經(jīng)濟型塑料模具用鋼的開發(fā)實踐

江家健

（福建三鋼技術中心， 福建 三明 365000）

P20 鋼材是引用美國AISI 標準中Cr-Mo 系塑料模具鋼，出廠已預硬處理，可直接用于模具加工，具有良好的尺寸穩(wěn)定性、可切削性及鏡面研磨性能。

P20 鋼板可應用于各類塑料模具的型腔，是具有較高附加值的中厚板品種。市面上流通的P20 鋼板交貨狀態(tài)一般為“正火+回火”，其生產(chǎn)成本較高，通過研究討論，認為通過軋制工藝優(yōu)化及利用余溫自回火的方式生產(chǎn)P20 鋼板可縮短工藝流程，有效降低生產(chǎn)成本。

1 生產(chǎn)工藝

1.1 工藝流程

高爐鐵水→鐵水預處理→氧氣頂?shù)讖痛缔D爐→爐外精煉→板坯連鑄→加熱→軋制→矯直→堆垛緩冷→探傷→硬度檢測→入庫→發(fā)貨。

1.2 成分控制

結合美國AISI 標準及與客戶協(xié)商條款制定《P20 塑料模具用鋼板產(chǎn)品供貨技術條件》，按照協(xié)議成分三鋼組織冶煉的實際成分如表1 所示。

表1 協(xié)議成分及實際控制情況 %

表1 來看，試制鋼水P、S 控制嚴格，合金收得率穩(wěn)定，各成分均符合協(xié)議要求。

1.3 軋制工藝

1.3.1 加熱制度

中板廠采用冷批入爐工藝生產(chǎn)，為保證合金元素充分溶解，以及控制原始奧氏體晶粒度，要求板坯加熱時間為4h±20 min。其中預熱段進行緩慢預熱（溫度550～720 ℃，時間大于40 min），均熱段溫度1 200～1 260 ℃（時間70～90 min），保證出爐無黑印，坯料溫度均勻性好。

1.3.2 TMCP 工藝

本次選用2 塊規(guī)格為220mm×1600mm×2500mm的坯料，成品規(guī)格為31 mm×2 200 mm·L，粗軋溫度≥1 080 ℃，采用大壓下模式，道次壓下率≥15%（展寬道次除外），中間坯厚度75 mm。精軋開軋溫度控制在925 ℃±10 ℃；終軋溫度控制在890 ℃±15 ℃。此階段為兩相區(qū)軋制，此區(qū)域軋制容易獲得較好的韌性和強度。

1.4 堆垛自回火

提前清空一個冷床和鋼板下線臺架，確保下線通道順暢。鋼板矯直后快速通過冷床和輥道，將鋼板第一時間吊至垛位，此時記錄入垛溫度420～450 ℃，該垛位下部鋪墊鋼板和上部覆蓋鋼板均為溫度不小于400 ℃的剛下線46 mm 厚Q235B 鋼板，可對試制鋼板保溫，以達到自回火的目的。27 h 后溫度降至100 ℃。

2 試制結果

P20 鋼板硬度值要求為HRC31～36，用戶期望目標值為HRC32，鋼板超聲波探傷不低于Ⅱ級。

2.1 超聲波探傷

鋼板按GB/T 2970 進行超聲波探傷，結果均為Ⅰ級合格。

2.2 硬度檢測

對試制的2 張31 mm×2 200 mm mm×L的P20鋼板進行表面硬度檢測，結果2 張板在寬度和長度方向的硬度均存在較大的波動，且總體硬度值偏高，與用戶期望的目標值相差甚遠，實測HRC34～39（均值HRC36.5）。

表2 P20 鋼板表面硬度（HRC）檢測情況

2.3 金相組織檢測

從鋼板1/4 處取HRC38.4 位置及1/2 處取HRC34.1 位置進行金相試樣制備，采用4%硝酸酒精溶液腐蝕金相組織，發(fā)現(xiàn)HRC38.4 位置貝氏體含量較HRC34.1 位置高，部分貝氏體為板條狀形貌，具體如圖1，圖2 所示。

圖1 HRC38.4 位置鋼板表面組織

圖2 HRC34.1 位置鋼板表面組織

3 討論分析

從試制結果來看，鋼板內部質量控制良好，未發(fā)現(xiàn)芯部芯部砂眼、孔洞、裂紋等缺陷，鋼板超聲波探傷Ⅰ級合格。

但是試制鋼板整體硬度偏高，甚至超出協(xié)議范圍，且硬度值波動較大，差值達HRC5。從組織上看，造成硬度不均的根本原因是組織不均造成的。組織不均與鋼板各部位冷速不均有關；而整體硬度偏高與鋼板入垛溫度偏低或保溫效果不佳有關。

文獻[1]對于鋼中合金元素對貝氏體起始轉變溫度Bs 的影響可用如下經(jīng)驗公式表達：TBs=830-270w（C）-90w（Mn）-37w（Ni）-70w（Cr）-83w（Mo），代入實際成分計算出試制鋼板TBs=490.2 ℃。

在貝氏體轉變區(qū)進行慢速冷卻能限制貝氏體板條狀長大，促使貝氏體在原奧氏體晶內形核并最終形成粒狀貝氏體，起到細化相變產(chǎn)物的作用，最終達到使鋼板組織更均勻的目的[2]。

因此，入垛溫度應提高至490 ℃以上，并且盡可能提高保溫效果是下一步攻克的重點。

4 優(yōu)化措施及效果驗證

4.1 優(yōu)化措施

采取全熱軋工藝，即不控軋，降低鋼板基礎硬度，提高鋼板上冷床的溫度；進一步優(yōu)化下線流程，減少鋼板在冷床和輥道上的停留時間，采取就近入垛方式從而進一步提高入垛溫度；在首次試制基礎上加蓋保溫布以減緩鋼板自回火的溫降曲線，同時也能降低鋼板各個部位冷速差別。

4.2 效果驗證

通過以上工藝優(yōu)化，中板再次組織生產(chǎn)。優(yōu)化后的入垛溫度從420～450 ℃提高至500～540 ℃；自回火溫度降至100 ℃的時間從27 h 延長至42 h。

對優(yōu)化后的鋼板進行測量，硬度值為HRC31～33（均值HRC32.3），較原來的HRC34～39（均值36.5）降低了HRC4.2，差值從原來的HRC5 降低到HRC2。

4.3 用戶使用情況

用戶入場檢測表明鋼板探傷Ⅰ級合格，硬度均勻且符合要求。經(jīng)鋸切、車銑、鉆孔及CNC 加工后未發(fā)現(xiàn)異常，尺寸穩(wěn)定性好；所制作的模具型腔表明光潔度高，無砂眼、孔洞等缺陷。

5 結語

1）三鋼通過軋制工藝優(yōu)化及利用余溫自回火的方式成功開發(fā)了P20 塑料模具用鋼板，填補了三鋼中板高附加值板材的空白，提升了企業(yè)競爭力。

2）相較傳統(tǒng)P20 鋼板正火+回火的生產(chǎn)工藝，三鋼在生產(chǎn)成本上有較大優(yōu)勢，能為企業(yè)和客戶創(chuàng)造更大的利潤空間。