本發(fā)明涉及鋼鐵材料制造，特別是一種大厚度預(yù)硬塑料合金模具鋼板及其生產(chǎn)方法。

背景技術(shù)：

1、模具是制造業(yè)的重要基礎(chǔ)工藝裝備，因其生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、材料消耗低、生產(chǎn)成本低而獲得廣泛應(yīng)用，是現(xiàn)代工業(yè)，特別是汽車、航空、儀表、醫(yī)療器械、家用電器、日用品等工業(yè)領(lǐng)域必不可少的工藝裝備。模具用鋼包括冷作、熱作和塑料模具等，以塑料模具應(yīng)用最廣，市場占比約80%，塑料制品方便了人們的日常生活，與民生息息相關(guān)，發(fā)展塑料模具鋼尤為重要。

2、預(yù)硬塑料模具鋼因其特殊的交貨方式，鋼板出廠時需要確保硬度性能符合使用要求，下料后不需熱處理可直接使用，深受模具市場的青睞。隨著科技的發(fā)展，模具制品逐步向超厚大尺寸、高拋光性等方向發(fā)展，超厚模具鋼的需求量也日益增加。然而，隨著模具厚度的增加，受鋼材淬透性和壓鋼壓縮比限制，鋼材心部截面組織不均和硬度波動大的問題尤為突出，通常需要加入較多的ni、mo、v貴重合金元素細(xì)晶強(qiáng)化，大大增加了生產(chǎn)成本。另一方面，對于100mm以上超厚規(guī)格的模具鋼，為了保證心部性能和內(nèi)部質(zhì)量，極少采用連鑄坯直接生產(chǎn)，通常采用大斷面模鑄或復(fù)合坯軋制，生產(chǎn)效率低下，且對成本控制不利。

3、公開號為cn102896466a的中國專利公開了“一種150～400mm厚塑料模具用鋼板的生產(chǎn)方法”，經(jīng)氣體保護(hù)焊、埋弧焊和真空電子束組合焊接工藝或全真空電子束焊接形成大厚度坯料，然后經(jīng)加熱、軋制、緩冷、熱處理工序，生產(chǎn)的塑料模具用鋼板超聲波探傷合格率達(dá)98％以上，硬度分布均勻，具有優(yōu)良加工性、耐磨性和拋光性，適于各類塑料模具制造。其所述的超厚鋼板增加了鑄坯復(fù)合工序，需要復(fù)合坯焊后再軋制，加熱時間長，生產(chǎn)效率低，且氣體保護(hù)焊工藝極易產(chǎn)生表面氧化，影響焊接效果，復(fù)合強(qiáng)度難以保障。公開號為cn117448681a的中國發(fā)明專利提出了“一種預(yù)硬型塑料模具鋼及其制造方法”，化學(xué)成分采用cr～mo～v設(shè)計，未添加ni或b元素，存在心部淬透性不足問題，不利于超厚板的生產(chǎn)。該發(fā)明采用模鑄生產(chǎn)，要求鍛壓比≥6.0倍。模鑄較連鑄生產(chǎn)效率低下，成本偏高，鍛壓比≥6.0的要求，也進(jìn)一步限制了在連鑄坯的應(yīng)用。

4、申請?zhí)枮?01910047103.6的中國發(fā)明專利公開了“一種預(yù)硬型塑料模具鋼及其制備方法”，其成分按質(zhì)量百分比含c：0.32%～0.40％，si：0.20%～0.35％，mn：1.30%～1.60％，cr：1.80%～2.10％，ni：0.90%～1.15％，p≤0.015％，s≤0.005％，v：0.10～0.35％，余量為fe；其等向性≥0.80。該發(fā)明的方法制備出的預(yù)硬型塑料模具鋼，ni、v貴重合金加入較多，淬透性較好，但過多的貴重合金加入提高了合金成本。該發(fā)明熱處理采用正火+回火工藝，雖然細(xì)化了組織晶粒，改善局部偏析，但增加了正火工序，生產(chǎn)周期長，不利于成本控制，影響市場競爭力。

5、因此，研發(fā)一種成本較低，綜合性能良好的大厚度預(yù)硬型塑料合金模具鋼，對現(xiàn)有塑料合金模具鋼行業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是針對目前生產(chǎn)預(yù)硬型大厚度塑料模具鋼板時普遍存在生產(chǎn)成本高，工序復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，且綜合性能難以保障的問題，提供一種大厚度預(yù)硬塑料合金模具鋼板及其生產(chǎn)方法。本發(fā)明生產(chǎn)的塑料模具鋼是一種以回火馬氏體+回火索氏體的均勻混合組織，鋼板硬度性能30～36hrc，截面硬度偏差≤3hrc，應(yīng)力消除充分，可直接鋸切使用的的塑料模具鋼板。

2、本發(fā)明的一種大厚度預(yù)硬塑料合金模具鋼板，其特征在于所述鋼板包含下述質(zhì)量分?jǐn)?shù)的化學(xué)成分：c：0.35～0.40%，si：0.20～0.40%，mn：1.30～1.60%，p≤0.018%，s≤0.005%，als：0.012～0.040%，cr：1.50～1.80%，mo：0.15～0.25%，ni：0.80～0.90%，ca：0.0015～0.0030%，b：0.0010～0.0020%，其余為fe和不可避免的雜質(zhì)。

3、本發(fā)明生產(chǎn)制得的成品鋼板厚度規(guī)格為100～180mm，熱處理淬透性強(qiáng)，回火后為回火馬氏體+回火索氏體組織，鋼板硬度范圍30～36hrc，心部組織均勻性好，同板硬度波動≤3hrc，模具刻蝕性和熱穩(wěn)定性好。

4、本發(fā)明的一種大厚度預(yù)硬塑料合金模具鋼板的生產(chǎn)方法，包括：轉(zhuǎn)爐冶煉→lf精煉→真空脫氣→澆注→鑄坯熱送加熱→軋制→堆冷→熱處理，其中：

5、（1）轉(zhuǎn)爐冶煉：鎳、鉬合金隨廢鋼入爐吹煉，拉碳出鋼，冶煉終點(diǎn)成分控制[c]：0.08～0.012%，[p]≤0.015%，出鋼溫度1620～1660℃；

6、（2）lf精煉：進(jìn)站喂鋁線脫氧，造渣升溫，升溫分兩階段進(jìn)行，前期埋弧高檔位急速升溫10min至鋼水溫度達(dá)到1570±10℃，根據(jù)化渣和溫度情況中檔補(bǔ)償二次升溫5～10min至鋼水溫度達(dá)到1600±10℃，渣堿度按5～8控制，1580℃以上溫度出現(xiàn)白渣，過程每間隔1～2min丟入電石20～40kg/次，共計加入電石0.8～2.0kg/t鋼，白渣保持時間≥15min；

7、（3）真空脫氣：rh處理≤67pa高真空條件下，保壓時間≥15min/爐，破空后喂硅鈣線300～400米/爐，硅鈣線直徑φ12mm，鈣處理后軟吹氬處理，鋼液面氬花直徑50～100mm，軟吹時間≥5min；

8、（4）澆注：澆注斷面360×2200mm，開啟電磁攪拌和動態(tài)輕壓下，采用弱冷慢拉模式拉鋼，電攪參數(shù)設(shè)定420a，6hz，拉速0.6～0.65m/min，一冷配水500/4300l/min，二冷分區(qū)控制，冷卻水比0.4～0.5l/kg，矯直溫度按920～950℃控制，在扇形段7～8區(qū)處完成輕壓下6.0mm，進(jìn)一步減輕中心偏析程度，坯料分切后及時熱送加熱爐裝爐；

9、（5）鑄坯熱送加熱：控制鑄坯入爐溫度400～650℃；一加溫度600～1000℃，一加時間60～90min，二加溫度1150±50℃，三加溫度1250±30℃，均熱段溫度為1230±20℃，均熱時間按40min控制，總加熱速率為（0.9～1.1）×hmin/mm，出爐溫度為1180～1220℃，所述h是以毫米為單位的鑄坯厚度值；

10、（6）軋制：采用中間水冷三階段軋鋼工藝，一階段單道次壓下量≤35mm，待坯厚度按260mm設(shè)定，入中間水冷機(jī)加速冷卻，冷速2～5℃/s，打水后等待10秒返溫進(jìn)行二階段軋制，單道次壓下量按30～40mm控制，中間待坯厚度為成品厚度+30mm，二階段開軋溫度≤980℃，采用多道次小壓下軋制，單道次壓下量≤8mm，終軋溫度940±20℃，坯料總壓縮比≥2.0；

11、（7）冷卻：鋼板軋完后采用acc適量澆水，上下水比1:1.3，輥速0.9m/s，冷速2～4℃/s，返紅溫度650～700℃?；矯直后在冷床空冷至200～400℃，吊鋼下線堆冷≥48h，避免風(fēng)口，要求上下墊熱鋼隔溫；

12、（8）熱處理：采用580±30℃高溫回火，保溫時間3.5×hmin，h是以毫米為單位的鑄坯厚度值。

13、以下詳述本發(fā)明中主要化學(xué)成分限定量的理由：

14、本發(fā)明中，c是鋼中保證硬度和淬透性的重要元素，可以有效地提高淬透性，經(jīng)濟(jì)型最強(qiáng)，c含量偏低，無法保證截面硬度均勻性，c含量過高，容易造成偏析和開裂，因此本發(fā)明控制鋼中c含量在0.35％～0.40％范圍內(nèi)；mo是強(qiáng)淬透性元素，能顯著提高鋼的強(qiáng)度，同時降低鋼板回火脆性，預(yù)防裂紋發(fā)生；mn、cr都是強(qiáng)韌化和提高淬透性元素，能較好的固溶在fe基體中，提高鋼板的強(qiáng)度和硬度；ni在鋼中可強(qiáng)化鐵素體并細(xì)化珠光體，尤其對厚規(guī)格心部組織細(xì)化效果明顯，在保持良好塑性和韌性的同時，均勻心部性能，綜合考慮成本因素，本發(fā)明控制鋼中ni含量在0.80％～0.90％；b在鋼中以間隙原子的形式存在，在鋼中的溶解度很小，b能推遲鐵素體和珠光體的形成，淬透性能力極強(qiáng)，當(dāng)b含量過高時，則會導(dǎo)致晶界能量過低形成硼脆，本發(fā)明b的含量控制范圍0.0010～0.0020%；ca為強(qiáng)脫氧劑改質(zhì)劑，可球化非金屬夾雜物的形態(tài)和數(shù)量，提高鋼水流動性，同時細(xì)化晶粒，減少硬質(zhì)大顆粒夾雜數(shù)量，提高拋光性和切割加工性。

15、以下詳述本發(fā)明模具鋼板的工藝及工藝參數(shù)設(shè)定理由：

16、（1）轉(zhuǎn)爐冶煉：鉬、鎳合金穩(wěn)定性強(qiáng)，可隨廢鋼加入轉(zhuǎn)爐吹煉而不燒損，同時減少了后工序配加合金帶來的溫降損失，避免高溫出鋼，對脫p不利；采用拉碳出鋼，主要是考慮到經(jīng)濟(jì)配mn、配cr時采用高碳錳鐵、中高碳鉻鐵時增碳影響，但出鋼碳過低會加重鋼水氧化性，增加鋁耗，增加夾雜物去除難度，終點(diǎn)溫度以1620～1660℃，終點(diǎn)c以0.08%～0.12%為宜；終點(diǎn)p主要是防止出鋼過程下渣回磷導(dǎo)致磷含量出格。

17、（2）lf精煉處理：進(jìn)站喂鋁線為了脫氧營造還原氛圍，對脫硫有利；分兩階段升溫，前期高檔大電流后期中檔調(diào)溫，主要是提高前期化渣速度，盡量早化渣、成渣，提高精煉效果，后期精準(zhǔn)補(bǔ)償溫度，精煉渣堿度在5～8時可形成7(al2o3)·12(ca0)渣系，對吸附夾雜效果較好；起白渣后，多次間隔加入電石粉是為了維持渣系，增強(qiáng)去夾雜效果，提高鋼質(zhì)純凈度。

18、（3）真空脫氣：在≤67pa高真空條件下，保壓時間≥15min/爐時，可有效保障rh脫氣效果，破空后進(jìn)行鈣處理，可減少鈣的氧化提高收得率，軟吹控制液面氬花大小和時間主要是為了避免鋼水二次氧化的同時，保證吹氬鈣處理的循環(huán)效果，避免局部偏聚對鋼質(zhì)不利。

19、（4）澆注：澆注時啟用電磁攪拌和動態(tài)輕壓下，采用弱冷慢拉模式澆鋼，優(yōu)先的，澆注斷面360×2200mm，電攪參數(shù)設(shè)定420a?6hz，拉速0.6～0.65m/min，一冷配水500/4300l/min，二冷分區(qū)控制，冷卻水比0.4～0.5l/kg，矯直溫度按920～950℃控制，在扇形段7～8區(qū)處完成輕壓下6.0mm，可進(jìn)一步減輕中心偏析程度。一冷、二冷配水均采用了弱冷模式，矯直溫度不宜過低，要規(guī)避其脆性口袋區(qū)間，可有效控制裂紋發(fā)生。

20、（5）鑄坯熱送加熱：為了避免極冷極熱產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋，減少溫降損失，鑄坯熱裝入爐為宜，裝爐溫度不宜過低，否則能以發(fā)揮熱裝效果。加熱時應(yīng)控制加熱梯度，且不宜過快，一加、二加、三加要按一定梯度緩慢加熱，因熱送坯料溫度波動大，一階段加熱梯度較大，且跨越鋼的第2脆性區(qū)，故一加速率不宜過快，確保加熱時間60～90min為宜。為充分固溶cr、mn、mo、ni等合金元素，均熱段溫度1230±20℃、均熱時間40min、總加熱速率為9～11min/cm控制為宜，均熱時間過長、加熱速率慢對生產(chǎn)節(jié)奏影響較大。出爐溫度1180～1220℃主要是出于除鱗溫降和命中軋制工藝考慮。

21、（6）軋制：采用中間水冷三階段軋鋼工藝，較傳統(tǒng)的二階段控軋不同，粗軋后增加中間水冷工序降低坯料表面溫度，心部溫度高強(qiáng)度較表面低有利于軋制力傳遞破碎心部晶粒，對大厚度軋制有利。冷卻后返溫10秒是為了避免坯料邊角部二維過冷黑邊嚴(yán)重導(dǎo)致邊裂，另外模具鋼合金含量較高，裂紋敏感性強(qiáng)，道次單壓下量不宜過大，避免軋制機(jī)械應(yīng)力過大引發(fā)軋制裂紋；三階段軋制溫度偏低，塑性降低，總壓下量不宜過大，應(yīng)采用多道次小壓下模式軋制，以中間坯厚為成品厚度+30mm，精軋單道次壓下量控制在8mm以內(nèi)為宜。為了模擬正火軋制控制組織晶粒尺寸，并保證鋼板軋后熱矯直效果，終軋溫度不宜過低，終軋溫度940﹢20℃為宜；為保證鑄坯心部組織均勻，晶粒組織尺寸適當(dāng)細(xì)化，坯料總壓縮比≥2.0為宜。

22、（7）冷卻和堆冷：為進(jìn)一步細(xì)化晶粒尺寸，鋼板軋完立即采用acc冷卻，受合金鋼應(yīng)力大影響，冷速不宜過快按2～4℃/s、返紅650～700℃控制為宜，在冷床空冷至200～400℃再吊鋼堆垛，可促進(jìn)貝氏體和馬氏體轉(zhuǎn)變，避免高溫堆垛組織轉(zhuǎn)變不充分影響后期熱處理工藝制定。另一方面，該鋼磁吸性較差，高溫不利于電磁吊天車吊鋼作業(yè)。

23、（8）熱處理：為得到最終硬度性能30～36hrc，并能均勻組織，充分釋放應(yīng)力，采用580±30℃高溫回火，保溫時間按3.5×hmin（h為板厚/mm）為宜。

24、本發(fā)明相對現(xiàn)有2311等同類預(yù)硬塑料模具鋼板及其生產(chǎn)工藝，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

25、（1）添加了ni、b合金，淬透性進(jìn)一步提高，在保證高強(qiáng)度的同時，改善了鋼的高溫塑性和韌性，內(nèi)部組織細(xì)化，截面硬度均勻性強(qiáng)，更適合制作大尺寸大厚度模具。

26、（2）采用中間水冷三階段軋鋼工藝，可提高坯料表面和芯部溫差，促進(jìn)軋制力向心部滲透，細(xì)化心部晶粒，突破軋制壓下量≥3.0倍限制，可實現(xiàn)連鑄坯壓下量2.0倍軋鋼，擴(kuò)寬連鑄坯生產(chǎn)的鋼板厚度范圍。

27、（3）本發(fā)明模具鋼板具有連鑄坯直軋厚度范圍寬、硬度均勻、晶粒細(xì)小、可加工性良好等優(yōu)勢，適合制造品質(zhì)要求高、大尺寸、超厚塑料模具，具有很好的應(yīng)用前景。

28、本發(fā)明提出了一種直接采用連鑄坯軋制100～180mm超厚預(yù)硬塑料合金模具鋼板及制造方法，介紹了如何控制煉鋼、連鑄、軋鋼和熱處理工藝，得到硬度適中、心部截面性能均勻、拋光性好的經(jīng)濟(jì)型預(yù)硬塑料模具鋼，突破了3.0倍軋制壓縮比限制，為鋼企解決超厚板心部性能均勻性問題提供了工作思路。

29、預(yù)硬化合金塑料模具鋼，首先要求硬度性可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，本發(fā)明通過合理的c、mn、cr、mo等強(qiáng)硬性化學(xué)元素設(shè)計，可使基體組織硬度達(dá)標(biāo)，再加入適量的ni、b合金，進(jìn)一步提高淬透性，促進(jìn)鋼板截面組織均勻化，降低芯部硬度波動。本發(fā)明的目的就是通過合理設(shè)計鋼的化學(xué)成分，控制精煉和連鑄工藝?yán)鋮s工藝提高鋼質(zhì)純凈度，通過三階段控軋和中間水冷工藝促進(jìn)鋼板心部組織碾碎細(xì)化，提高截面性能均勻性。堆冷后進(jìn)行高溫回火微調(diào)性能，得到一種以回火馬氏體+回火索氏體的均勻混合組織，鋼板硬度性能30～36hrc，截面硬度偏差≤3hrc，應(yīng)力消除充分，可直接鋸切使用的的塑料模具鋼板。