本发明涉及塑料模具钢制备领域，具体为一种厚大断面高均质塑料模具钢制备方法。
背景技术：
：塑料模具钢广泛应用在汽车、电视、冰箱、光学仪器等塑料制品制造中，随着汽车行业的快速发展，汽车用的塑料模具越来越大，而质量要求越来越高。当前，塑料模具钢常用主要生产坯料的方式有：①电炉-精炼-vd-模铸钢锭，然后再锻造制造模块；②电炉-精炼-vd-模铸电极坯-电渣重熔-电渣锭，然后再锻造制造模块，由于大型钢锭在冒口端存在严重正偏析，用上面两种方式制造模块，都存在成分偏析及利用率低问题。因此，成本高、硬度不均匀一致是大型模具钢制造过程中的一个难题，急需解决，替代进口。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，解决现有技术大型模具钢制造过程中存在硬度不均匀一致等问题，实现替代进口。本发明的技术方案是：一种厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，原始坯料采用高纯净低偏析制备方法，获得厚度200～500mm铸坯，断面碳含量控制在0.05wt％以内；然后采用高纯净低偏析电渣重熔技术，控制电渣方锭断面碳含量在0.05wt％以内；采用超细化组织锻造及热处理方法、模块防裂及组织控制方法实现组织均匀、硬度均匀的大型均质塑料模块。所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，该方法适合厚大断面din1.2738系列大型均质塑料模块的制备，模块吨位在15吨以上，硬度均匀性控制在4hrc范围内，满足厚度断面≥400mm塑料模具钢高均匀性要求，硬度均匀性控制在34～37hrc范围内。所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，高纯净采用的冶炼工艺是电炉/转炉——lf精炼炉——rh/vd——连铸，其中：电炉/转炉的钢水出钢碳大于0.1wt％，精炼过程中采用高氧化铝渣系，氧化铝控制在20～35wt％，cao/al2o3质量比控制在1.8～2.5％，rh/vd处理时间大于25min；rh/vd后溶解氧控制在5ppm以下，铸坯氧含量控制在12ppm以下。所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，电炉/转炉的钢水出钢碳控制在0.10～0.30wt％。电炉/转炉的钢水出钢碳最优控制在0.15～0.25wt％。所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，电炉/转炉熔炼后的浇注环节大包与中间包连接采用全密闭多层保护，中间包采用氧化镁含量大于70wt％的打结料，中间包的包盖与中间包通过耐火材料密封，填料口采用氩气密封，保证防二次氧化。所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，rh/vd后溶解氧控制在10ppm以下，铸坯氧含量控制在3～10ppm。rh/vd后溶解氧最优控制在3.5ppm以下，铸坯氧含量较稳定控制在6～8ppm。所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，低偏析控制方面，中间包采用30℃以下浇注，连铸拉坯过程中采用轻压下技术，末端轻压点采用数值模拟技术准确控制。所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，中间包采用的浇注温度控制钢水过热度在15～30℃范围，连铸工位板坯的宽/厚比控制在3～10。中间包采用的浇注温度最优控制钢水过热度在20～25℃范围，连铸工位板坯的宽/厚比最优控制在5.5～7。所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，高纯净低偏析电渣重熔技术，采用mgo、cao、al2o3、caf2多组元渣系，过程还分批添加casi-al-cac复合脱氧剂，并实现气密保护，微正压控制；电渣结晶器横截面的宽/厚比控制在1.8～2.5，保证具有凝固浅熔池，控制电渣方锭断面碳含量在0.05wt％以内。所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，采用超细化组织锻造及热处理方法、模块防裂及组织控制方法实现组织均匀、硬度均匀的大型均质塑料模块；其中，锻造采用三向交叉大变形处理，保证铸态组织充分锻碎，并在最后一火采用1200℃以下锻造温度，通过采用正火及淬火处理，达到组织超细化控制，晶粒度达到7级以上；为了保证模块组织、硬度均匀，采用800℃以下低温快速淬火工艺，应用计算机数值模拟技术，根据材料cct曲线中合理组织冷却曲线需要，在淬火操作过程中，采用水控交替方式将组织控制在马氏体与贝氏体两相组织，保证组织在整个断面均匀，硬度均匀性控制在4hrc范围以内，并控制应力避免材料开裂。本发明的设计原理是：利用成分均匀的坯料，采用超细化组织锻造及关键冷速控制热处理方法，实现厚大断面高均质塑料模具钢的制备。原始坯料采用高纯净低偏析的制备方法，获得厚度200～500mm铸坯，断面碳含量控制在0.05wt％以内；然后采用高纯净低偏析电渣重熔技术，控制电渣方锭断面碳含量在0.05wt％以内；采用超细化组织锻造及热处理方法、模块防裂及组织控制方法,实现组织均匀、硬度均匀的大型均质塑料模块。本发明的优点及有益效果是：1、本发明通过对塑料模具钢纯净度控制，能够将铸坯中的氧含量稳定控制在6～8ppm，与国外先进控氧水平相当，保证最终模块的纯净度。2、本发明的通过成分均匀控制，再加锻造及热处理控制，实现模块组织的均匀控制，能够很好将模块硬度均匀性控制在4hrc以内，满足国内400mm以上厚大断面高均质塑料模具钢的需求。3、本发明集成纯净度、成分偏析、锻造、热处理等方面的系统控制，并应用先进数值模拟计算进行工艺指导，工艺具有先进性，产品可以替代进口。4、本发明方法涉及的钢种主要为din1.2738系列等，将为厚大断面塑料模具用钢提供原材料。附图说明图1为铸坯断面低倍金相图。具体实施方式下面，通过实施例对本发明作进一步详细说明。实施例1本实施例为20吨塑料模具钢制备过程，模块厚大部位的厚度为500mm，塑料模具钢材料成分如下：元素含量(wt％)c0.37si0.32mn1.35p0.012s0.005ni0.90cr1.9mo0.3al0.02fe余量制备流程采用如下步骤：①铸坯生产工艺为：转炉熔炼——lf精炼炉进行钢包精炼——rh(真空循环脱气)——连铸，坯厚在250mm。铸坯冶炼控制：转炉钢水出钢碳含量0.15wt％，精炼过程中采用高氧化铝渣系，氧化铝控制在25wt％，cao/al2o3质量比控制在1.9％，rh真空循环脱气中进行稀土变质处理，rh真空循环脱气处理时间30min。浇注环节大包与中间包连接采用全密闭多层保护，中间包采用氧化镁含量为75wt％的打结料，中间包的包盖与中间包通过耐火材料密封，填料口采用氩气密封，保证防二次氧化。rh真空循环脱气后溶解氧3ppm，铸坯取样氧含量为8ppm。铸坯偏析控制方面：中间包钢水采用过热度25℃浇注，连铸拉坯过程中采用轻压下技术，末端轻压点采用数值模拟技术准确控制，连铸工位板坯的宽/厚比最优控制在5.8。为了减轻中心偏析，在产生中心偏析段(铸坯凝固末段)应用轻压下技术，即在快要完全凝固区域，对铸坯进行≤6mm轻微地压下，以减轻中心偏析。②如图1所示，对铸坯整个断面进行低倍及成分检测。结果显示无点状偏析，对整个断面进行成分检测，碳成分范围0.36～0.38wt％，具有低偏析特点。③以高纯净低偏析连铸坯为电极，采用mgo、cao、al2o3、caf2多组元渣系，其中：mgo所占质量分数范围为3～15％，caf2所占质量分数范围为30～50％，al2o3所占质量分数范围为15～40％，cao所占质量分数范围为3～20％。过程还分批添加casi-al-cac复合脱氧剂(casi：al：cac质量比例＝5：3：2)，并实现气密保护，采用微正压重熔操作。电渣结晶器横截面的宽/厚比控制在2.0，保证具有凝固浅熔池，电渣方锭上、下横断面碳含量波动在0.03wt％范围内，氧含量在12ppm以下。④采用超细化组织锻造及热处理方法：其中，锻造采用三向交叉大变形处理，保证铸态组织充分锻碎，并在最后一火采用1200℃以下锻造温度，通过采用正火及淬火处理，达到组织超细化控制，晶粒度达到7.5级。⑤应用模块防裂及组织控制方法，采用800℃进行低温快速淬火操作，应用计算机数值模拟技术，根据材料cct曲线中合理组织冷却曲线需要，在淬火操作过程中，采用水控交替方式将组织控制在马氏体与贝氏体两相组织，保证组织在整个断面均匀，整个热处理过程模块应力得到控制，防止模块开裂。⑥对模块上下表面进行硬度检测，硬度在36±1hrc。实施结果表明，不存在成分偏析及工艺设备利用率低问题。实施例2本实施例为25吨塑料模具钢制备过程，模块厚大部位的厚度为650mm，塑料模具钢材料成分如下：制备流程采用如下步骤：①铸坯生产工艺为：电炉熔炼——lf精炼炉进行钢包精炼——vd(真空脱气)——连铸，坯厚在300mm。铸坯冶炼控制：电炉钢水出钢碳0.25wt％，精炼过程中采用高氧化铝渣系，氧化铝控制在30wt％，cao/al2o3质量比控制在2.3％，vd真空脱气前进行ca变质处理，vd真空脱气处理时间40min。浇注环节大包与中间包连接采用全密闭多层保护，中间包采用氧化镁含量为80wt％的打结料，中间包的包盖与中间包通过耐火材料密封，填料口采用氩气密封，保证防二次氧化。vd真空脱气后溶解氧4ppm，铸坯取样氧含量为10ppm。铸坯偏析控制方面：中间包钢水采用过热度23℃浇注，连铸拉坯过程中采用轻压下技术，末端轻压点采用数值模拟技术准确控制，连铸板坯的宽/厚比最优控制在6.7。为了减轻中心偏析，在产生中心偏析段(铸坯凝固末段)应用轻压下技术，即在快要完全凝固处，对铸坯进行≤6mm轻微地压下，以减轻中心偏析。②对铸坯整个断面进行低倍及成分检测，结果显示无点状偏析，对整个断面进行成分检测，碳成分范围0.35～0.38wt％，具有低偏析特点。③以高纯净低偏析连铸坯为电极，采用mgo、cao、al2o3、caf2多组元渣系，其中：mgo所占质量分数范围为3～15％，caf2所占质量分数范围为30～50％，al2o3所占质量分数范围为15～40％，cao所占质量分数范围为3～20％。过程还分批添加casi-al-cac复合脱氧剂(casi：al：cac质量比例＝5：3：2)，并实现气密保护，采用微正压重熔操作。电渣结晶器横截面的宽/厚比控制在2.3，保证具有凝固浅熔池，电渣方锭上、下横断面碳含量波动在0.05wt％范围内，氧含量在15ppm以下。④采用超细化组织锻造及热处理方法：其中，锻造采用三向交叉大变形处理，保证铸态组织充分锻碎，并在最后一火采用1200℃以下锻造温度，通过采用正火及淬火处理，达到组织超细化控制，晶粒度达到7.5级。⑤应用模块防裂及组织控制方法，采用800℃进行低温快速淬火操作，应用计算机数值模拟技术，根据材料cct曲线中合理组织冷却曲线需要，在淬火操作过程中，采用水控交替方式将组织控制在马氏体与贝氏体两相组织，保证组织在整个断面均匀，整个热处理过程模块应力得到控制，防止模块开裂。⑥对模块上下表面进行硬度检测，硬度在34～37hrc。实施结果表明，不存在成分偏析及工艺设备利用率低问题。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，其特征在于，原始坯料采用高纯净低偏析制备方法，获得厚度200～500mm铸坯，断面碳含量控制在0.05wt％以内；然后采用高纯净低偏析电渣重熔技术，控制电渣方锭断面碳含量在0.05wt％以内；采用超细化组织锻造及热处理方法、模块防裂及组织控制方法实现组织均匀、硬度均匀的大型均质塑料模块。
2.根据权利要求1所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，其特征在于，该方法适合厚大断面din1.2738系列大型均质塑料模块的制备，模块吨位在15吨以上，硬度均匀性控制在4hrc范围内，满足厚度断面≥400mm塑料模具钢高均匀性要求，硬度均匀性控制在34～37hrc范围内。
3.根据权利要求1所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，其特征在于，高纯净采用的冶炼工艺是电炉/转炉——lf精炼炉——rh/vd——连铸，其中：电炉/转炉的钢水出钢碳大于0.1wt％，精炼过程中采用高氧化铝渣系，氧化铝控制在20～35wt％，cao/al2o3质量比控制在1.8～2.5％，rh/vd处理时间大于25min；rh/vd后溶解氧控制在5ppm以下，铸坯氧含量控制在12ppm以下。
4.根据权利要求3所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，其特征在于，电炉/转炉的钢水出钢碳控制在0.10～0.30wt％。
5.根据权利要求3所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，其特征在于，电炉/转炉熔炼后的浇注环节大包与中间包连接采用全密闭多层保护，中间包采用氧化镁含量大于70wt％的打结料，中间包的包盖与中间包通过耐火材料密封，填料口采用氩气密封，保证防二次氧化。
6.根据权利要求3所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，其特征在于，rh/vd后溶解氧控制在10ppm以下，铸坯氧含量控制在3～10ppm。
7.根据权利要求1所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，其特征在于，低偏析控制方面，中间包采用30℃以下浇注，连铸拉坯过程中采用轻压下技术，末端轻压点采用数值模拟技术准确控制。
8.根据权利要求7所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，其特征在于，中间包采用的浇注温度控制钢水过热度在15～30℃范围，连铸工位板坯的宽/厚比控制在3～10。
9.根据权利要求1所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，其特征在于，高纯净低偏析电渣重熔技术，采用mgo、cao、al2o3、caf2多组元渣系，过程还分批添加casi-al-cac复合脱氧剂，并实现气密保护，微正压控制；电渣结晶器横截面的宽/厚比控制在1.8～2.5，保证具有凝固浅熔池，控制电渣方锭断面碳含量在0.05wt％以内。
10.根据权利要求1所述的厚大断面高均质塑料模具钢制备方法，其特征在于，采用超细化组织锻造及热处理方法、模块防裂及组织控制方法实现组织均匀、硬度均匀的大型均质塑料模块；其中，锻造采用三向交叉大变形处理，保证铸态组织充分锻碎，并在最后一火采用1200℃以下锻造温度，通过采用正火及淬火处理，达到组织超细化控制，晶粒度达到7级以上；为了保证模块组织、硬度均匀，采用800℃以下低温快速淬火工艺，应用计算机数值模拟技术，根据材料cct曲线中合理组织冷却曲线需要，在淬火操作过程中，采用水控交替方式将组织控制在马氏体与贝氏体两相组织，保证组织在整个断面均匀，硬度均匀性控制在4hrc范围以内，并控制应力避免材料开裂。
技术总结本发明涉及塑料模具钢制备领域，具体为一种厚大断面高均质塑料模具钢制备方法。利用成分均匀的坯料，采用超细化组织锻造及关键冷速控制热处理方法，实现厚大断面高均质塑料模具钢的制备。原始坯料采用高纯净低偏析的制备方法，获得厚度200～500mm铸坯，断面碳含量控制在0.05wt％以内；然后采用高纯净低偏析电渣重熔技术，控制电渣方锭断面碳含量在0.05wt％以内；采用超细化组织锻造及热处理方法、模块防裂及组织控制方法,实现组织均匀、硬度均匀的大型均质塑料模块。本发明方法涉及的钢种主要为DIN1.2738系列等，将为厚大断面塑料模具用钢提供原材料。
技术研发人员：刘宏伟;杜宁宇;傅排先;刘航航;孙宸;李殿中;李依依
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：2018.11.12
技术公布日：2020.05.19
