塑料模具钢板及其生产方法与流程

1.本发明属于材料制备技术领域，涉及一种塑料模具钢板的生产方法，以及采用所述生产方法制得的塑料模具钢板。


背景技术：

2.随着石油化工工艺的迅猛发展，塑料产量迅速增加。大量塑料制品在生产过程中需要采用模具压制成型，而模具材料是影响模具质量、性能和使用寿命的关键因素。
3.塑料模具材料主要以模具钢为主，模具钢主要加工成浇注系统、型腔、型芯等各种模具模架部件。由于结构复杂，塑料材料与模具模架内腔面接触，易产生磨损、冲击等，因此，要求模具钢板截面组织及力学性能均匀、加工不变形。然而，现有的塑料模具钢板，或者采用长流程、高成本的生产方式来改善均匀性，例如增加模铸钢锭、锻造、淬火等工艺，或者表层和心部的组织均匀性非常差，截面洛氏硬度差值在4hrc以上。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种塑料模具钢板及其生产方法，采用短流程工艺路线，即可提高组织均匀性。
5.为实现上述发明目的，本发明一实施方式提供了一种塑料模具钢板的生产方法，其包括以下工序，
6.第一次加热：将钢坯送入加热炉中进行三段式加热，预热段温度为850～950℃，预热段停留时间≥60min，加热段温度为1100～1220℃，均热段温度1210～1250℃，在炉时间≥240min；
7.第二次加热：将所述第一次加热工序中出炉后的钢坯重新加热，均热段温度1140～1170℃，在炉时间≥200min；
8.轧制：将所述第二次加热工序中出炉后的钢坯轧制成钢板，开轧温度为1060～1140℃，终轧温度为980～1050℃；
9.轧后冷却：将终轧所得钢板移至冷床上空冷至t
f
，b
f
‑
50℃≤t
f
≤b
f
‑
20℃；
10.交叉堆垛自回火：将钢板与温度为450～550℃的铁素体珠光体钢板进行交叉堆垛，堆垛期间钢板自回火，直至钢板的温度重新降低至t
m
，b
f
‑
50℃≤t
m
≤b
f
‑
20℃；之后拆垛并自然空冷至室温；
11.其中，所述交叉堆垛为：底层和顶层均为铁素体珠光体钢板，且钢板和铁素体珠光体钢板逐层间隔层叠。
12.进一步优选地，所述轧制工序中，将钢坯轧制成厚度≥80mm的钢板。
13.进一步优选地，所用钢坯的化学成分以质量百分比计为：c 0.33～0.38％、si 0.11～0.19％、mn 0.70～0.90％、p≤0.014％、s≤0.004％、cr 1.40～1.80％、ni 0.70～0.90％、mo 0.16～0.24％，且cr/mn比值为2
±
0.05，cr/(mn ni)比值为1
±
0.05，mn cr ni mo 3.0％～3.8％，其余为fe和不可避免的杂质；
14.所得钢板的屈服强度≥750mpa，抗拉强度≥1100mpa，v型夏比冲击功≥15j，洛氏硬度为32～36hrc。
15.进一步优选地，所得钢板的表层和心部的洛氏硬度差值≤1.8hrc。
16.进一步优选地，所述钢板的长度l2、宽度w2、厚度h2与所述铁素体珠光体钢板的长度l1、宽度w1、厚度h1满足：l1≥l2 500mm，w1≥w2 300mm，h1≥h2。
17.进一步优选地，所述第二次加热工序中，钢坯进行三段式加热，入炉温度≥700℃，预热段温度为950～1000℃，加热段温度为1100～1150℃。
18.进一步优选地，所述轧后冷却为：
19.将终轧所得钢板移至冷床上自然空冷，直至钢板的上表面温度降低至t
a
，b
s
15℃≤t
a
≤b
s
35℃；
20.而后，开启风扇并通过风扇扰动钢板下方的空气，以控制钢板的上表面温度和下表面温度的差值≤5℃，直至钢板的上表面温度降低至t
f
。
21.进一步优选地，所述轧后冷却工序中，风扇的吹风方向平行于钢板的下表面或者斜向下远离钢板的下表面。
22.进一步优选地，所得钢板的不平度≤4mm/2m。
23.为实现上述发明目的，本发明一实施方式提供了一种采用所述生产方法制备而成的塑料模具钢板。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过二次加热、控制轧制以及交叉堆垛自回火的工艺手段，实现在简单的工艺路线下，完成对组织均匀性的显著改善，得到的钢板的洛氏硬度心部和表层的差值为1.8hrc以内，整个生产过程工艺流程简单，生产周期短、效率高、成本低。
具体实施方式
25.如背景技术所提，现有的塑料模具钢板的生产中，或者采用长流程、高成本的生产方式来改善均匀性，例如增加模铸钢锭、锻造、淬火等工艺，或者表层和心部的组织均匀性非常差，截面洛氏硬度差值在4hrc以上。也即，无法兼顾生产效率和成本、组织均匀性两个方面，为此，本发明旨在提供一种塑料模具钢板的生产方法，突破现有借助模铸、锻造、淬火等工序的长流程工艺路线，而是采用短流程工艺路线，即可提高组织均匀性。
26.下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的介绍，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。
27.<第一实施方式>
28.本实施方式提供了一种塑料模具钢板的生产方法，以及相应提供了一种采用所述生产方法制备而成的塑料模具钢板。
29.具体地，本实施方式的所述生产方法中，钢坯依序通过第一次加热工序
‑
第二次加热工序
‑
轧制工序
‑
轧后冷却工序
‑
交叉堆垛自回火工序，制备得到钢板。其中，钢坯优选采用连铸坯，但不以此为限。下面，对各个工序进行详细介绍。
30.(1)第一次加热工序
31.将钢坯送入加热炉中进行三段式加热，也即，以预热段、加热段和均热段的顺序进行加热，预热段温度为850～950℃，预热段停留时间≥60min，加热段温度为1100～1220℃，
均热段温度1210～1250℃，在炉时间≥240min。
32.如此，一方面，控制钢坯升温速度，实现钢坯缓慢地、均匀地升温，以保证钢坯的表面质量，避免产生微裂纹；再一方面，均热段高温保温，促进钢坯中的合金元素完全固溶，消除钢坯中柱状晶组织、改善心部偏析缺陷。
33.(2)第二次加热工序
34.将所述第一次加热工序中出炉后的钢坯重新加热，均热段温度1140～1170℃，在炉时间≥200min。
35.如此，通过进行第二次加热并控制均热段温度，在减少能耗、避免氧化皮和氧化烧损的同时，进一步实现钢坯内的合金成分充分固溶及均匀化、改善偏析，为后续轧制中获取等轴晶粒组织以及细化再结晶晶粒奠定基础。
36.该第二次加热工序中，优选地，钢坯进行三段式加热，入炉温度≥700℃，预热段温度为950～1000℃，加热段温度为1100～1150℃。如此，通过高温入炉，减少第二次加热工序中的预设时间和加热时间，节能降耗。当然，在变化实施中，第二次加热工序也可以实施为将钢坯以入炉温度≥700℃直接投入均热段(也即取消掉预热段和加热段)。
37.另外，所述第一次加热在第一加热炉中进行，所述第二次加热则在第二加热炉中进行，也即所述第一次加热和所述第二次加热不在同一个加热炉中进行，如此，便于实现快速生产，简化工艺操作。
38.(3)轧制工序
39.将所述第二次加热工序中出炉后的钢坯轧制成钢板，开轧温度为1060～1140℃，终轧温度为980～1050℃。也即，钢坯在加热工序处理完成之后，采用轧机轧制成钢板。
40.如此，通过开轧温度和终轧温度的控制，使所述轧制工序实现再结晶区轧制工艺，整个轧制在再结晶区进行，最终得到等轴晶粒而避免带状组织，减小中心偏析并消除带状组织，实现钢板的组织优化；同时，能够保证轧制过程中轧机的负荷较小，一方面减小轧机的损伤，另一方面提升轧制速率和节奏。
41.该轧制工序中，具体可以将钢坯轧制成厚度≥80mm的钢板，也即，本实施方式所提供的生产方法适用于厚度≥80mm的大厚度塑料模具钢板的制备，且针对大厚度塑料模具钢板的制备，相对于现有技术具有更显著的优势。优选地，本实施方式中，该轧制工序可以将钢坯轧制成厚度100～160mm的钢板，如此，所得钢板的厚度为100～160mm。
42.(4)轧后冷却工序
43.将终轧所得钢板移至冷床上空冷至t
f
，其中，b
f
‑
50℃≤t
f
≤b
f
‑
20℃，具体可优选为t
f
＝b
f
‑
30℃；b
f
为冷却中贝氏体相变结束时的温度，其具体也可以从过冷奥氏体连续冷却转变曲线(即cct曲线)中得到，或者也可以根据钢板中化学成分元素含量进行计算得到。
44.如此，通过将钢板空冷至t
f
(也即贝氏体相变结束温度b
f
以下20～50℃),以使钢板经过所述轧后冷却工序后，其表层至心部已完全发生贝氏体相变，同时还可以避免表面微裂纹，以利于后续对组织均匀性进一步优化。
45.在本实施方式中，该轧后冷却工序具体可以是：将钢板在冷床上自然空冷至t
f
，也即不进行任何干预手段。当然，该轧后冷却工序的具体实施不限于此，例如以后文所述的第二实施方式予以实施。
46.(5)交叉堆垛自回火
47.紧接着前述轧后冷却工序，也即在通过所述轧后冷却工序将钢板冷至t
f
时，将钢板(指本发明所提供/制备的钢板)与温度为450～550℃的铁素体珠光体钢板进行交叉堆垛，堆垛期间钢板自回火，直至钢板的温度重新降低至t
m
；之后拆垛并自然空冷至室温。
48.其中，b
f
‑
50℃≤t
m
≤b
f
‑
20℃，t
m
具体取值与前述t
f
可以相同或不同，优选取值具体可优选为t
m
＝b
f
‑
30℃；再者，所述交叉堆垛为：底层和顶层均为铁素体珠光体钢板，且钢板和铁素体珠光体钢板逐层间隔层叠。如此，使得每个钢板的上表面被其上层的铁素体珠光体钢板所覆盖、下表面被其下层的铁素体珠光体钢板所覆盖。
49.如此，将温度为t
f
的钢板与温度高于t
f
的铁素体珠光体钢板进行交叉堆垛，并在钢板的温度重新降低至t
m
之后拆垛，也即拆垛温度为t
m
(贝氏体相变结束温度b
f
以下20～50℃)，使得堆垛期间，钢板的贝氏体组织发生稳定的回火转变，贝氏体组织中的ma分解、贝氏体铁素体中碳化物析出，进而，本实施方式中所得钢板的组织均匀、性能均匀；且堆垛时间大概为18～24h，又可以保证生产效率高。
50.其中，在交叉堆垛期间，可以通过对钢板的侧边进行测温，以该测温结果作为钢板的温度，进而判断是否达到拆垛温度t
m
；当然，也可以通过将最上层的铁素体珠光体钢板吊起后对上层的钢板的上表面进行测温，以该测温结果作为钢板的温度，进而判断是否达到拆垛温度。
51.优选地，钢板的长度l2、宽度w2、厚度h2与所述铁素体珠光体钢板的长度l1、宽度w1、厚度h1满足：l1≥l2 500mm，w1≥w2 300mm，h1≥h2。如此，铁素体珠光体钢板尺寸大于钢板的尺寸，使得钢板的边部也能得到有效的堆垛回火，进一步保证组织和性能的均匀性。
52.综上，本实施方式所提供的生产方法，所得钢板组织性能均匀，表层和心部的洛氏硬度差值≤1.8hrc。相对于现有技术，大大改善了组织均匀性。
53.优选地，在本实施方式中，所用钢坯的化学成分以质量百分比计为：c 0.33～0.38％、si 0.11～0.19％、mn 0.70～0.90％、p≤0.014％、s≤0.004％、cr 1.40～1.80％、ni 0.70～0.90％、mo 0.16～0.24％，且cr/mn比值为2
±
0.05，cr/(mn ni)比值为1
±
0.05，mn cr ni mo 3.0％～3.8％，其余为fe和不可避免的杂质。而可以理解的，基于该钢坯所制备得到的钢板，其化学成分同样如上。
54.而与现有技术相比，本发明通过上述化学成分的优化设计，尤其是其中c、si、mn、cr、ni、mo合金元素的相互配合，结合本发明所提供的所述生产方法，实现在较大的冷速范围内均可以发生贝氏体相变，进而在宽松的工艺、较大的工艺窗口下，进一步改善钢板的组织均匀性；尤其是针对厚度≥80mm的大厚板，由于较大的冷速范围内均可以发生贝氏体相变，使得大厚板的表层和心部能够在较大差异的冷速下形成一致的组织，保证组织均匀性。
55.再者，本发明通过上述化学成分的优化设计，结合本发明所提供的所述生产方法，还可以省去传统技术中nb、v、ti等析出元素及高淬透性元素b，不仅节约合金成本，而且还可以解决由于这些元素所引起的裂纹缺陷。举例来讲，现有技术中ti元素的添加，容易形成萌生裂纹源的tin硬质点；b元素的添加，容易因b在晶界的偏聚而导致火焰切割模具钢板时形成裂纹。
56.下面，大致对本发明中钢板的化学成分中各个元素的作用予以简单介绍。
57.c：强化元素，但c的增多容易引起塑性和韧性降低；在本发明中，c的质量百分比控制在0.33～0.38％，可以实现良好的强韧性匹配。
58.si：脱氧元素，但si的增多会在连铸坯表面形成铁橄榄石，影响钢板表面质量；在本发明中，si的质量百分比控制在0.11
‑
0.19％。
59.mn、cr、ni、mo：mn和cr可以推迟珠光体转变，cr增大珠光体转变温度范围，mn减小珠光体转变温度范围且易导致中心偏析，本发明中，将cr/mn比值控制为2
±
0.05，可以促进钢板的心部能够在慢冷速下不发生珠光体转变；mo可以推迟珠光体转变，升高珠光体转变温度范围，ni可以降低奥氏体化学自由能，推迟贝氏体相变，本发明中，将cr/(mn ni)比值控制为1
±
0.05；进一步地，结合mn、cr、ni、mo的共同作用，强烈抑制铁素体和珠光体转变，实现钢板在较大的冷速范围内、从表层至心部均发生贝氏体相变，得到全厚度均匀的组织。
60.p、s：杂质元素，本发明中，p的质量百分比控制在0.014％以下，优选为0.008～0.014％；s的质量百分比控制在0.004％以下，优选为0.002～0.004％。
61.进一步地，在本实施方式中，所述钢板的屈服强度≥750mpa，抗拉强度≥1100mpa，v型夏比冲击功≥15j，洛氏硬度为32～36hrc，力学性能优异，硬度佳且组织均匀。
62.综上，与现有技术相比，本实施方式的有益效果在于：
63.一方面，通过二次加热、控制轧制以及交叉堆垛自回火的工艺手段，实现在简单的工艺路线下，完成对组织均匀性的显著改善，得到的钢板的洛氏硬度心部和表层的差值为1.8hrc以内，整个生产过程工艺流程简单，生产周期短、效率高、成本低；
64.再一方面，通过化学成分的优化设计，尤其是其中c、si、mn、cr、ni、mo合金元素的相互配合，结合所述生产方法的改进，实现在较大的冷速范围内均可以发生贝氏体相变，尤其是针对厚度≥80mm的大厚板，在宽松的工艺、较大的工艺窗口下，进一步改善钢板的组织均匀性；且省去传统技术中nb、v、ti等析出元素及高淬透性元素b，节约合金成本，解决由于这些元素所引起的裂纹缺陷。
65.<第二实施方式>
66.本实施方式同样提供了一种塑料模具钢板及其生产方法。作为对前述第一实施方式的进一步优化，本实施方式与前述第一实施方式的区别主要在于：所述轧后冷却工序。下面，仅对该区别进行介绍，其余相同部分不再赘述。
67.首先，前述第一实施方式的轧后冷却工序中，将钢板在冷床上自然空冷至t
f
。而不同于此，在本实施方式中，所述轧后冷却工序为：
68.首先，将终轧所得钢板移至冷床上自然空冷，也即不进行任何干预手段，直至钢板的上表面温度降低至t
a
；其中，b
s
15℃≤t
a
≤b
s
35℃，具体可优选为t
a
＝b
s
30℃；b
s
为冷却中贝氏体相变开始时的温度，其具体可以从过冷奥氏体连续冷却转变曲线(即cct曲线)中得到，或者也可以根据钢板中化学成分元素含量进行计算得到；
69.紧接着，也即钢板的上表面温度降低至t
a
之后，开启风扇并通过风扇扰动钢板下方的空气，以控制钢板的上表面温度和下表面温度的差值≤5℃，直至钢板的上表面温度降低至t
f
。
70.也即，本实施方式的轧后冷却工序中，在钢板的上表面温度处于t
a
和t
f
之间时，采用风扇进行干预的空冷方式进行冷却。如此，在整个相变区间内，通过风扇来扰动钢板下方的空气，以使得钢板的上表面温度和下表面温度基本一致，二者差值始终维持在5℃以内，从而实现钢板的上下表面的冷速、相变开始时间、相变结束时间、相变过程均保持一致，进而避免钢板在相变过程中发生微变形，保证最终所得钢板的不平度较小；同时，采用风扇扰
动空气的方式来进行温度控制，相对现有的矫直、入坑堆垛的方式，可以降低设备成本、提高生产效率，另外还可以避免钢板的表面裂纹，保证较低的能耗成本和宽松的工艺条件，降低生产难度。
71.进一步地，冷床上设置有多个位于钢板下方且风量可调的风扇；如此，该轧后冷却工序中，可以根据钢板的上表面温度和下表面温度的差值大小，来调控所开启的风扇数目以及风扇的风量，进而保证在整个相变区间内钢板的上表面温度和下表面温度的差值始终维持在5℃以内。
72.例如可选地，当上表面温度和下表面温度的差值＞30℃时，开启10台风扇，风扇风量为80000～100000m3/h；当上表面温度和下表面温度的差值为＞15且≤30℃时，开启7台风扇，风扇风量为70000～90000m3/h；当上表面温度和下表面温度的差值为＞5且≤15℃时，开启3台风扇，风扇风量为70000～90000m3/h；当上表面温度和下表面温度的差值为≤5℃时，则可以不开启风扇。当然，这仅为一种示例，实际还可以以其它方式实施，基本上保证随着上表面温度和下表面温度的差值阶梯性增大，控制风扇的整体风量阶梯性增大。当然，风扇风量的具体参数值和上表面温度和下表面温度的差值阶梯变化，不限于此。
73.进一步地，风扇的吹风方向平行于钢板的下表面或者斜向下远离钢板的下表面，如此，风扇不会朝向钢板的下表面直接吹风，而只是加速钢板下方的气流流动，保证钢板下表面各处的温度均匀而不会局部偏低，进一步优化板形并避免表面裂纹。
74.如此，与现有技术相比，除了具有前述第一实施方式所具有的有益效果之余，本实施方式还可以通过在简单的工艺流程、低成本的情况下提升板形，所得的塑料模具钢板，按照gb/t 709
‑
2019标准进行检测，其不平度≤4mm/2m，甚至≤3mm/2m，板形品质达到甚至超过现有技术中的塑料模具钢板。
75.下面提供本发明的几个实施例来对本发明的技术方案进一步说明。
76.首先，实施例1～6中提供的钢板，均采用同一炉钢所铸成的连铸坯制备而成，所述连铸坯的化学成分以质量百分比计为：c 0.35％、si 0.15％、mn 0.81％、p 0.010％、s 0.003％、cr 1.60％、ni 0.80％、mo 0.18％，其余为fe和不可避免的杂质，其中cr/mn比值为1.98，cr/(mn ni)比值为0.99，mn cr ni mo为3.39％。
77.如此，本实施例中钢板的化学成分同样如上。基于钢坯的化学成分中c、ni、si、v、mo的质量百分比含量[c]、[ni]、[si]、[v]、[mo]，采用公式计算得到a
c3
＝790℃；通过cct曲线得到b
s
＝487℃，b
f
＝346℃。
[0078]
实施例1～6的钢板，均通过第一次加热工序
‑
第二次加热工序
‑
轧制工序
‑
轧后冷却工序
‑
交叉堆垛自回火工序制备得到，具体地，实施例1～3的钢板，按照前述第一实施方式所提供的生产方法制备而成，实施例4～6的钢板，按照前述第二实施方式所提供的生产方法制备而成。
[0079]
(1)第一次加热工序
[0080]
将实施例1～6分别所用的钢坯送入加热炉中进行三段式加热，也即，以预热段、加热段和均热段的顺序进行加热，预热段温度为900℃，预热段停留时间为65min，加热段温度为1180℃，均热段温度1230℃，在炉时间为250min。
[0081]
(2)第二次加热工序
[0082]
实施例1～6中，将所述第一次加热工序中出炉后的钢坯重新加热，采用三段式加热工艺，入炉温度为800℃，预热段温度为980℃，加热段温度为1140℃，均热段温度1160℃，在炉时间为210min。
[0083]
(3)轧制工序
[0084]
将实施例1～6的钢坯在完成所述第二次加热工序之后，轧制成钢板，开轧温度为1080℃，终轧温度为990℃。实施例1～6所得钢板厚度分别为100mm、120mm、160mm、100mm、120mm、160mm。
[0085]
(4)轧后冷却工序
[0086]
紧接着所述轧制工序，将实施例1～3的终轧所得钢板移至冷床上自然空冷至316℃，结束该工序而进入下述交叉堆垛自回火工序。
[0087]
而将实施例4～6的钢板移至冷床上，先自然空冷，至钢板的上表面温度冷至517℃；此时检测发现实施例4～6的钢板的下表面温度分别为538℃、540℃、548℃，实施例4～6的钢板上表面温度与下表面温度温差分别为21℃、23℃、31℃，实施例4～6分别开启7台、7台、10台风扇并通过风扇扰动钢板下方的空气，以控制钢板的上表面温度和下表面温度的差值减小至5℃以内，之后根据钢板的上表面温度和下表面温度，调整所开启的风扇数目以及风扇的风量，以使得钢板的上表面温度和下表面温度的差值维持在5℃以内，直至钢板的上表面温度冷至316℃，结束该工序而进入下述交叉堆垛自回火工序。
[0088]
(5)交叉堆垛自回火
[0089]
紧接着前述轧后冷却工序，也即在通过所述轧后冷却工序将钢板冷至316时，将实施例1～6的各个钢板分别与温度为450～550℃的铁素体珠光体钢板进行交叉堆垛，堆垛期间钢板自回火，直至钢板的温度重新降低至316℃；之后拆垛并自然空冷至室温。
[0090]
对各个实施例的钢板，取样检测，钢板厚度、力学性能、组织性能、不平度(按照gb/t 709
‑
2019标准)，具体参表1所示。
[0091]
[表1]
[0092][0093]
结合各个实施例可见，本发明的钢板具有优异的组织均匀性，其表层和心部的洛氏硬度差值≤1.8hrc；而且力学性能和组织性能佳，屈服强度≥750mpa，抗拉强度≥1100mpa，v型夏比冲击功≥15j，洛氏硬度为32～36hrc；且通过轧后冷却工序中的相变区温控，还可以实现板形控制，不平度≤3mm/2m，满足于塑料模具钢板的使用要求。
[0094]
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可
以理解的其他实施方式。
[0095]
上文所列出的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。