调质型加S易切削模具钢板及其生产方法

摘要

本发明公开了一种调质型加S易切削模具钢板及其生产方法，由以下重量百分含量的化学成分组成：C：0.35%‑0.45%，Si：0.30%‑0.50%，Mn：1.40%‑1.60%，P≤0.030%，S：0.05%‑0.10%，Cr：1.80%‑2.0%，Mo：0.15%‑0.25%，余量为Fe和不可避免的杂质。其生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧后水冷、热堆垛、热处理和堆垛缓冷。本发明通过加入一定含量的硫和锰来改善钢的易切削性能，碳、锰固溶强化，加入少量的Cr细化晶粒，其弥散强化作用，增加钢板硬度；以及后续合理的调质热处理工艺，提高钢板整板的硬度均匀性、易切削性能、焊接性能和耐磨性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种调质型加S易切削模具钢板及其生产方法，属于合金钢材料制备技术领域。

背景技术

随着用户对钢板机加工性能要求的提高，要求模具钢不仅要内部质量致密、洁净，硬度的均匀性，更对钢板的切削加工性能提出了要求。硫在钢中偏析严重，恶化钢的质量，在高温下，降低钢的塑性，是一种有害元素，它以熔点较低的FeS形式存在。单独存在的FeS的熔点只有1190℃，而在钢中与铁形成共晶体的共晶温度更低，只有988℃，当钢凝固时，硫化铁析集在原生晶界处。钢1100～1200℃进行轧制时，晶界上的FeS就将熔化，大大的削弱了晶粒之间的结合力，导致钢的热脆现象，因此对硫应严加控制。研究表明，钢中加入一定含量的硫和锰，可以改善钢的被切削性能。因此在易切削钢中，硫作为有益元素加入，为防止因硫导致的脆性，应加足够的锰，使其形成熔点较高的MnS，从而改善切削加工性能。

中国专利200810141497.3公开了一种加硫易切削塑料模具钢的冶炼方法,冶炼过程中喂入硫铁线提高硫含量为0.09-0.125%，来提高钢板的易切削性能，但其硫铁线的喂入时机为DV真空处理后，未能将钢水中的硫充分均匀，易造成硫的偏析，真空处理时硫易被碱性渣吸收，控制硫含量困难。中国专利201310569068.7 公开了一种易切削塑料模具钢板的生产方法，通过冶炼过程中喂入硫线提高硫含量为0.05-0.10%，来实现提高钢板易切削性能的目的，但其热处理采用正火+回火方式，正火后的钢板组织不稳定，易造成性能不均匀，从而造成钢板厚度方向的硬度不均匀。而本专利采用调质（即淬火+回火）的热处理方式，淬火后的组织为均匀细化的组织，从而钢板有均匀的性能。

发明内容

本发明提供一种调质型加S易切削模具钢板及其生产方法，通过加入一定含量的硫和锰来改善钢的易切削性能，碳、锰固溶强化，加入少量的Cr细化晶粒，其弥散强化作用，增加钢板硬度；以及后续合理的调质热处理工艺，提高钢板整板的硬度均匀性、易切削性能、焊接性能和耐磨性能。

本发明所采取的技术方案是：

调质型加S易切削模具钢板，由以下重量百分含量的化学成分组成：C：0.35%-0.45%，Si：0.30%-0.50%，Mn：1.40%-1.60%，P≤0.030%，S：0.05%-0.10%，Cr：1.80%-2.0%，Mo：0.15%-0.25%，余量为Fe和不可避免的杂质。

钢板的厚度≤120mm。

调质型加S易切削模具钢板的生产方法，包括下述步骤：

（1）冶炼：将含有以下重量百分比C：0.35%-0.45%，Si：0.30%-0.50%，Mn：1.40%-1.60%，P≤0.030%，S：0.05%-0.10%，Cr：1.80%-2.0%，Mo：0.15%-0.25%的钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，当钢水温度达到1620℃时转入VD炉真空脱气处理，VD前加入CaSi块或Fe-Ca线；CaSi块或Fe-Ca线的加入量≥100kg/炉；

（2）连铸：采用低碳保护渣，铸坯下线堆垛24小时以上，带温清理、转连续式加热炉进行加热；

（3）加热：最高加热温度为1260℃，均热温度为1100-1200℃，总加热时间为10-20h，均热时间≥5h；

（4）轧制：加热温度1100℃～1200℃，开轧温度1050℃～1100℃，采用低速大压下的控制手段，道次压下率给定在8%～10%之间，道次之间预留2～5s的静态再结晶时间，达到成品厚度时的终轧温度保证在980℃以上，总压下率达到60%，使钢板充分再结晶；

（5）轧后水冷：钢板轧后通过ACC快冷到600℃～700℃之间，保留细化的组织快速水冷至750～850℃；

（6）热堆垛：轧后钢板采用堆垛缓冷进行去应力；

（7）热处理：热处理采用淬火+回火方式；

（8）出钢后钢板及时堆垛缓冷，48小时后拆垛，钢板慢速带温切割。

优选的，步骤（1）所述的真空脱气处理的真空度≤66.6Pa，真空保持时间≥20min。

优选的，步骤（2）所述的浇注温度为1540～1560℃。

进一步优选的，步骤（7）中淬火工艺为：炉温500～600℃装炉， 2～6小时快速升温到900±20℃（提高奥氏体的形核速率），保温3～10小时（避免高温长时加热导致奥氏体晶粒长大）；保温结束，入水快速冷却，淬火水温控制在30℃以下，辊速3m～10m/min，返红温度在100℃～200℃之间。

更进一步优选的，步骤（7）中回火工艺为：钢板淬火后快速装炉，装炉时钢板温度不低于100℃，炉膛温度为500～600℃，保温3～10小时。

本发明钢板淬火+回火热处理后的组织为稳定的回火索氏体组织，钢板组织均匀细化，无论是整板的硬度均匀性还是全厚度方向的硬度均匀性都较正火+回火钢板大幅提高。

本发明的调质型加S易切削模具钢板采用碳、锰固溶强化；加入少量的Cr细化晶粒，其弥散强化作用，增加钢板硬度；通过后续合理的热处理工艺，使钢板具有大的厚度和良好的性能。

钢板中各组分及含量在本发明中的作用是：

S：一般情况下，硫是钢中有害元素，在钢中偏析严重，恶化钢的质量。在高温下，降低钢的塑性，在锻造和轧制时造成裂纹，它以熔点较低的FeS形式存在。单独存在的FeS的熔点只有1190℃，而在钢中与铁形成共晶体的共晶温度更低，只有988℃，当钢凝固时，硫化铁析集在原生晶界处。为防止因硫导致的脆性，加足够的锰，使其形成熔点较高的MnS。在易切削钢中，硫作为有益元素加入，提高硫和锰的含量，可以改善钢的被切削性能。

C：碳对钢的屈服强度、抗拉强度、焊接性能产生显著影响。碳通过间隙固溶能显著提高强度，与其他元素形成碳化物可起到析出强化的作用，但含碳量过高又会影响钢的焊接性能及硬度，因此对于小于120mm厚的钢板，将碳含量控制范围设定为0.35%～0.45%。

Si：硅在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，同时Si也能起到固溶强化作用，但硅过量时，会造成钢的韧性下降，导致焊缝熔合区脆性，故设定硅含量为0.30%～0.50%。

Mn：锰成本低廉，能增加钢的韧性、强度和硬度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能；锰量过高，容易在大钢锭中心产生偏析，且使钢的共析点碳含量降低，从而增加组织中珠光体的含量，对韧性不利，故设定控制范围为1.40%～1.60%。

P：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的脆性。磷使焊接性能降低，降低塑性，使冷弯性能变差；因此，应尽量减少磷在钢中的含量(P≤0.020%)。

Al：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝(0.020%～0.080%)，可细化晶粒，提高冲击韧性。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，过高则影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。

Cr：铬能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可提高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。铬能提高碳素钢轧制状态的强度和硬度，降低伸长率和断面收缩率。含铬钢的零件经研磨容易获得较高的表面加工质量。铬在调质结构中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能，在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。

本发明具有以下优点：

①本发明开发的调质型加S易切削钢板，应用于模具领域，具有切削加工性能好、强度高、延伸率高、厚度规格齐全等特点，各项性能指标均满足且高于标准要求，也可应用于其他行业领域。

②开发的调质型加S易切削模具钢，该钢种的调质处理工艺，促进了钢铁行业的技术进步，也为其它用途中碳合金钢的调质开发提供了相关技术。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明的模具钢板通过加入一定含量的硫和锰来改善钢的易切削性能，碳、锰固溶强化，加入少量的Cr细化晶粒，其弥散强化作用，增加钢板硬度；以及后续合理的调质热处理工艺，提高钢板整板的硬度均匀性、易切削性能、焊接性能和耐磨性能。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步地说明；

实施例1

本实施例的钢种1.2312，钢板厚度为20mm，生产步骤如下：

（1）冶炼：将含有以下重量百分比C：0.35%，Si：0.35%，Mn：1.50%，P：0.020%，S：0.05%，Cr：1.80%，Mo：0.18%组分的钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，当钢水温度达到1620℃时转入VD炉真空脱气处理，VD前加入CaSi块101kg/炉；真空脱气处理的真空度为66.6Pa，真空保持时间22min。

（2）连铸：采用低碳保护渣，铸坯下线堆垛24小时，带温清理、转连续式加热炉进行加热；浇注温度为1555℃。

（3）加热：最高加热温度为1260℃，均热温度为1100℃，总加热时间为10h，均热时间5h；

（4）轧制：加热温度1100℃，开轧温度1050℃，采用低速大压下的控制手段，道次压下率给定在9%，道次之间预留2s的静态再结晶时间，达到成品厚度时的终轧温度在980℃，总压下率达到60%，使钢板充分再结晶。

（5）轧后水冷：钢板轧后通过ACC快冷到600℃，保留细化的组织快速水冷至750℃；

（6）热堆垛：轧后钢板采用堆垛缓冷进行去除应力；

（7）热处理：

淬火：炉温550℃装炉，快速升温5小时到900℃，保温3小时。钢板保温时间到后，立即进入淬火机冷却水系统，入水快速冷却，淬火水温控制在22℃，控制辊速3m/min，控制返红温度在100℃。

回火：钢板出淬火机后快速装炉，装炉时钢板温度150℃，装炉炉膛温度555℃，保温3小时。

（8）出钢后钢板及时堆垛缓冷，55小时拆垛，钢板慢速带温切割。

经检验，本实施例所得钢板有良好的内部组织及综合机械性能，钢板晶粒度均为9级以上，A、B、C、D类夹杂物评级为不超过1.0级，钢板硬度值平均为295HB，整板硬度同板差最大为8HB，全厚度硬度同板差最大为1HB。

实施例2

本实施例的钢种1.2312，钢板厚度为80mm，生产步骤如下：

（1）冶炼：将含有以下重量百分比C：0.38%，Si：0.38%，Mn：1.40%，P：0.020%，S：0.06%，Cr：1.80%，Mo：0.25%组分的钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，当钢水温度达到1620℃时转入VD炉真空脱气处理，VD前加入Fe-Ca线100kg/炉；真空脱气处理的真空度66.6Pa，真空保持时间23min。

（2）连铸：采用低碳保护渣，铸坯下线堆垛26小时，带温清理、转连续式加热炉进行加热；浇注温度为1540℃。

（3）加热：最高加热温度为1260℃，均热温度为1150℃，总加热时间为15h，均热时间6h；

（4）轧制：加热温度1150℃，开轧温度1050℃，采用低速大压下的控制手段，道次压下率给定在9%，道次之间预留3s的静态再结晶时间，达到成品厚度时的终轧温度在990℃，总压下率达到60%，使钢板充分再结晶。

（5）轧后水冷：钢板轧后通过ACC快冷到650℃，保留细化的组织快速水冷至800℃；

（6）热堆垛：轧后钢板采用堆垛缓冷进行去除应力；

（7）热处理：

淬火：炉温550℃装炉，快速升温4小时到920℃，保温6小时。钢板保温时间到后，立即进入淬火机冷却水系统，入水快速冷却，淬火水温控制在28℃，控制辊速5m/min，控制返红温度在180℃间。

回火：钢板出淬火机后快速装炉，装炉时钢板温度180℃，装炉炉膛温度570℃，保温7小时。

（8）出钢后钢板及时堆垛缓冷，50小时拆垛，钢板慢速带温切割。

经检验，本实施例所得钢板有良好的内部组织及综合机械性能，钢板晶粒度均为9级以上，A、B、C、D类夹杂物评级为不超过1.0级，钢板硬度值平均为285HB，整板硬度同板差最大为8HB，全厚度硬度同板差最大为3HB。

实施例3

本实施例的钢种1.2312，钢板厚度为120mm，生产步骤如下：

（1）冶炼：将含有以下重量百分比C：0.45%，Si：0.50%，Mn：1.60%，P：0.030%，S：0.10%，Cr：2.0%，Mo：0.15%组分的钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，当钢水温度达到1620℃时转入VD炉真空脱气处理，VD前加入CaSi块100kg/炉；真空脱气处理的真空度为66.0Pa，真空保持时间为20min。

（2）连铸：采用低碳保护渣，铸坯下线堆垛28小时，带温清理、转连续式加热炉进行加热；浇注温度为1545℃。

（3）加热：最高加热温度为1260℃，均热温度为1200℃，总加热时间为20h，均热时间8h；

（4）轧制：加热温度1200℃，开轧温度1100℃，采用低速大压下的控制手段，道次压下率给定在10%，道次之间预留5s的静态再结晶时间，达到成品厚度时的终轧温度在980℃，总压下率达到60%，使钢板充分再结晶。

（5）轧后水冷：钢板轧后通过ACC快冷到600℃，保留细化的组织快速水冷至750℃；

（6）热堆垛：轧后钢板采用堆垛缓冷进行去除应力；

（7）热处理：

淬火：炉温600℃装炉，快速升温6小时到900℃，保温10小时。钢板保温时间到后，立即进入淬火机冷却水系统，入水快速冷却，淬火水温控制在30℃，控制辊速3m/min，控制返红温度在100℃。

回火：钢板出淬火机后快速装炉，确保装炉时钢板温度150℃，装炉炉膛温度500℃，保温10小时。

（8）出钢后钢板及时堆垛缓冷，70小时拆垛，钢板慢速带温切割。

经检验，本实施例所得钢板有良好的内部组织及综合机械性能，钢板晶粒度均为8.5级以上，A、B、C、D类夹杂物评级为不超过1.0级，钢板硬度值平均为280HB，整板硬度同板差最大为6HB，全厚度硬度同板差最大为3HB。

实施例4

本实施例的钢种1.2312，钢板厚度为40mm，生产步骤如下：

（1）冶炼：将含有以下重量百分比C：0.40%，Si：0.30%，Mn：1.45%，P：0.018%，S：0.08%，Cr：1.95%，Mo：0.20%组分的钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，当钢水温度达到1620℃时转入VD炉真空脱气处理，VD前加入Fe-Ca线105kg/炉；真空脱气处理的真空度63.0Pa，真空保持时间22min。

（2）连铸：采用低碳保护渣，铸坯下线堆垛28小时，带温清理、转连续式加热炉进行加热；浇注温度为1550℃。

（3）加热：最高加热温度为1260℃，均热温度为1130℃，总加热时间为18h，均热时间7h；

（4）轧制：加热温度1160℃，开轧温度1060℃，采用低速大压下的控制手段，道次压下率给定在10%，道次之间预留4s的静态再结晶时间，达到成品厚度时的终轧温度在985℃，总压下率达到60%，使钢板充分再结晶。

（5）轧后水冷：钢板轧后通过ACC快冷到700℃，保留细化的组织快速水冷至850℃；

（6）热堆垛：轧后钢板采用堆垛缓冷进行去除应力；

（7）热处理：

淬火：炉温580℃装炉，快速升温2小时到900℃，保温5小时。钢板保温时间到后，立即进入淬火机冷却水系统，入水快速冷却，淬火水温控制在25℃，控制辊速8m/min，控制返红温度在200℃。

回火：钢板出淬火机后快速装炉，确保装炉时钢板温度100℃，装炉炉膛温度600℃，保温6小时。

（8）出钢后钢板及时堆垛缓冷，48小时拆垛，钢板慢速带温切割。

经检验，本实施例所得钢板有良好的内部组织及综合机械性能，钢板晶粒度均为8.5级以上，A、B、C、D类夹杂物评级为不超过1.0级，钢板硬度值平均为290HB，整板硬度同板差最大为5HB，全厚度硬度同板差最大为2HB。

实施例5

本实施例的钢种1.2312，钢板厚度为100mm，生产步骤如下：

（1）冶炼：将含有以下重量百分比C：0.42%，Si：0.45%，Mn：1.55%，P：0.021%，S：0.09%，Cr：1.90%，Mo：0.22%组分的钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，当钢水温度达到1620℃时转入VD炉真空脱气处理，VD前加入Fe-Ca线102kg/炉；真空脱气处理的真空度66.6Pa，真空保持时间20min。

（2）连铸：采用低碳保护渣，铸坯下线堆垛28小时，带温清理、转连续式加热炉进行加热；浇注温度为1560℃。

（3）加热：最高加热温度为1260℃，均热温度为1180℃，总加热时间为16h，均热时间8h；

（4）轧制：加热温度1200℃，开轧温度1100℃，采用低速大压下的控制手段，道次压下率给定在9%，道次之间预留3s的静态再结晶时间，达到成品厚度时的终轧温度在980℃，总压下率达到60%，使钢板充分再结晶。

（5）轧后水冷：钢板轧后通过ACC快冷到630℃，保留细化的组织快速水冷至780℃；

（6）热堆垛：轧后钢板采用堆垛缓冷进行去除应力；

（7）热处理：

淬火：炉温500℃装炉，快速升温4小时到920℃，保温8小时。钢板保温时间到后，立即进入淬火机冷却水系统，入水快速冷却，淬火水温控制在30℃，控制辊速10m/min，控制返红温度在120℃。

回火：钢板出淬火机后快速装炉，确保装炉时钢板温度120℃，装炉炉膛温度520℃，保温8小时。

（8）出钢后钢板及时堆垛缓冷，60小时拆垛，钢板慢速带温切割。

经检验，本实施例所得钢板有良好的内部组织及综合机械性能，钢板晶粒度均为9.0级以上，A、B、C、D类夹杂物评级为不超过1.0级，钢板硬度值平均为285HB，整板硬度同板差最大为4HB，全厚度硬度同板差最大为3HB。

实施例6

本实施例的钢种1.2312，钢板厚度为60mm，生产步骤如下：

（1）冶炼：将含有以下重量百分比C：0.36%，Si：0.42%，Mn：1.52%，P：0.019%，S：0.07%，Cr：1.83%，Mo：0.19%组分的钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，当钢水温度达到1620℃时转入VD炉真空脱气处理，VD前加入CaSi块103kg/炉；真空脱气处理的真空度66.6Pa，真空保持时间20min。

（2）连铸：采用低碳保护渣，铸坯下线堆垛25小时，带温清理、转连续式加热炉进行加热；浇注温度为1540℃；

（3）加热：最高加热温度为1260℃，均热温度为1190℃，总加热时间为13h，均热时间6h；

（4）轧制：加热温度1180℃，开轧温度1090℃，采用低速大压下的控制手段，道次压下率给定在8%，道次之间预留4s的静态再结晶时间，达到成品厚度时的终轧温度在980℃，总压下率达到60%，使钢板充分再结晶。

（5）轧后水冷：钢板轧后通过ACC快冷到600℃，保留细化的组织快速水冷至820℃；

（6）热堆垛：轧后钢板采用堆垛缓冷进行去除应力；

（7）热处理：

淬火：炉温600℃装炉，快速升温2小时到880℃，保温10小时。钢板保温时间到后，立即进入淬火机冷却水系统，入水快速冷却，淬火水温控制在28℃，控制辊速7m/min，控制返红温度在160℃。

回火：钢板出淬火机后快速装炉，确保装炉时钢板温度110℃，装炉炉膛温度600℃，保温3小时。

（8）出钢后钢板及时堆垛缓冷，50小时拆垛，钢板慢速带温切割。

经检验，本实施例所得钢板有良好的内部组织及综合机械性能，钢板晶粒度均为8.5级以上，A、B、C、D类夹杂物评级为不超过1.0级，钢板硬度值平均为280HB，整板硬度同板差最大为5HB，全厚度硬度同板差最大为2HB。