CN113265575A - 一种特厚Mn-Cr系模具钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特厚Mn‑Cr系模具钢的制备方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、LF+RH精炼、板坯浇铸、板坯加热、热轧、堆垛缓冷、回火热处理步骤。所述模具钢由如下质量百分比的各组分组成：C：0.38‑0.42%，Si：0.20‑0.40%，Mn：1.4‑1.6%，Cr：1.8‑2.0%，S：≤0.005%，P≤0.020%,Al：0.010～0.025%，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明结合现有设备，采用475mm大断面连铸机、5000mm强力宽厚板轧机等设备进行制备，通过经济合理的成分设计及简单的“热轧+堆垛+回火热处理”工艺，在未添加贵重合金元素Ni、Mo的前提下，开发出了一种低成本、高表面质量的特厚塑料模具用钢，有效解决了现有塑料模具钢，生产工艺复杂，合金成本偏高，表面质量不良，性能波动等系列问题。

Description

一种特厚Mn-Cr系模具钢的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种特厚Mn-Cr系模具钢的制备方法，适用于450mm以上特厚的模具钢制备。

背景技术

随着我国塑料工业的高速发展,我国现有的塑料模具无论在数量方面还是在质量方面都远远不能满足需求。塑料模具钢主要用于制造生产塑料制品的模具，既要承受炙热的塑料熔融液的冲刷磨损，又要承受氯、氟等有害气体的腐蚀。为提高塑料制品质量和扩大应用领域，塑料模具钢正向硬度均匀性好、探伤级别高、使用寿命长的方向发展。

中碳Cr-Mo系塑料模具钢（如P20）具有良好的耐腐蚀型、可切削性及镜面研磨性能。目前,塑料制品向着大型化、精密化、复杂化方面发展,更新换代越来越快,而塑料模具钢的质量直接影响着塑料模具的使用寿命及塑料制品的质量。模具制造过程中为避免其发生变形和产生裂纹，一般以调质态交货，且要求其预硬化处理后硬度达到28-35HRC。为保证具有良好的强度、韧性及耐高温性能，在添加Cr、Mo、Ni等合金元素的同时，在传统生产模式下，预硬型塑料模具钢一般都经过调质处理，生产周期长、能耗高，不符合节能及降本增效的要求。除一般的强韧性要求外，塑料模具钢还必须具有良好的淬透性、截面硬度均匀性、切削加工型、磨抛性等。

现有技术1，专利“一种新型塑料模具钢及其制备方法”（申请号：CN 104674134A），采用“C：0.18-0.23％，Mn：1.60-1.90％，Mo：0.21-0.30%，Ni：0.10-0.20%，V：0.05-0.10％，S：≤ 0.010％，”成分设计，采用钢锭生产方式，钢锭脱模后热送锻压,并在1200-1250℃加热处理后再雾冷至300-350℃，然后空冷，最后再入炉进行去应力回火处理。尽管在锻制中简化和取消调质或预硬化工序，但合金设计加入贵重合金Ni、Mo,采用钢锭生产模具钢，成材率低，钢板表面质量难以保证；同时，锻制过程中，采用高温加热、雾冷及回火处理，工序复杂，对工装能力要求高。

现有技术2，专利“用于P20和718塑料模具钢的热加工工艺”（申请号：CN109825688 A），采用严格的锻造工序及离线再加热淬火+回火处理，处理P20和718塑料模具钢，生产周期势必增加长，生产成本也高。

现有技术3，专利“一种连铸坯生产特厚合金模具钢板及其制造方法”（申请号：CN110396648 A），其成分设计为如下，C：0.35-0.45％，Si：0.20-0.40％，Mn：1.30-1.60％，P：≤0.020％，S：≤0.010％，Cr：1.80-2.00％，Mo：0.15-0.25％，Al：0.01-0.05％，Ni：≤0.30％，Cu：≤0.25％，B：0.002％及不可避免的杂质元素；通过“差温+大压下”轧制工艺，以及“正火+回火”热处理工艺生产200-300mm规格特厚合金模具钢，探伤满足ф2.0mm当量。该专利成分设计中添加贵重合金Mo，同时加入淬透性元素B，成本提高的同时，未考虑B对高C高合金模具钢质量的不利影响；采用传统的“正火+回火”工艺，生产周期长，工序复杂；轧制过程中，采用差温轧制方式，钢板表面温度低，硬化层厚，变形抗力势必增加，对轧制设备能力要求高，不具备批量工业推广和应用的条件。

现有技术4，文献“P20 塑料模具钢淬火及回火组织性能的研究”（李勇等，材料热处理技术，2010,39（06）），研究P20 塑料模具钢淬火及回火组织，并测定硬度随淬火温度及回火温度的变化规律。该文献从试验角度，采用“0.28-0.40% C，0.20 -0.80% Si，0.60-1.00% Mn，1.40-2.00% Cr，0.30-0.55% Mo”成分设计及“860℃*30min淬火+620℃*60min回火”预硬化工艺，可以保证15mm规格P20 塑料模具钢力学性能满足要求。成分设计高，工序多，且仅仅是实验室的模拟结果，对批量工业生产的指导作用不大。

中厚板是重要的钢铁产品之一，对我国基础设施建设、重大工程项目、国计民生极为重要。根据中厚板行业国际发展趋势和目前面临的重大需求，如何在现有工装能力和生产条件下，以“资源节约型、环境友好型”为主旨，开发一种低成本、高质量、短流程塑料模具用钢，具有非凡的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种特厚Mn-Cr系模具钢的制备方法，以解决现有技术中的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种特厚Mn-Cr系模具钢的制备方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、LF+RH精炼、板坯浇铸、板坯加热、热轧、堆垛缓冷、回火热处理步骤；其特征在于：所述模具钢由如下质量百分比的各组分组成：

C：0.38-0.42%，Si：0.20-0.40%，Mn：1.4-1.6%，Cr：1.8-2.0%，S：≤0.005%，P≤0.020%,Al：0.010～0.025%，余量为Fe及不可避免的杂质;

所述制备方法如下：

板坯浇铸步骤，投入轻压下和电磁搅拌；中间包过热度25±5℃；保持恒定拉速,拉速0.45±0.05m/min，液面波动控制在±3mm；

板坯加热步骤，采用步进梁式加热炉，连铸坯加热温度1270-1300℃，均热段温度1250-1280℃，连铸坯在炉时间分钟数为连铸坯厚度毫米数的1.1倍；

热轧步骤，连铸坯出炉后经高压水快速一次除鳞，除鳞温度≥1100℃，精轧末道次进行高压水二次除磷，高压水压力20-22MPa；钢板粗轧过程，开轧温度≥1050℃、轧制速度≤1.2m/s、至少保证4个道次的压下量≥40mm；轧中间坯厚度≤目标厚度+50mm、精轧终轧温度≥950℃、轧制道次不超过6道次；

堆垛缓冷步骤，钢板轧后自然冷却至200-300℃下线堆垛，堆垛时间48h以上；

回火热处理步骤，回火温度500-650℃，回火时间3.5分钟/mm钢板厚度。

本发明的优点是：

（1）采用低成本成分设计，采用无Mo设计、适当提高Mn、Cr含量，大大降低合金成本，与常规合金模具钢相比，合金成本降低250元/吨以上。

（2）通过优化轧制工艺参数，使特厚模具钢质量稳定，钢板硬度稳定在30-35HRC。同时，钢板具有良好的表面质量、满足较高的探伤等级以及具备良好加工性能。

（3）本发明合金成本低，工序简单，无需对现有轧制设备进行改造，轧制节奏快，生产效率高。

本发明结合现有设备，采用475mm大断面连铸机、5000mm强力宽厚板轧机等设备进行制备，通过经济合理的成分设计及简单的“热轧+堆垛+回火热处理”工艺，在未添加贵重合金元素Ni、Mo的前提下，开发出了一种低成本、高表面质量的特厚塑料模具用钢，有效解决了现有塑料模具钢，生产工艺复杂，合金成本偏高，表面质量不良，性能波动等系列问题。

附图说明

图1 实施例微观组织。

具体实施方式

一种特厚Mn-Cr系模具钢的制备方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、LF+RH精炼、板坯浇铸、板坯加热、热轧、堆垛缓冷、回火热处理步骤；其特征在于：所述模具钢由如下质量百分比的各组分组成：

C：0.38-0.42%，Si：0.20-0.40%，Mn：1.4-1.6%，Cr：1.8-2.0%，S：≤0.005%，P≤0.020%,Al：0.010～0.025%，余量为Fe及不可避免的杂质;

所述制备方法如下：

板坯浇铸步骤，投入轻压下和电磁搅拌；中间包过热度25±5℃；保持恒定拉速,拉速0.45±0.05m/min，液面波动控制在±3mm；

板坯加热步骤，采用步进梁式加热炉，连铸坯加热温度1270-1300℃，均热段温度1250-1280℃，连铸坯在炉时间分钟数为连铸坯厚度毫米数的1.1倍；

热轧步骤，连铸坯出炉后经高压水快速一次除鳞，除鳞温度≥1100℃，精轧末道次进行高压水二次除磷，高压水压力20-22MPa；钢板粗轧过程，开轧温度≥1050℃、轧制速度≤1.2m/s、至少保证4个道次的压下量≥40mm；轧中间坯厚度≤目标厚度+50mm、精轧终轧温度≥950℃、轧制道次不超过6道次；

堆垛缓冷步骤，钢板轧后自然冷却至200-300℃下线堆垛，堆垛时间48h以上；在下线过程必须使用电磁吊吊运，不允许使用夹钳吊运；

回火热处理步骤，回火温度500-650℃，回火时间3.5分钟/mm钢板厚度。

下面对实施方式进行具体解释和说明。

本方案中，各元素的选用原则如下：

C是对钢的强韧性、硬度和耐磨性有决定性影响；C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，适宜地降低C，淬火后可获得较多的板条状马氏体和足够碳化物，以保证模具钢高强韧性和足够硬度；本发明C含量范围：0.38-0.42%。Mn是重要的固溶强化元素，可降低相变温度，细化组织亚结构，在强化钢板的同时改善韧性；同时可提高淬透性；本发明Mn含量范围：1.40-1.60%。Si是脱氧的必要元素，具有一定的固溶强化作用，可强韧化基体，并提高钢的抗回火稳定性，防止加热脱碳和渗碳、渗硼时出现软带；本发明Si含量的范围：0.20-0.40%。Cr可提高淬透性和抗回火稳定性，属于较强的碳化物形成元素，可以获得稳定的碳化物，保证耐磨性；回火时，可产生二次硬化现象，提高热处理后耐磨性和硬度。但含量过多，则生成的铬的碳化物在较低温度加热时，不易溶解；本发明Cr含量的范围：1.8-2.0%。Al是钢中常用的脱氧剂，钢中加入少量的Al，可细化晶粒，提高韧性。Al还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，与Cr、Si等合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力；本发明Als含量的范围：0.010-0.025%。 P、S是钢中有害元素，对韧性不利；本发明采用纯净钢生产技术，尽量减少磷、硫元素对钢性能的不利影响。同时也考虑批量工业生产过程中脱P、S的难度和成本，在可以满足产品质量要求的情况下，适当放宽对P和S的限制，本发明P、S含量的范围：P≤0.020%、S≤0.005%。

本发明所述的一种特厚Mn-Cr系模具钢的制备方法，其具体的步骤如下

炼钢过程：

（1）根据铁水成分进行处理，保证入炉铁水S≤0.010%，渣厚满足扒渣0级；

（2）转炉氧枪、烟罩密封严密，无漏水点；避免点吹，吹炼终点禁止使用氮气吹扫渣面。挡渣出钢，要求渣层厚度≤50mm。对加入的Mn系、Cr系合金进行充分烘烤，其他合金料及石灰、烧结矿、白云石等辅料必须干燥，在料仓待用时间≤24小时。

钢种脱氧剂和合金的建议加入顺序：铝铁→硅、锰、铬、钼合金。铝块或铝铁≥0.5kg/t铁水。出钢过程加石灰200Kg，预熔渣200kg；

（3）LF炉炉盖不得有漏水点。加入的造渣材料及脱氧剂必须干燥，在料仓待用时间≤24小时，保证炉渣具有良好的流动性。白渣操作，加热时，保持埋弧操作，并保证炉内微正压状态，还原气氛, 做到早造渣、早变渣，白渣保持时间不低于10min。精炼后期避免长时间大氩气搅拌，钢包覆盖剂采用低碳覆盖剂；

（4）RH搬出前根据现场条件进行抽检氢、氧、氮含量。RH高真空保压时间≥15min。

出钢前进行钙处理，每炉喂入钙线50-100m，其中头炉钙线80-150m，净吹时间≥10分钟；

（5）连铸轻压下和电磁搅拌必须投入使用，以保证内部质量。实行全程保护浇注；中间包目标过热度25±5℃，按下限控制。采用中低拉速，尽量保持恒速, 250mm断面目标拉速0.80±0.05m/min，375mm断面目标拉速0.50±0.05m/min，475mm断面目标拉速0.45±0.05m/min，液面波动控制在±3mm。

轧制过程：

（1）连铸坯加热及除鳞过程：采用步进梁式加热炉将连铸坯加热至1270℃-1310℃，均热段温度设定为比加热段温度低20-30℃，合理控制其余各加热段钢坯在炉时间（总在炉时间为1.1倍连铸坯厚度）。炉内还原性气氛，微正压控制，以减少钢坯一次表面氧化铁皮厚度和生成量。连铸坯出炉后经高压水快速一次除鳞，除鳞温度≥1100℃，充分保证一次除鳞质量，精轧末道次进行高压水二次除磷，高压水压力20-22MPa；

（2）钢板轧制过程：粗轧策略为高温、低速、大压下量轧制。开轧温度≥1050℃、轧制速度≤1.2m/s、至少保证4道次压下量≥40mm。为促进芯部充分变形改善芯部铸态组织、同时可以细化奥氏体晶粒，达到良好的探伤水平；钢板精轧策略为高温抢轧。精轧中间坯厚度≤订单目标厚度+50mm、精轧终轧温度≥950℃、轧制道次控制在6道次以内。限制中间坯厚度为粗轧大压下量轧制创造条件，较高的终轧温度提供较高的温度梯度，为后组织续转变创造了的热力学条件；

（3）钢板冷却及堆垛缓冷过程：轧后钢板采用空冷方式，并在冷床上自然冷却至200-300℃方可下线堆垛，堆垛时间48h以上，且在下线过程必须使用电磁吊吊运，不允许使用夹钳吊运。限制钢板下线温度的目的是内部组织完成马氏体转变后，硬度达到工艺需要值方可下线堆垛，同时还兼顾了探伤需要。限制吊具目的为保证实现下线温度以及避免钢板长度较大时出现弯曲问题；

（4）钢板热处理过程：钢板解垛、探伤检验后进行回火处理，根据用户对硬度的不同要求，对不同厚度的钢板执行相应的回火工艺（550-620℃*3.5t）。回火后钢板在冷床上自然冷却至50℃以下进行硬度检验。检验过程使用便携式里氏硬度计检验钢板表面硬度，并取样抽检钢板截面硬度。

通过以上工艺流程，所生产的一种特厚连铸坯生产Mn-Cr系模具钢，综合力学性能稳定，具有均匀的表面和截面硬度、耐磨性，其洛氏硬度值可根据用户需要，稳定的控制在30-35HRC，且钢板截面硬度较为稳定，硬度波动值为±1HRC。低成本P20模具钢钢板内部质量良好，探伤质量可以满足GBT 2970 Ⅰ级Ф2标准。Mn-Cr系模具钢钢板表面质量良好，平直度控制在6mm/2m以内；具有良好的加工性能，锯切过程无夹锯、火切过程无开裂等问题。

实施例1

一种特厚Mn-Cr系模具钢的制备方法，组分为：0.41% C、1.48% Mn、0.29% Si、0.018% P、0.004% S、0.016% Als、1.95% Cr；其余为Fe。

连铸坯C类偏析1.0,连铸坯实际尺寸474mm*2035mm*2900mm；钢板尺寸170mm*2250mm*7400mm。

轧制过程中，连铸坯加热温度1280-1300℃，连铸坯在炉时间510min，连铸坯出炉后除鳞温度≥1188℃，高压水压力21.5MPa。

粗轧开轧温度1080℃，粗轧共7道次，1道次为展宽道次，压下量8mm，从第2道次开始为顺轧道次，压下量分别为45 mm 、42 mm 、41 mm 、42 mm 、33 mm 、33 mm 。中间坯厚度213mm，精轧两道次，压下量分别为21 mm 、18 mm 。具体轧制规程见表1。精轧开轧温度1020℃，精轧结束温度973℃。

表1 实施例钢板轧制规程

钢板在冷床冷至260℃下线堆垛，堆垛时间50h后解垛、探伤。

实施例钢板硬度见表2,其性能完全满足模具钢性能要求。对实施例进行电镜观察，在回火后的钢板上取小尺寸试样，使用金相显微镜下进行组织观察，其微观组织如图1所示，可以看出其金相组织为回火索氏体，组织一致，无异常组织及缺陷，晶粒较为均匀，均匀性好，同时从宏观上硬度均匀性及硬度值均满足模具加工需求。

表2 实施例钢板硬度

厚度（mm）	头部硬度（HRC）	中部硬度（HRC）	尾部硬度（HRC）
				170	31.5	31.7	31.8

综上，本发明结合现有设备，采用475mm大断面连铸机、5000mm强力宽厚板轧机等设备进行制备，通过经济合理的成分设计及简单的“热轧+堆垛+回火热处理”工艺，在未添加贵重合金元素Ni、Mo的前提下，开发出了一种低成本、高表面质量的特厚塑料模具用钢，有效解决了现有塑料模具钢，生产工艺复杂，合金成本偏高，表面质量不良，性能波动等系列问题。

Claims (5)

1.一种特厚Mn-Cr系模具钢的制备方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、LF+RH精炼、板坯浇铸、板坯加热、热轧、堆垛缓冷、回火热处理步骤；其特征在于：所述模具钢由如下质量百分比的各组分组成：

C：0.38-0.42%，Si：0.20-0.40%，Mn：1.4-1.6%，Cr：1.8-2.0%，S：≤0.005%，P≤0.020%,Al：0.010～0.025%，余量为Fe及不可避免的杂质；

所述制备方法如下：

板坯浇铸步骤，投入轻压下和电磁搅拌；中间包过热度25±5℃；保持恒定拉速, 拉速0.45±0.05m/min，液面波动控制在±3mm；

板坯加热步骤，采用步进梁式加热炉，连铸坯加热温度1270-1300℃，均热段温度1250-1280℃，连铸坯在炉时间分钟数为连铸坯厚度毫米数的1.1倍；

热轧步骤，连铸坯出炉后经高压水快速一次除鳞，除鳞温度≥1100℃，精轧末道次进行高压水二次除磷，高压水压力20-22MPa；钢板粗轧过程，开轧温度≥1050℃、轧制速度≤1.2m/s、至少保证4个道次的压下量≥40mm；轧中间坯厚度≤目标厚度+50mm、精轧终轧温度≥950℃、轧制道次不超过6道次；

堆垛缓冷步骤，钢板轧后自然冷却至200-300℃下线堆垛，堆垛时间48h以上；

回火热处理步骤，回火温度500-650℃，回火时间3.5分钟/mm钢板厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所制备的钢板具有均匀的表面和截面硬度，其洛氏硬度值在30-35HRC，且钢板截面硬度波动值为±1HRC。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所制备的钢板内部质量良好，探伤质量可以满足“GB/T 2970、Ⅰ级”Ф2当量要求。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所制备的钢板表面质量良好，平直度在6mm/2m以内，表面经过抛丸处理，外观锈蚀轻微、均匀且无明显压坑。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所制备的钢板具有良好加工性能，锯切过程无夹锯、火切过程无开裂。

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