100um时钢中夹杂物示意图。

具体实施方式

为了更好地解释本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，下述实施例仅仅是示例性的说明本发明的技术方案，并不以任何形式限制本发明。

下表1为本发明各实施例化学成分质量百分比含量取值列表（wt%）；

下表2为本发明各实施例冶炼过程的主要工艺参数的取值列表；

下表3为本发明LF炉精炼时添加的复合脱氧剂成分含量列表（wt%）；

下表4本发明LF炉精炼过程终渣成分含量列表（wt%）；

下表5为本发明各实施例的低倍分析结果列表；

下表6是本发明各实施例的铸坯轧制及热处理工艺参数列表；

下表7为本发明各实施例的截面方向硬度及铣削表面质量和抛光效果。

本发明各实施例的一种预硬型镜面塑料模具钢的生产方法，包括：KR脱硫—130t转炉—LF—RH—板坯连铸—铸坯加热—轧制—正火热处理—回火热处理，具体实施步骤如下：

（1）KR脱硫

铁水入站温度≥1350℃，扒除表面渣1/2后根据铁水原S情况加入适量脱硫剂搅拌脱硫，出站要求：铁水S≤0.010%，扒渣面积≥3/4，铁水温度≥1280℃；

（2）转炉冶炼

冶炼终点时控制C：0.10-0.15%，P≤0.008%，出钢温度：T=1560-1600℃，采用滑板挡渣；

（3）LF炉精炼

钢包到站后，喂铝线将Al含量控制在0.010%-0.020%，防止测温和取样时爆吹，造成二次氧化；采用石灰+复合脱氧剂快速造白渣，白渣保持时间≥10min，终渣成分CaO：50%-60%、SiO₂＜10%、Al₂O₃25%-30%、MgO＜8%、（MnO+FeO）＜1%，以保证高脱硫率和吸收Al₂O₃夹杂的能力；LF结束时将钢中控制Al含量≤0.010%，S含量≤0.003%，其他元素均按照目标成分进行控制；

所述复合脱氧剂含有下述质量百分含量的成分：Al：25.0-35.0%，Al₂O₃：30.0-45.0%，MgO：5.0-10.0%，CaO≤5.0，SiO₂≤7.0，C≤5.0，H2O≤1.5；

（4）RH真空炉

RH炉不允许调整成分，真空度达到67Pa后，保持时间≥15min，确保钢水中N含量≤50ppm，O含量≤18ppm，H含量≤1.5ppm；

（5）连铸

采用强冷二冷配水模式，同时结合直弧形铸机的特点，从弯曲段到水平段的内外弧二冷水配比合理分配，保证冷却均匀性；直弧形铸机共计16个扇形段，1-6段为弧形段内外弧水比1:1.4，7-8段为弯曲段内外弧水比1:1.6，9-16段为水平段内外弧水比1:2；设定矫直温度为890℃；电磁搅拌电流为450A，频率为6Hz；控制中包钢水过热度10-25℃，选用碱性覆盖剂充分吸收中间包上浮的有害夹杂物；直弧形铸机的扇形段7-8段为矫直段为裂纹产生的敏感段，设计轻压下区间时将压下起始位置定在8段末端，终止点定在10段末，对应两相区压下区间为35%-100%，压下总量6mm，既避开了矫直段，又保证了压下效果；

（6）铸坯加热

铸坯加热到1220±30℃，均热时间≥25min；

（7）轧制

粗轧开始轧制温度≥1100℃；中间坯厚度M按照M=2H-（20-30）控制，H为成品板厚，M、H的单位为mm；精轧终轧温度≤860℃；

（8）正火热处理工艺要求

正火保温温度800-900℃，保温时间1.0-2.0min/mm；

（9）回火热处理工艺要求

对成品钢板进行正火热处理之后，再进行精准的回火热处理，所述回火热处理的 加热温度T，保温时间t，板厚H，和钢板心部硬度均值

符合下面的公式：

=36.05-0.0119H+0.0046T-0.051t+0.0224(H-77)²+0.047(H-77)(t-676)+ 0.024(T-676)²；

上述公式中，T的单位为℃，t的单位为min，H的单位为mm，

的单位为HRC；得到 截面硬度均匀的预硬型镜面塑料模具钢；当板厚H为50-100mm，模具钢的心部硬度均值

为28-34HRC时，回火温度T为650-700℃，保温时间120-170min，制得的模具钢最大截面硬度 差≤3HRC，夹杂物级别低，加工成型面表面粗糙度值Ra≤0.10μm。

所述复合脱氧剂的粒度要求5-50mm，小于5mm 比例不超过10%、大于50mm 比例不超过5%。

表1 本发明各实施例模具钢的化学成分（wt%）取值列表

表2 本发明各实施例的主要工艺参数的取值列表

表3 本发明LF炉精炼时添加的复合脱氧剂成分含量列表（wt%）

表4 本发明LF炉精炼过程终渣成分含量列表（wt%）

表5本发明各实施例的低倍分析结果列表

表6 本发明各实施例的铸坯轧制及热处理工艺参数列表

表7 本发明各实施例的截面方向硬度及铣削表面质量和抛光效果

从上表5可以看出，5个实施例中心偏析均在C1.0以内，中心疏松0.5，无中间裂纹、三角区裂纹等缺陷，等轴晶率均在30%以上，低倍质量较好。从表7可以看出，就5个实施例的表面硬度和心部硬度而言，按照硬度测试的试验标准测得的六个HRC值，彼此之间相差很小。实施例5的六个HRC值中，最大值与最小值之间的差值仅为0.8HRC，实施例3的六个HRC值中，最大值与最小值之间的差值为2.2HRC，加工成型面表面粗糙度值Ra≤0.10μm，适合制作高品质预硬化镜面塑料模具。

附图1是本发明实施例2制得的镜面塑料模具钢的夹杂物示意图，从图中可以看出，钢质非常纯净，在光学显微镜下，几乎看不到夹杂物。优异的冶金质量，为本发明预硬化塑料模具钢的高镜面性能奠定了基础，配合精准的轧制和热处理，得到截面方向硬度均匀、高镜面性能的预硬化塑料模具钢。

上述实施例仅仅是为解释本发明而例举的具体实例，并不以任何形式限制本发明，任何人根据上述作内容和形式做出的不偏离本发明权利要求保护范围的非实质性的改变，均应认为落入本发明权利要求的保护范围。本发明不局限于上述具体的实施实例。

Claims (4)

1.一种预硬型镜面塑料模具钢，其特征在于所述模具钢是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.20-0.25%、Si：0.50-0.70%、Mn：1.80-2.00%、S≤0.005、P≤0.015、Cr：3.0-5.0%、Mo：0.30-0.50%、Ni：1.00-1.50%、Al≤0.01、N≤0.005、B：0.0008-0.0015%、Ti：0.018-0.031%，其余为Fe和不可避免杂质，同时上述化学成分还必须满足公式：

B=0.043%+0.625S-0.128C-0.0031Cr-0.0036Mo；

Al=-0.034%-0.167C+5.69S+0.696Ti+9.87N；

所述的预硬型镜面塑料模具钢的生产方法，包括KR脱硫—130t转炉—LF—RH—板坯连铸—铸坯缓冷—铸坯加热—轧制—正火热处理—回火热处理；具体实施步骤如下：

（1）KR脱硫

铁水入站温度≥1350℃，扒除表面渣1/2后根据铁水原S情况加入适量脱硫剂搅拌脱硫，出站要求：铁水S≤0.010%，扒渣面积≥3/4，铁水温度≥1280℃；

（2）转炉冶炼

冶炼终点时控制C：0.10-0.15%，P≤0.008%，出钢温度：T=1560-1600℃，采用滑板挡渣；

（3）LF炉精炼

钢包到站后，喂铝线将Al含量控制在0.010%-0.020%，防止测温和取样时爆吹，造成二次氧化；采用石灰+复合脱氧剂快速造白渣，白渣保持时间≥10min，终渣成分CaO：50%-60%、SiO₂＜10%、Al₂O₃25%-30%、MgO＜8%、（MnO+FeO）＜1%，以保证高脱硫率和吸收Al₂O₃夹杂的能力；LF结束时将钢中控制Al含量≤0.010%，S含量≤0.003%，其他元素均按照目标成分进行控制；

所述复合脱氧剂含有下述质量百分含量的成分：Al：25.0-35.0%，Al₂O₃：30.0-45.0%，MgO：5.0-10.0%，CaO≤5.0，SiO₂≤7.0，C≤5.0，H₂O≤1.5；

（4）RH真空炉

RH炉不允许调整成分，真空度达到67Pa后，保持时间≥15min，确保钢水中N含量≤50ppm，O含量≤18ppm，H含量≤1.5ppm；

（5）连铸

采用强冷二冷配水模式，同时结合直弧形铸机的特点，从弯曲段到水平段的内外弧二冷水配比合理分配，保证冷却均匀性；直弧形铸机共计16个扇形段，1-6段为弧形段内外弧水比1:1.4，7-8段为弯曲段内外弧水比1:1.6，9-16段为水平段内外弧水比1:2；设定矫直温度为890℃；电磁搅拌电流为450A，频率为6Hz；控制中包钢水过热度10-25℃，选用碱性覆盖剂充分吸收中间包上浮的有害夹杂物；

（6）铸坯加热

铸坯加热到1220±30℃，均热时间≥25min；

（7）轧制

粗轧开始轧制温度≥1100℃；中间坯厚度M按照M=2H-（20-30）控制，H为成品板厚，M、H的单位为mm；精轧终轧温度≤860℃；

（8）正火热处理

正火保温温度800-900℃，保温时间1.0-2.0min/mm；

（9）回火热处理

对成品钢板进行正火热处理之后，再进行精准的回火热处理，所述回火热处理的加热温度T，保温时间t，板厚H，和钢板心部硬度均值

符合下面的公式：

=36.05-0.0119H+0.0046T-0.051t+0.0224(H-77)²+0.047(H-77)(t-676)+0.024(T-676)²；

上述公式中，T的单位为℃，t的单位为min，H的单位为mm，

的单位为HRC；得到截面硬度均匀的预硬型镜面塑料模具钢。

2.根据权利要求1所述的一种预硬型镜面塑料模具钢，其特征在于：直弧形铸机的扇形段7-8段为矫直段为裂纹产生的敏感段，设计轻压下区间时将压下起始位置定在8段末端，终止点定在10段末，对应两相区压下区间为35%-100%，压下总量6mm，既避开了矫直段，又保证了压下效果。

3.根据权利要求1所述的一种预硬型镜面塑料模具钢，其特征在于：所述复合脱氧剂的粒度要求5-50mm，小于5mm 比例不超过10%、大于50mm比例不超过5%。

4.根据权利要求1所述的一种预硬型镜面塑料模具钢，其特征在于：当板厚H为50-100mm，模具钢的心部硬度均值

为28-34HRC时，回火温度T为650-700℃，保温时间120-170min，制得的模具钢最大截面硬度差≤3HRC，夹杂物级别低，加工成型面表面粗糙度值Ra≤0.10μm。

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