阅读说明：本技术 含氮塑料模具扁钢锭及其工艺方法 (nitrogenous plastic die steel slab and process method thereof ) 是由 罗许 肖强 刘韶华 吴欣蓉 刘序江 蔡武 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种含氮塑料模具扁钢锭及其工艺方法,属于冶金生产制造工艺技术领域。提供一种强度高、韧性和耐蚀性强的含氮塑料模具扁钢锭,本发明还提供了一种生产所述含氮塑料模具扁钢锭的艺方法。为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种含氮塑料模具扁钢锭,所述的含氮塑料模具扁钢锭为包含有以下重量份组分的冶金轧制钢锭,C 0.25～0.45％、Si 0.30～0.80％、Mn 0.30～0.70％、Cr 10.0～18.0％、Ni 0.08～0.20％、Mo 0.10～0.50％、V 0.05～0.20％、N 0.06～0.30％,其余为Fe和其他杂质元素。所述的工艺方法包括钢水冶炼、粗坯连铸和成品扁钢锭轧制几个步骤。(The invention discloses a nitrogenous plastic die steel slab and a process method thereof, belonging to the technical field of metallurgical production and manufacturing processes. The invention provides a nitrogenous plastic die flat steel ingot with high strength, toughness and corrosion resistance, and also provides a process method for producing the nitrogenous plastic die flat steel ingot. The technical scheme adopted for solving the technical problems is as follows: the nitrogen-containing plastic die flat steel ingot comprises, by weight, 0.25-0.45% of a metallurgical rolling steel ingot, 0.30-0.80% of Si, 0.30-0.70% of Mn, 10.0-18.0% of Cr, 0.08-0.20% of Ni, 0.10-0.50% of Mo, 0.05-0.20% of V, 0.06-0.30% of N, and the balance Fe and other impurity elements. The process method comprises the steps of molten steel smelting, rough blank continuous casting and finished flat steel ingot rolling.)

含氮塑料模具扁钢锭及其工艺方法

技术领域

本发明涉及一种扁钢锭，尤其是涉及一种含氮塑料模具扁钢锭，属于冶金生产制造工艺技术领域。本发明还涉及一种生产所述含氮塑料模具扁钢锭的工艺方法。

背景技术

随着塑料模具行业的迅速发展，不仅要求塑料模具钢具有高的强度和韧性，还要求具有更高的耐蚀性能，尤其是在生产以聚氯乙烯、氟塑料、阻燃性ABS为原料的塑料制品时，塑料在熔融状态下分解出的氯化氢、氟化氢和二氧化硫等，对模具型腔具有很强的腐蚀作用。

以往，在冶炼钢中常常将氮和钢的脆性联系在一起。但氮也是一种廉价的合金化元素，它的有益作用逐渐被发掘和运用。在高氮钢中，氮与钢中的其他元素交互作用时能赋予钢许多优异的性能，如强度、韧性好，蠕变抗力大、耐腐烛性好及显著减少金属间相σ在高温下析出的机会。氮最初作为奧氏体元素代替镍而用于奥氏体中节省元素镍而改善材料性能。氮和钢中铁、铅等合金元素有很强的亲和力，与之化合形成非常稳定的氮化物，在晶界内弥散分布起沉淀强化作用。阻抑钢在高温下蠕变变形，提高蠕变和持久强度。氮是含钒微合金钢中十分有效的合金元素。增氮可以促进钢中钒的析出，增强钒的沉淀强化作用，明显提高钢的强度。

随着钢材强化技术的不断发展，为实现优质低耗及降低生产成本，在钢材强化元素的选择及使用上，将不再单纯只追求普通的C、Si、Mn、Cr、Mo等，而是更多地考虑更低成本的元素，氮元素就是这样一种很有效的钢筋钢强化元素，在模具钢中，研究表明模具钢中0.01％的氮能够分别增加130MPa左右的抗拉强度和屈服强度值，对钢材抗拉强度和屈服强度的贡献相当于0.01％的钒。钢水增氮能够获得非常显著的技术经济指标以及综合经济效益。

但目前，在钢的冶炼中均没有如何将氮添加到塑料模具扁钢锭中与原有合金元素进行有效合金化的相关资料和技术手段的报道，为此，如何生产获得强度高、韧性和耐蚀性强的模具扁钢锭便成为了本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种强度高、韧性和耐蚀性强的含氮塑料模具扁钢锭，本发明还提供了一种生产所述含氮塑料模具扁钢锭的艺方法。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种含氮塑料模具扁钢锭，所述的含氮塑料模具扁钢锭为包含有以下重量份组分的冶金轧制钢锭，

C 0.25～0.45％、Si 0.30～0.80％、Mn 0.30～0.70％、Cr 10.0～18.0％、Ni0.08～0.20％、Mo 0.10～0.50％、V 0.05～0.20％、N 0.06～0.30％，其余为Fe和其他杂质元素。

进一步的是，所述的其他杂质元素包括质量百分数≤0.02％的Al、质量百分数≤0.020％的P、质量百分数≤0.008％的S、质量百分数≤0.003％的O、质量百分数≤0.0002％的H。

一种生产所述含氮塑料模具扁钢锭的工艺方法，所述的工艺方法包括钢水冶炼、粗坯连铸和成品扁钢锭轧制几个步骤，其中，

在钢水冶炼时，通过向合金钢水中添加富氮的锰基材料来获得氮含量不低于0.06％的高氮高锰钢水，

在粗坯连铸过程中，钢液的浇注温度控制在1460℃～1470℃之间，

在成品扁钢锭轧制时，采用先多道次小变量、后少道次大变量的多次轧制获得外形合格的扁锭，最后进行热处理精整获得成品扁钢锭。

进一步的是，所述的合金钢水为包含有上述组分的IF钢坯或者IF钢坯边角料在电炉中添加锰基材料VN合金化熔炼获得的钢水。

上述方案的优选方式是，所述的锰基材料为包含有下述重量份组分的富氮添加料，Mn 60～65％、C 5～15％、MnO 5～10％、N 15～25％，余为金属铁。

进一步的是，在电炉中进行VN合金化熔炼高氮高锰钢水时是按下述步骤进行，

1)按上述化学成分选择IF钢坯或者IF钢坯边角料，置于电炉中进行熔炼，熔炼温度为1630～1650℃、炉内气压为1个标准大气压获得钢液；然后将钢液倒入LF炉中，吹氩气，在5～10min后，加入至少含有石灰、萤石、石灰砂和三氧化二铝的造渣剂，

2)造渣脱硫完成后，先后加入配好的增碳剂、富氮的锰基材料和合金，***电极棒升温熔炼，

3)15～30min后，取样并根据检验结果微调合金成分及氮含量成分，并将钢液温度调整在1540～1560℃之间完成高氮高锰钢水的冶炼。

上述方案的优选方式是，粗坯连铸规格为350mm×450mm×L的方锭，连铸成型后通过高温均匀化处理并进行两墩两拔获得规格连铸粗坯成品。

进一步的是，在对连铸粗坯进行轧制前，选用浇铸凝固停留时间为2.5～3.5h后的钢锭直接进行高温红送到加热炉加热，加热温度在1180～1230℃范围，均热时间2～5h，之后采用直接进入轧机进行以轧代锻轧制。

上述方案的优选方式是，成品扁钢锭的轧制包括顺序设置的一阶段初轧和二阶段精轧，

其中一阶段初轧的开轧温度为1080～1140℃、终轧温度为900～960℃、轧辊转速为60～80r/min；头四个道次采用小变形量轧制，每道次变形量按3％～8％控制，

二阶段精轧开始将初轧钢坯转90°，先采用大变形量轧两个道次，每个道次变形量按20％～35％控制；然后采用小变形量轧制并控制轧制速度，小变形量轧制开始将大变形量轧制钢坯再次翻转90°连续轧制9～11个道次，每道次变形量在6％～15％，终轧温度≥900℃，并对成品及成品前一个道次的辊速控制在40r/min～60r/min。

进一步的是，在对成品钢锭进行热处理时，是按下述步骤进行的，以70～100℃/h的速度升温至800～950±10℃保温8～20h，之后以30～50℃/h的冷却速度冷却到600～750℃保温7～15h，最后以25～50℃/h的冷却速度冷却至≤400℃，出炉空冷至室温。

本发明的有益效果是：本申请通过提供一种包括有以下重量份组分的冶金轧制钢锭，即C 0.25～0.45％、Si 0.30～0.80％、Mn 0.30～0.70％、Cr 10.0～18.0％、Ni 0.08～0.20％、Mo 0.10～0.50％、V 0.05～0.20％、N 0.06～0.30％，其余为Fe和其他杂质元素的冶金轧制钢锭来作为进一步加工获得含氮塑料模具扁钢锭，由于该含氮塑料模具扁钢锭将氮作为一种合金元素进行量化控制，然后在生产过程中控虽然也通过钢水冶炼、粗坯连铸和成品扁钢锭轧制几个步骤获取，但是其中，在钢水冶炼时，通过向合金钢水中添加富氮的锰基材料来获得氮含量不低于0.06％的高氮高锰钢水，在粗坯连铸过程中，钢液的浇注温度控制在1460℃～1470℃之间，在成品扁钢锭轧制时，采用先多道次小变量、后少道次大变量的多次轧制获得外形合格的扁锭，最后进行热处理精整获得成品扁钢锭。这样，不仅能有效的控制成品中氮以及锰的含量，而且通过后序的轧制，在氮、锰合金的配合下获得强度高、韧性和耐蚀性强的含氮塑料模具扁钢锭，解决了现有技术中存在的模具钢锭尽管强度能满足要求，但是韧性和耐蚀性相对较差的技术问题。

附图说明

图1为本发明含氮塑料模具扁钢锭球化退火后的金相组织图一；

图2为本发明含氮塑料模具扁钢锭球化退火后的金相组织图二。

具体实施方式

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供的一种强度高、韧性和耐蚀性强的含氮塑料模具扁钢锭，以及一种生产所述含氮塑料模具扁钢锭的艺方法。所述的含氮塑料模具扁钢锭为包含有以下重量份组分的冶金轧制钢锭，C 0.25～0.45％、Si 0.30～0.80％、Mn 0.30～0.70％、Cr 10.0～18.0％、Ni 0.08～0.20％、Mo 0.10～0.50％、V0.05～0.20％、N 0.06～0.30％，其余为Fe和其他杂质元素。所述的其他杂质元素包括质量百分数≤0.02％的Al、质量百分数≤0.020％的P、质量百分数≤0.008％的S、质量百分数≤0.003％的O、质量百分数≤0.0002％的H。这样，在生产所述的含氮塑料模具扁钢锭时，便可以按下述步骤进行，即所述的工艺方法包括钢水冶炼、粗坯连铸和成品扁钢锭轧制几个步骤，其中，

在钢水冶炼时，通过向合金钢水中添加富氮的锰基材料来获得氮含量不低于0.06％的高氮高锰钢水，

在粗坯连铸过程中，钢液的浇注温度控制在1460℃～1470℃之间，

在成品扁钢锭轧制时，采用先多道次小变量、后少道次大变量的多次轧制获得外形合格的扁锭，最后进行热处理精整获得成品扁钢锭。本申请通过提供一种包括有以下重量份组分的冶金轧制钢锭，即C 0.25～0.45％、Si 0.30～0.80％、Mn 0.30～0.70％、Cr10.0～18.0％、Ni 0.08～0.20％、Mo 0.10～0.50％、V 0.05～0.20％、N 0.06～0.30％，其余为Fe和其他杂质元素的冶金轧制钢锭来作为进一步加工获得含氮塑料模具扁钢锭，由于该含氮塑料模具扁钢锭将氮作为一种合金元素进行量化控制，然后在生产过程中控虽然也通过钢水冶炼、粗坯连铸和成品扁钢锭轧制几个步骤获取，但是其中，在钢水冶炼时，通过向合金钢水中添加富氮的锰基材料来获得氮含量不低于0.06％的高氮高锰钢水，在粗坯连铸过程中，钢液的浇注温度控制在1460℃～1470℃之间，在成品扁钢锭轧制时，采用先多道次小变量、后少道次大变量的多次轧制获得外形合格的扁锭，最后进行热处理精整获得成品扁钢锭。这样，不仅能有效的控制成品中氮以及锰的含量，而且通过后序的轧制，在氮、锰合金的配合下获得强度高、韧性和耐蚀性强的含氮塑料模具扁钢锭，解决了现有技术中存在的模具钢锭尽管强度能满足要求，但是韧性和耐蚀性相对较差的技术问题。

上述实施方式中，为了最大限度的提高获得的含氮塑料模具扁钢锭的固氮、合金化效果，以及作为基础材料的模具扁钢锭的质量，本申请所述的合金钢水为包含有上述组分的IF钢坯或者IF钢坯边角料在电炉中添加锰基材料VN合金化熔炼获得的钢水。此时，所述的锰基材料为包含有下述重量份组分的富氮添加料，Mn 60～65％、C 5～15％、MnO 5～10％、N 15～25％，余为金属铁。具体来说，在电炉中进行VN合金化熔炼高氮高锰钢水时是按下述步骤进行，

1)按上述化学成分选择IF钢坯或者IF钢坯边角料，置于电炉中进行熔炼，熔炼温度为1630～1650℃、炉内气压为1个标准大气压获得钢液；然后将钢液倒入LF炉中，吹氩气，在5～10min后，加入至少含有石灰、萤石、石灰砂和三氧化二铝的造渣剂，

2)造渣脱硫完成后，先后加入配好的增碳剂、富氮的锰基材料和合金，***电极棒升温熔炼，

3)15～30min后，取样并根据检验结果微调合金成分及氮含量成分，并将钢液温度调整在1540～1560℃之间完成高氮高锰钢水的冶炼。同时，在连铸粗钢坯时，粗坯的连铸规格为350mm×450mm×L的方锭，并在连铸成型后通过高温均匀化处理并进行两墩两拔获得规格连铸粗坯成品。

进一步的，提高轧制和热处理效果，在对连铸粗坯进行轧制前，选用浇铸凝固停留时间为2.5～3.5h后的钢锭直接进行高温红送到加热炉加热，加热温度在1180～1230℃范围，均热时间2～5h，之后采用直接进入轧机进行以轧代锻轧制。具体来说，就是所述成品扁钢锭的轧制包括顺序设置的一阶段初轧和二阶段精轧，

其中一阶段初轧的开轧温度为1080～1140℃、终轧温度为900～960℃、轧辊转速为60～80r/min；头四个道次采用小变形量轧制，每道次变形量按3％～8％控制，

二阶段精轧开始将初轧钢坯转90°，先采用大变形量轧两个道次，每个道次变形量按20％～35％控制；然后采用小变形量轧制并控制轧制速度，小变形量轧制开始将大变形量轧制钢坯再次翻转90°连续轧制9～11个道次，每道次变形量在6％～15％，终轧温度≥900℃，并对成品及成品前一个道次的辊速控制在40r/min～60r/min。相应的，在对成品钢锭进行热处理时，是按下述步骤进行的，以70～100℃/h的速度升温至800～950±10℃保温8～20h，之后以30～50℃/h的冷却速度冷却到600～750℃保温7～15h，最后以25～50℃/h的冷却速度冷却至≤400℃，出炉空冷至室温。

上述工艺方法的简化流程即为：钢锭红送→均热炉加热→Φ825mm初轧机“以轧代锻”开坯→开成90mm×360mm～410mm扁坯→退火精整→检验入库。

具体实施例

本发明涉及提供一种新型高氮高铬塑料模具钢冶炼和扁锭直轧方法，主要包括化学成分设计、冶炼和扁锭轧制工艺。

为此，本发明所采取的技术解决方案是：

1、一种含氮塑料模具钢扁锭的制备方法，其化学成分包含以下质量百分比的元素：C 0.25～0.45％、Si 0.30～0.80％、Mn 0.30～0.70％、Cr 10.0～18.0％、Ni 0.08～0.20％、Mo 0.10～0.50％、V 0.05～0.20％、N 0.06～0.30％、其余为Fe和其他杂质元素。

优选地，所述其他杂质元素包括：质量百分数≤0.02％的Al、质量百分数≤0.020％的P、质量百分数≤0.008％的S、质量百分数≤0.003％的O、质量百分数≤0.0002％的H。

其冶炼过程加氮工艺特征在于：将一种富氮的锰基材料加入LF炉中冶炼，此种富氮的锰基材料成分：以质量百分数计，Mn：60～65％，C：5～15％，MnO：5～10％，N：15～25％，余为金属铁，熔点：1200～1250℃。

①固氮效率高、反应速度块，产品各项性能稳定。

②使用本发明的富氮锰基材料在实际钢水增氮过程取得了很好的效果，熔化性能好，实现了模具钢钢中相当钒含量降低0.01％。

2、一种含氮塑料模具钢扁锭的制备方法，冶炼过程主要包括以下步骤：

1)按上述化学成分选择IF钢坯或者IF钢坯边角料，置于电炉中进行熔炼，熔炼温度为1630～1650℃、炉内气压为1个标准大气压。将钢液倒入LF炉中，吹氩气，在5～10min后，加入造渣剂(石灰、萤石、石灰砂、三氧化二铝)。

2)造渣脱硫完成后，先后加入配好的增碳剂、富氮的锰基材料和合金，***电极棒升温熔炼。

3)15～30min后，取样并根据检验结果微调合金成分及氮含量成分，并将钢液温度调整在1540～1560℃之间。

4)出钢，连铸浇注成中方锭(280～400mm×350～520mm×L)，钢锭浇注温度控制在1460℃～1470℃之间。

3、一种含氮塑料模具钢扁锭的制备方法，其扁锭直轧过程主要包括以下步骤：

1)钢锭采取红送节约加热能源和时间，加热温度到1180～1230℃范围，均热时间2～5h，采用Φ825mm轧机直轧，实现“以轧代锻”。

2)开轧温度：1080～1140℃、终轧温度：900～960℃、轧辊转速：60～80r/min；头四道次采用小变形量轧制，每道次变形量按3％～8％控制；

3)轧制第二阶段时，钢坯转90°，采取大变形量轧两道次，每道次变形量按20％～35％控制；

4)小变形量轧制并控制轧制速度：钢坯再次翻转90°轧制，轧9～11道次，每道次变形量在6％～15％，终轧温度≥900℃，对成品及成品前一道次辊速控制造40r/min～60r/min。

5)将在低于400℃条件下的模具钢放入退火炉中，以70～100℃/h的速度升温至800～950±10℃保温8～20h，之后以30～50℃/h的冷却速度冷却到600～750℃保温7～15h，最后以25～50℃/h的冷却速度冷却至≤400℃，出炉空冷至室温，成品精整后检验入库。

实施例1

(1)取主要含有以下元素质量百分比的IF钢铸坯角料放电炉中完全熔化：C0.0025％、Si 0.011％、Mn 0.1％、P 0.011％、S 0.006、Al 0.013％、余量为Fe和其他不可避免的杂质，置于电炉中进行初炼，温度为1640±10℃。

(2)将钢液倒入LF炉中，开始吹入氩气，在5min后，加入造渣剂(石灰、萤石、石灰砂、三氧化二铝)。

(3)造渣脱硫完成后，先后加入配好的增碳剂、富氮的锰基材料和合金，***电极棒升温熔炼。本富氮的锰基材料中的主要有效成分(质量百分数计，Mn：62％，C：11％，MnO：9％，N：17％，其余为金属铁)。粒度≤150目，其中小于100目粒级不小于80％。

(4)30min后，取样并根据检验结果微调合金成分及氮含量成分，并将钢液温度调整在1550±10℃之间。

(5)出钢，连铸浇注成方锭350mm×450mm×L，并通过高温均匀化处理后在两墩两拔成规格成品。

(6)让浇铸钢锭凝固停留时间3h后，采取红送节约加热能源和时间，加热温度到1200℃范围，均热时间3h，采用Φ825mm轧机直轧，实现“以轧代锻”。

(7)开轧温度：1120℃、终轧温度：940℃、轧辊转速：70r/min；头四道次采用小变形量轧制，每道次变形量按5％控制；

(8)轧制第二阶段时，钢坯转90°，采取大变形量轧两道次，每道次变形量按30％控制；

(9)小变形量轧制并控制轧制速度：钢坯再次翻转90°轧制，轧11道次，每道次变形量在8％，终轧温度940℃，对成品及成品前一道次辊速控制造50r/min，扁锭成品90mm×410mm×L。

(10)将在低于400℃条件下的模具钢放入退火炉中，以80℃/h的速度升温至900±10℃保温12h，之后以30℃/h的冷却速度冷却到700℃保温8h，最后以35℃/h的冷却速度冷却至≤400℃，出炉空冷至室温，金相组织如图1所示。

实施例2

按以下步骤冶炼新型高氮高铬塑料模具钢

(1)取主要含有以下元素质量百分比的IF钢连铸坯：C 0.0015％、Si 0.014％、Mn0.13％、P 0.010％、S 0.006％、Al 0.013％、余量为Fe和其他不可避免的杂质，置于电炉中进行初炼，温度为1640±10℃。

(2)待电炉中金属料完全熔化后，将钢液倒入LF炉中，开始吹入氩气，在5min后，加入造渣剂(石灰、萤石、石灰砂、三氧化二铝)。

(3)造渣脱硫完成后，先后加入配好的增碳剂、富氮锰基材料和合金，***电极棒升温熔炼。本富氮的锰基材料主要成分以质量百分数计，Mn：62％，C：12％，MnO：10％，N：14％，其余为金属铁。

(4)30min后，取样并根据检验结果微调合金成分及氮含量成分，取样并根据成分结果微调吹氮时间并将钢液温度调整在1550±10℃之间。

(5)出钢，连铸浇注成方锭280mm×360mm×L，并通过高温均匀化处理后在两墩两拔成规格成品。

(6)让浇铸钢锭凝固停留时间2h后，采取红送节约加热能源和时间，加热温度到1180℃范围，均热时间2h，采用Φ825mm轧机直轧，实现“以轧代锻”。

(7)开轧温度：1110℃、终轧温度：920℃、轧辊转速：73r/min；头四道次采用小变形量轧制，每道次变形量按3％控制；

(8)轧制第二阶段时，钢坯转90°，采取大变形量轧两道次，每道次变形量按26％控制；

(9)小变形量轧制并控制轧制速度：钢坯再次翻转90°轧制，轧9道次，每道次变形量在9％，终轧温度920℃，对成品及成品前一道次辊速控制造50r/min，扁锭成品90mm×360mm×L。

(10)将在低于400℃条件下的模具钢放入退火炉中，以90℃/h的速度升温至850±10℃保温10h，之后以40℃/h的冷却速度冷却到650℃保温8h，最后以45℃/h的冷却速度冷却至≤400℃，出炉空冷至室温，金相组织如图2所示。