经济型塑料模具用钢的开发实践

江家健

（福建三钢技术中心， 福建 三明 365000）

P20 钢材是引用美国AISI 标准中Cr-Mo 系塑料模具钢，出厂已预硬处理，可直接用于模具加工，具有良好的尺寸稳定性、可切削性及镜面研磨性能。

P20 钢板可应用于各类塑料模具的型腔，是具有较高附加值的中厚板品种。市面上流通的P20 钢板交货状态一般为“正火+回火”，其生产成本较高，通过研究讨论，认为通过轧制工艺优化及利用余温自回火的方式生产P20 钢板可缩短工艺流程，有效降低生产成本。

1 生产工艺

1.1 工艺流程

高炉铁水→铁水预处理→氧气顶底复吹转炉→炉外精炼→板坯连铸→加热→轧制→矫直→堆垛缓冷→探伤→硬度检测→入库→发货。

1.2 成分控制

结合美国AISI 标准及与客户协商条款制定《P20 塑料模具用钢板产品供货技术条件》，按照协议成分三钢组织冶炼的实际成分如表1 所示。

表1 协议成分及实际控制情况 %

表1 来看，试制钢水P、S 控制严格，合金收得率稳定，各成分均符合协议要求。

1.3 轧制工艺

1.3.1 加热制度

中板厂采用冷批入炉工艺生产，为保证合金元素充分溶解，以及控制原始奥氏体晶粒度，要求板坯加热时间为4h±20 min。其中预热段进行缓慢预热（温度550～720 ℃，时间大于40 min），均热段温度1 200～1 260 ℃（时间70～90 min），保证出炉无黑印，坯料温度均匀性好。

1.3.2 TMCP 工艺

本次选用2 块规格为220mm×1600mm×2500mm的坯料，成品规格为31 mm×2 200 mm·L，粗轧温度≥1 080 ℃，采用大压下模式，道次压下率≥15%（展宽道次除外），中间坯厚度75 mm。精轧开轧温度控制在925 ℃±10 ℃；终轧温度控制在890 ℃±15 ℃。此阶段为两相区轧制，此区域轧制容易获得较好的韧性和强度。

1.4 堆垛自回火

提前清空一个冷床和钢板下线台架，确保下线通道顺畅。钢板矫直后快速通过冷床和辊道，将钢板第一时间吊至垛位，此时记录入垛温度420～450 ℃，该垛位下部铺垫钢板和上部覆盖钢板均为温度不小于400 ℃的刚下线46 mm 厚Q235B 钢板，可对试制钢板保温，以达到自回火的目的。27 h 后温度降至100 ℃。

2 试制结果

P20 钢板硬度值要求为HRC31～36，用户期望目标值为HRC32，钢板超声波探伤不低于Ⅱ级。

2.1 超声波探伤

钢板按GB/T 2970 进行超声波探伤，结果均为Ⅰ级合格。

2.2 硬度检测

对试制的2 张31 mm×2 200 mm mm×L的P20钢板进行表面硬度检测，结果2 张板在宽度和长度方向的硬度均存在较大的波动，且总体硬度值偏高，与用户期望的目标值相差甚远，实测HRC34～39（均值HRC36.5）。

表2 P20 钢板表面硬度（HRC）检测情况

2.3 金相组织检测

从钢板1/4 处取HRC38.4 位置及1/2 处取HRC34.1 位置进行金相试样制备，采用4%硝酸酒精溶液腐蚀金相组织，发现HRC38.4 位置贝氏体含量较HRC34.1 位置高，部分贝氏体为板条状形貌，具体如图1，图2 所示。

图1 HRC38.4 位置钢板表面组织

图2 HRC34.1 位置钢板表面组织

3 讨论分析

从试制结果来看，钢板内部质量控制良好，未发现芯部芯部砂眼、孔洞、裂纹等缺陷，钢板超声波探伤Ⅰ级合格。

但是试制钢板整体硬度偏高，甚至超出协议范围，且硬度值波动较大，差值达HRC5。从组织上看，造成硬度不均的根本原因是组织不均造成的。组织不均与钢板各部位冷速不均有关；而整体硬度偏高与钢板入垛温度偏低或保温效果不佳有关。

文献[1]对于钢中合金元素对贝氏体起始转变温度Bs 的影响可用如下经验公式表达：TBs=830-270w（C）-90w（Mn）-37w（Ni）-70w（Cr）-83w（Mo），代入实际成分计算出试制钢板TBs=490.2 ℃。

在贝氏体转变区进行慢速冷却能限制贝氏体板条状长大，促使贝氏体在原奥氏体晶内形核并最终形成粒状贝氏体，起到细化相变产物的作用，最终达到使钢板组织更均匀的目的[2]。

因此，入垛温度应提高至490 ℃以上，并且尽可能提高保温效果是下一步攻克的重点。

4 优化措施及效果验证

4.1 优化措施

采取全热轧工艺，即不控轧，降低钢板基础硬度，提高钢板上冷床的温度；进一步优化下线流程，减少钢板在冷床和辊道上的停留时间，采取就近入垛方式从而进一步提高入垛温度；在首次试制基础上加盖保温布以减缓钢板自回火的温降曲线，同时也能降低钢板各个部位冷速差别。

4.2 效果验证

通过以上工艺优化，中板再次组织生产。优化后的入垛温度从420～450 ℃提高至500～540 ℃；自回火温度降至100 ℃的时间从27 h 延长至42 h。

对优化后的钢板进行测量，硬度值为HRC31～33（均值HRC32.3），较原来的HRC34～39（均值36.5）降低了HRC4.2，差值从原来的HRC5 降低到HRC2。

4.3 用户使用情况

用户入场检测表明钢板探伤Ⅰ级合格，硬度均匀且符合要求。经锯切、车铣、钻孔及CNC 加工后未发现异常，尺寸稳定性好；所制作的模具型腔表明光洁度高，无砂眼、孔洞等缺陷。

5 结语

1）三钢通过轧制工艺优化及利用余温自回火的方式成功开发了P20 塑料模具用钢板，填补了三钢中板高附加值板材的空白，提升了企业竞争力。

2）相较传统P20 钢板正火+回火的生产工艺，三钢在生产成本上有较大优势，能为企业和客户创造更大的利润空间。