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XFP20LL(化学成分)空冷经济型预硬塑料模具钢P20的生产工艺
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-10-14
针对新余钢铁公司的工装设备情况，采用轧后直接空冷及高温回火的预硬工艺，生产出了低成本空冷经济型塑料模具钢XFP20LL，满足了市场的需要。
P20 是美国牌号，属于预硬型塑料模具钢，相当于中国牌号3Cr2Mo，因其淬透性高，综合力学性能好，较大截面时也能获得均匀的硬度，且具有良好的抛光性能，最适合做形状复杂的大、中型精密模具，在国际上得到广泛应用。在传统生产模式下，预硬模具通过调质处理得到一定范围的硬度，后续的模具加工是在预硬状态下进行，不需要再热处理。但是，传统生产模式工艺复杂、生产周期长、能耗高，不符合节能及降本增效的需要。本文针对新余钢铁公司的工装设备情况，采用轧后直接空冷及高温回火的预硬工艺，生产出了低成本空冷经济型塑料模具钢P20，满足了市场的需要。
1 产品要求及成分设计
产品执行企业标准Q/XGJX 302—2013，根据客户对空冷经济型塑料模具钢P20的要求，钢板以回火状态交货，交货状态硬度为29～35HＲC，硬度同板差不大于4 HＲC。
在成分设计方面，首先需考虑合金的空冷硬化能力，使整个截面在空冷条件下获得贝氏体组织；其次应考虑合金成本。结合考虑新钢产线水平状况和P20产品的特点，制定的产品成分如表1。
表1 空冷经济型P20塑料模具钢化学成分（质量百分比，%）
牌号
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C
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Mn
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Si
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S
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P
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Cr
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Mo
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Cu
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XFP20LL
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0.37～0.42
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1.40～1.60
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0.30～0.50
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≤0.010
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≤0.020
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1.50～2.00
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0.07～0.18
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≤0.25
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2 生产工艺
2.1 生产工艺流程
考虑到设备情况及钢种的特点，制定的生产工艺流程如下:铁水→脱硫→转炉→吹氩→LF炉→ＲH炉→连铸→热送→加热→除磷→轧制→矫直、冷床空冷→剪切、表面检验→探伤→回火→检验、标识、入库。
2.2 炼钢工艺控制
1) 严格控制杂质的含量。模具钢中存在的夹杂物尤其是硬而脆的夹杂物会严重降低钢的抛光性能。钢中硫含量的增加将增大其腐蚀不均匀性，这直接影响塑料模具表面花纹图案的蚀刻性能，因此钢中S含量应控制在0.01%以下。
2) 控制氢和氮的含量。钢从液相向固相转变以及在后续的冷却过程中，氮和氢的溶解度急剧下降，加上凝固过程的偏析，残留的氮和氢会超过溶限而析出气体，极易产生气孔，这些气孔破坏了钢的连续性，使探伤合格率下降。另外，钢中的碳和高压氢在高温下反应生成甲烷，其压力也会促使裂纹产生，同样会降低探伤合格率。
3) 控制中心偏析。合金模具钢碳含量和合金含量较高，导热性差，在铸坯凝固过程中柱状晶发达，较易形成中心偏析，中心偏析部位在钢板切割时由于受热淬火发生组织转变，在热应力和组织应力的共同作用下易沿中心偏析部位发生开裂。另外，中心偏析导致模具性能产生波动，容易出现模具抛光质量差、模具加工过程中变形较大等问题，最终导致模具无法满足用户的使用要求。
针对以上控制要求，我们采取了以下控制措施:保证熔剂、辅料干燥；氧枪、烟罩、LF炉没有漏水现象；ＲH真空处理时间不小于25 min，软吹时间不小于8 min；采用保护浇铸，中间包钢水过热度控制在30 ℃以内；保证铸机设备状况良好，使用轻压下技术。
2.3 轧钢工艺控制
2.3.1 加热
连铸坯采用热送热装，该钢种碳含量和合金含量较高，导热性差，加热时须控制好加热温度和加热时间，以免发生坯料断裂和脱碳现象。
铸坯加热温度要求：预热段不大于800 ℃，一加热段为1050～1150 ℃，二加热段为1200～1240 ℃，均热段为1200～1260 ℃，加热时间按不低于1 min /mm控制。
2.3.2 轧制及冷却
钢板进行立辊齐边轧制，开轧温度不小于1050℃，终轧温度不小于950℃，轧后空冷。为保证钢板平直度要求，前两道次应适当减小压下量，最后两道次应适当降低抛钢速度，轧后矫直1～3道的矫直温度不低于450 ℃。锰、铬、钼等合金元素的添加，扩大了奥氏体区，降低了Bs点，提高了过冷奥氏体的稳定性，使其相变推迟，但推迟珠光体转变的作用远远大于推迟贝氏体转变的作用，导致珠光体与贝氏体转变曲线分离，并使贝氏体转变更突出，从而大大地提高了贝氏体的淬透性，即使是在空冷状态下也可获得全截面贝氏体组织。
由于此钢种具有较高的热应力敏感性，钢板下线后应堆冷或入箱缓冷48 h 以上。
2.4 热处理及检验
轧态钢板截面洛氏硬度检测结果见表2，对轧态钢板进行金相组织检测，轧态钢板基体金相组织为粒状贝氏体（见图1），心部偏析区域有带状组织（见图2），因存在合金元素偏析，心部带状组织较难浸蚀而呈现白亮色。
对轧态钢板进行回火工艺试验，回火温度分别为520℃，540℃，560℃，580℃和600℃，回火时间均为2 h，回火后进行截面洛氏硬度检测，结果见表2。从表2可以看出，在520～600 ℃回火，钢板的洛氏硬度呈下降趋势，而在560～600℃回火，钢板的硬度值及同板差均满足交货要求。对回火态钢板进行金相组织检测，其组织均为回火贝氏体，见图3和图4。因此，回火温度范围定为560～600 ℃。
3 预硬化工艺的应用
近一年来，新余钢铁公司开发的空冷经济型预硬化塑料模具钢P20的硬度和同板差达到了标准要求，成功打入了模具钢市场，为模具行业提供了一种绿色经济的新材料，不仅满足了用户要求，而且已形成了规模化生产销售，具有良好的经济效益和社会效益。
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