专利名称：一种截面硬度均匀的塑料模具钢厚板生产工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种塑料模具钢的生产工艺，具体地说是一种截面硬度均勻的塑料模 具钢厚板生产工艺。
背景技术：
随着我国塑料工业的迅速发展，市场对大型塑料模具钢的需求量日益增加，为了 提高模具的使用寿命，模具的加工精度及塑料制品的质量，对模具钢的质量要求越来越高。传统铸锭方法生产模具钢模耗高浇注难，脱模困难，钢液凝固慢，易产生缩孔，偏 析，短锭跑钢等缺陷，且生产效率低，成本高，成材率低。电渣重熔扁锭的生产需要专门的设 备，需要大的投资，工艺复杂，而且能耗高。连铸生产节奏快，不足以使所有的夹杂物有足够 的时间上浮，矫直后铸坯处于水平位置时，在冶金长度内，铸坯内部仍然存在液态金属的凝 固，在凝固过程中部分夹杂上浮受到铸坯外部凝固层的阻隔，而后部接近完全凝固的芯部 补缩通道并不畅通，因而造成连铸坯存在不同程度的夹杂富集、偏析以及疏松区域。采用连 铸坯生产压缩比较小的厚板，对连铸坯的质量要求是非常高的，采用普通连铸工艺生产优 质厚钢板较为困难。塑料模具钢传统热处理工艺是淬火/正火+回火，这样不仅多了工序环节，同时也 带来能源损失，工人劳动强度大等问题。
发明内容
为了克服现有塑料模具钢厚板生产存在的问题，本发明的目的是提供一种截面硬 度均勻的塑料模具钢厚板生产工艺，该生产工艺利用水冷模铸坯厚板坯，通过控制轧制，利 用轧后余热、控制冷却实现在线预硬化，然后中温回火，达到该类钢进行预硬化处理目的。 本发明不仅可以减少能源消耗，减少污染；并能提高组织和硬度的均勻性和预硬化回火工 艺的稳定性。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的—种截面硬度均勻的塑料模具钢厚板生产工艺，其特征在于该生产工艺对传统塑 料模具钢的成分进行适当调整，采用开合式水冷模铸机浇注、合理的加热制度及控轧控冷 工艺、并通过轧后中温回火处理得到塑料模具钢厚板，具体步骤如下1)在传统模具钢P20的成分基础上进行了适当调整，在满足硬度的前提下，适当 降低碳量，同时加入微量Ti细化晶粒，加入微量B提高淬透性，使截面硬度更加均勻；塑料 模具钢的化学成分重量百分比为M 0. 30-0. 36%、锰0. 90-1. 20%、铬1. 40-1. 70%、钼 0. 30-0. 50%、硅0· 40-0. 60%、磷;^ 0. 01、硫;^ 0. 002,It^ 0. 03、硼;^ 0. 002。2)采用开合式水冷模铸机浇注，采用低温浇注，底注上补缩的浇注工艺，循环水冷 结晶器使钢液快速凝固，钢液不承受任何收缩阻力，保证模铸坯宽面无裂纹；3)确定加热炉内加热制度，钢锭的加热温度不超过1240°C，使合金元素充分固 溶；钢锭采用热送温装，入炉温度大于250°C。粗轧温度为1080-1180°C，粗轧阶段采用高温
3大压下，精轧阶段900-95(TC开轧后，终轧温度>90(TC ；轧后下线温度250°C以下，轧后堆 冷，堆冷时间在24h左右，得到钢板；4)对钢板进行回火处理，回火温度在550-580°C，得到60_120mm截面硬度均勻的
塑料模具钢厚板。本发明步骤2)中，低温浇注可防止柱状晶粗大；在水循环下强制冷却，凝固成坯， 在表面形成较细的一层等轴晶，表面质量好；角部设有用来分散应力的圆弧，得到的模铸坯 无角裂；模铸坯中心等轴晶率>30%，可视缩孔为零。步骤3)中，采用合适的加热制度，钢 锭的加热时间为5-6小时；控制终轧温度和下线温度，采用在线风冷的方法实现在线预硬 化处理；并通过回火处理消除应力，降低钢板硬度。本发明在传统模具钢P20的成分基础上进行了适当调整，碳对钢的强韧性、硬度、 耐磨性有决定性影响，碳量增多，硬度、强度和耐磨性增高，但韧性下降。在满足硬度的前提 下，适当降低碳量，同时加入微量Ti细化晶粒，加入微量B提高淬透性，使截面硬度更加均 勻。冶炼化学成分C、Cr、Mo、Mn必须控制在很窄的范围。本发明通过控制轧制，利用轧后余热、控制冷却实现在线直接正火，然后中温回 火，达到该类钢进行预硬化处理目的。本发明在采用开合式水冷模铸机浇注时，钢液静态结晶，无拉矫，出现角裂和内裂 的机会少。底注工艺，夹杂物易上浮。角部设有用来分散应力的圆弧，圆弧为R25mm，得到的 模铸坯无角裂；循环水冷结晶器使钢液结晶速度快，无2次和3次枝状晶；模铸机可由多个 模体结合，铸坯品种规格调整更换容易，适用范围广；可进行高温脱模，条件允许，钢坯可实 现热送，温装；铸坯内部质量与连铸坯相近，由于无震痕，角裂和表面氧化，表面质量明显优 于连铸坯。本发明中60_120mm厚的钢板经控轧和风冷后，硬度值有一定差异，但一般随钢板 厚度的增加，硬度有下降趋势。同一厚度钢板的边部硬度最高，芯部硬度最低，且随钢板厚 度的减小，硬度差减小。边部一般得到马氏体组织，心部为贝氏体和索氏体的混合组织。通 过控轧控冷的手段，实现塑料模具钢预硬化，并提高组织和硬度的均勻性和预硬化回火工 艺的稳定性。在模具钢生产中采用控轧控冷+中温回火的工艺是很好的节能途径。本发明控轧 控冷后硬度满足淬硬性要求，回火温度后可满足预硬化状态交货的技术要求。生产的钢板 规格可达120mm，其组织为回火马氏体和少量贝氏体组织，在此状态具有良好的强韧性和足 够的硬度，洛氏硬度在33-35之间。通过控轧控冷替代离线正火，可节约能源，为企业创造 巨大的经济效益和社会效益。本发明的有益效果如下1、传统的塑料模具钢采用中等水平的碳含量，以Fe-C两元素为基础，通过Si、Cr、 Mn、Mo等合金元素对钢基体的强化，确保钢具有较高的淬透性能，经淬、回火调质后获得良 好切削加工性能的回火马氏体组织。本发明在满足硬度的前提下，适当降低碳量，同时加入 微量Ti细化晶粒，加入微量B提高淬透性，使截面硬度更加均勻。2、水冷模铸浇注适应多品种、多尺寸规格、小批量的需求，浇注速度快，开模脱坯 时间短，铸坯无缩孔和气孔，成品率高。脱模时铸出的钢坯温度高，可以进轧机直接轧制。水 冷模铸坯的质量高于模铸坯，生产成本低于连铸坯。
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3、铸坯厚度300-400mm，可以轧制出60_120mm特厚规格的塑料模具钢，超声波检 测达GB/T2970-2004标准I级，夹杂物级别较低，晶粒度达9级，综合性能良好，满足了用户 要求和市场需求。4、采用的控轧控冷+中温回火工艺简单合理，通过在线预硬化处理，使钢板截面 硬度均勻，截面硬度相差很小，通过正火轧制替离线正火，不仅可以减少能源消耗，减少污 染可以为企业带来很大的经济效益和社会效益。通过控轧控冷的手段，实现P20的预硬化， 并提高组织和硬度的均勻性和预硬化回火工艺的稳定性。
图1 (a)是厚度为IOOmm的塑料模具钢厚板热轧态边部组织形态图；图1 (b)是厚度为IOOmm的塑料模具钢厚板热轧态1/4处组织形态图；图1 (c)是厚度为IOOmm的塑料模具钢厚板热轧态芯部组织形态图；图2 (a)是厚度为IOOmm的塑料模具钢厚板回火态边部组织形态图；图2 (b)是厚度为IOOmm的塑料模具钢厚板回火态1/4处组织形态图；图2(c)是厚度为IOOmm的塑料模具钢厚板回火态芯部组织形态图。
具体实施例方式一种截面硬度均勻的塑料模具钢厚板生产工艺，该生产工艺采用合适的化学成分 设计、开合式水冷模铸机浇注、通过合理的加热制度及控轧控冷工艺、控轧控冷后直接回火 处理得到截面硬度均勻塑料模具钢厚板，具体步骤如下碳对钢的强韧性、硬度、耐磨性有决定性影响，碳量增多，硬度、强度和耐磨性增 高，但韧性下降。在满足硬度的前提下，适当降低碳量，同时加入微量Ti细化晶粒，加入微 量B延缓奥氏体-珠光体转变的孕育期，提高淬透性，使截面硬度更加均勻。冶炼化学成 分C、Cr、Mo、Mn必须控制在很窄的范围。预硬化塑料模具钢P20化学成分重量百分比碳 0. 30-0. 36 %、猛0. 90-1. 20 %、铬1. 40-1. 70 %、钼0. 30-0. 50 %、硅0. 40-0. 60 %、磷 彡 0. 01、硫< 0. 002，钛彡 0. 03、硼彡 0. 002。使用开合式水冷模铸机浇注了厚度320mm，宽度2. 2m,长度3. 5m的钢坯。在水循 环条件下强制冷却，凝固成坯，钢坯无内裂外裂鼓肚等缺陷，钢坯组成致密，内外质量好。浇 注时，开浇温度保持10°c左右过热度，浇注时间控制在20min范围内，脱模时间在1小时之 内。采用热送温装，入炉温度大于250°C，低于此温度铸坯采用下铺上盖夹放在热坯中 预热。加热炉加热温度不宜超过1240°C，总加热时间6h ；采用高温、低速强压下的轧制方 式，纵横交叉轧制，改善金属变形条件，提高钢板性能质量。粗轧温度为1080-1180°C，中间 坯厚度为1. 5h,终轧温度控制在860-900°C，下线温度250°C以下，风冷后洛氏硬度可达40， 可满足淬透性要求。经轧制和风冷后的IOOmm厚的钢板，钢板的边部硬度最高，芯部硬度最 低。边部一般得到马氏体组织，心部为贝氏体和索氏体的混合组织。通过控轧控冷的手段， 实现塑料模具钢预硬化，并提高组织和硬度的均勻性和预硬化回火工艺的稳定性。钢板回火工艺回火温度550-580°C左右，保温时间2. 5min/mm。经热处理得到性 能合格的预硬化硬化塑料模具钢厚板。同一块钢板的不同部位，经同一回火温度处理后，其硬度值差比回火前明显减小，同一块钢板的芯部与边部硬度值基本相同，同截面硬度相差 2HRC。随着回火温度的升高，硬度降低。图1 (a)是厚度为IOOmm的塑料模具钢厚板热轧态边部组织形态图；图1 (b)是厚 度为IOOmm的塑料模具钢厚板热轧态1/4处组织形态图；图1(c)是厚度为IOOmm的塑料模 具钢厚板热轧态芯部组织形态图。边部一般为回火马氏体或索氏体，心部为贝氏体或细珠 光体，这是由于轧后冷却速度不同，钢板表面风冷后形变奥氏体进入正火阶段，使表面层一 定深度达到马氏体的临界冷却速度，发生形变奥氏体向马氏体转变，表层马氏体层的深度 决定于冷却持续的时间，但心部温度仍较高，在随后冷却过程中，由于钢板截面存在温度梯 度，心部热量向外扩散，传至表面的淬火层，使已经形成的马氏体进行自回火，转变为回火 马氏体或回火索氏体。临近表层处的奥氏体随截面大小和冷却条件不同转变为贝氏体或索 氏体。芯部转变为细珠光体和贝氏体，其转变量与截面，冷却效果和持续时间有关。图2(a)是厚度为IOOmm的塑料模具钢厚板回火态边部组织形态图；图2(b)是厚 度为IOOmm的塑料模具钢厚板回火态1/4处组织形态图；图2(c)是厚度为IOOmm的塑料模 具钢厚板回火态芯部组织形态图。边部组织为回火马氏体组织，芯部组织为回火马氏体+ 贝氏体。研究表明，预硬化塑料模具钢厚板经控轧控冷和回火处理后，截面硬度均勻，平均 洛氏硬度为33-35HRC，同截面硬度相差2HRC，常温冲击功达到50J。超声波检测通过GB/ T2970-2004标准I级，夹杂物级别较低，IOOmm厚钢板晶粒度为9级，综合性能好。
权利要求
1.一种截面硬度均勻的塑料模具钢厚板节能生产工艺，其特征在于该生产工艺对传统 塑料模具钢的成分进行适当调整，采用开合式水冷模铸机浇注、合理的加热制度及控轧控 冷工艺、并通过轧后中温回火处理得到塑料模具钢厚板，具体步骤如下1)在传统模具钢P20的成分基础上进行了适当调整，在满足硬度的前提下，适当降低 碳量，同时加入微量Ti细化晶粒，加入微量B提高淬透性，使截面硬度更加均勻；塑料模 具钢的化学成分重量百分比为碳0. 30-0. 36%、锰0. 90-1. 20%、铬1. 40-1. 70 %、钼 0. 30-0. 50%、硅0· 40-0. 60%、磷;^ 0. 01、硫;^ 0. 002,It^ 0. 03、硼;^ 0. 002。2)采用开合式水冷模铸机浇注，采用低温浇注，底注上补缩的浇注工艺，循环水冷结晶 器使钢液快速凝固，钢液不承受任何收缩阻力，保证模铸坯宽面无裂纹；3)确定加热炉内加热制度，钢锭的加热温度不超过1240°C，使合金元素充分固溶；粗 轧温度为1080-1180°C，粗轧阶段采用高温大压下，精轧阶段900-950°C开轧后，终轧温度 彡9000C ；轧后下线温度250°C以下，轧后堆冷，得到钢板；4)对钢板进行回火处理，回火温度在550-580°C，得到60-120mm截面硬度均勻的塑料 模具钢厚板。
2.根据权利要求1所述的截面硬度均勻的塑料模具钢厚板节能生产工艺，其特征在 于步骤3)中，钢锭采用热送温装，入炉温度大于250°C。
3.根据权利要求1所述的塑料模具钢的厚板生产工艺，其特征在于步骤2)中，低温 浇注，防止柱状晶粗大；在水循环下强制冷却，凝固成坯，在表面形成较细的一层等轴晶， 表面质量好；角部设有用来分散应力的圆弧，得到的模铸坯无角裂；模铸坯中心等轴晶率 ^ 30%，可视缩孔为零。
4.根据权利要求1所述的塑料模具钢的厚板生产工艺，其特征在于步骤3)中，采用 合适的加热制度，钢锭的加热时间为5-6小时；控制终轧温度和下线温度，采用在线风冷的 方法实现在线预硬化处理；并通过回火处理消除应力，降低钢板硬度。
全文摘要
本发明公开了一种截面硬度均匀的塑料模具钢厚板生产工艺，该生产工艺对传统塑料模具钢的成分进行适当调整，采用开合式水冷模铸机浇注、合理的加热制度及控轧控冷工艺、并通过轧后中温回火处理得到塑料模具钢厚板，该生产工艺利用水冷模铸坯厚板坯，通过控制轧制，利用轧后余热、控制冷却实现在线预硬化，然后中温回火，实现钢的预硬化处理。本发明不仅可以减少能源消耗，减少污染；并能提高组织和硬度的均匀性和预硬化回火工艺的稳定性。本发明将厚度300-400mm铸坯轧制出60-120mm特厚规格的钢板，截面硬度均匀，硬度相差很小，综合性能好。
文档编号B21B37/74GK102002638SQ20101028936
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月20日 优先权日2010年9月20日
发明者张逖, 李明, 石小军, 邱红雷 申请人:南京钢铁股份有限公司