一、研究的背景與問題
模具既是關乎民生工程的重要裝備制造行業(yè)，也是提升國家制造業(yè)核心競爭力的戰(zhàn)略支撐產業(yè)之一。60-80％的零部件都要依靠模具成型，是高端制造的關鍵基礎。隨著我國由制造業(yè)大國向制造業(yè)強國的轉型，模具作為工業(yè)之母，向著一體成型發(fā)展。而高均質特厚合金模具鋼板作為高精度一體化模具的重要原材料，是實現高質量發(fā)展和制造強國的重要支撐。
一直以來，為保證鋼板內部致密這項重要性能要求，厚度150mm以上合金模具鋼板主要采用模鑄鋼錠軋制或鍛造工藝生產，成分均勻性差、效率低、能耗大、性能穩(wěn)定性差。為此，國內外優(yōu)秀企業(yè)進行了連鑄代替模鑄技術探索，但由于連鑄板坯厚度小，導致連鑄坯軋制≥150mm厚合金模具鋼板探傷不滿足要求。德國迪林根裝備了600mm垂直板坯連鑄機，韓國浦項裝備了700mm半連鑄機，設備投資大，合金模具鋼板迪林根供貨厚度最大215mm，浦項最大150mm。在國家大力推行綠色高質量發(fā)展戰(zhàn)略下，連鑄坯軋制成材明顯優(yōu)于鋼錠，但是常規(guī)連鑄板坯壓縮比小，導致厚板心部缺陷難以彌合，使得連鑄替代模鑄生產高均質特厚合金模具鋼板成為行業(yè)難題，亟待解決。
為此，興澄特鋼聯合北京科技大學，在國際上率先提出了“超大截面橢圓坯連鑄替代模鑄生產高均質特厚合金模具鋼板”。但該技術方案存在三大難題：
1、φ900mm×1450mm超大截面橢圓連鑄坯制造裝備與技術國際空白。項目開展前未見有橢圓合金鋼坯的連鑄報道，大截面橢圓坯連鑄裝備和技術國際尚無先例，存在諸多挑戰(zhàn)。
2、橢圓坯軋制高致密度特厚合金模具鋼板技術難題。橢圓坯與軋輥接觸面小，存在咬入困難、軋制變形不均、邊部凸度等難題。項目開始前，國內外針對橢圓坯軋制特厚鋼板的變形機理和工藝技術處于空白。
3、特厚合金鋼板組織、硬度均質化難題。特厚合金模具鋼板空冷時心部組織存在珠光體，導致硬度偏低，截面硬度差大造成模具拋光性差，若水淬，因碳當量高易開裂，如何提高心部硬度同時保證硬度均勻性，是特厚模具鋼板面臨的關鍵難題。
二、解決問題的思路與技術方案
1、解決問題的思路
通過“基礎理論-關鍵裝備技術—系列產品研發(fā)”全流程創(chuàng)新，形成具有自主知識產權的高均質特厚合金模具鋼板制造工藝，并實現連鑄代替模鑄制造特厚合金模具鋼板高質量、高效率的產業(yè)化應用。具體開發(fā)思路是首先開發(fā)大規(guī)格橢圓連鑄坯裝備，其次研發(fā)大規(guī)格橢圓坯連鑄工藝、橢圓坯軋制高致密特厚模具鋼板、特厚合金模具鋼板組織均勻調控等關鍵技術，最后進行系列特厚合金模具鋼板產品的推廣應用?？傮w思路見圖1。
圖1 總體開發(fā)思路
2、技術方案
（1）900mm×1450mm超大截面橢圓坯連鑄裝備和技術的開發(fā)
相對板坯連鑄，大截面橢圓坯連鑄主要特殊性如下：橢圓形結晶器長軸和短軸熱傳遞的距離、溫度梯度不同，對連鑄坯初始殼均勻性控制和連鑄缺陷的控制較為不利；橢圓坯是非對稱形，如何保證初始坯殼強度和橢圓結晶器流通量；鑄坯截面大，拉速慢，澆注時間長，二冷溫度均勻性難于保證，易產生表面缺陷；凝固糊狀區(qū)寬，中心偏析和中心疏松傾向增大。
針對以上大規(guī)格橢圓坯連鑄生產問題，該項目自主開發(fā)出具有感應加熱中間包、電磁攪拌橢圓結晶器、非線性分布霧化二冷裝置、大壓下連續(xù)矯直機等整套900mm×1450mm大截面橢圓坯連鑄裝備。
為解決大截面合金鋼連鑄坯中心偏析、中心疏松等內部質量問題，項目開發(fā)出大截面橢圓坯低拉速-末端電攪+大壓下連鑄工藝技術。本項目連鑄機獨特的拉矯機設置可在橢圓坯凝固末端給予橢圓坯大壓下量，減少鑄坯形成“凝固晶橋”組織，提高了橢圓坯的中心質量。
基于大規(guī)格橢圓坯連鑄裝備和全流程純凈化冶煉-低偏析連鑄工藝，項目生產的橢圓坯其橫斷面的低倍質量達到了行業(yè)一級標準，橢圓坯連鑄生產流程的成材率達到了96%,比模鑄工藝高10%以上，效率高，成本低，便于工業(yè)批量生產。而且采用該工藝生產的718系列塑料模具鋼橢圓坯，在其橫截面碳波動＜±0.04%，截面成分均勻。生產的連鑄橢圓坯低倍，中心疏松0.5級，無明顯偏析和縮孔。
（2）橢圓坯軋制高致密特厚合金模具鋼板工藝技術的研發(fā)
特厚鋼板探傷不合的主要原因之一是鑄坯中心疏松和縮孔缺陷在軋制過程中未焊合。若軋制壓縮比不足，軋制過程中明顯的塑性變形只發(fā)生在鑄坯中心以外的區(qū)域，變形難以滲透至心部，缺陷難以軋合。只有當高溫下變形滲透至心部縮孔和孔洞缺陷處時，高溫應變能使得空位原子擴散和位錯及滑移的驅動力加大，缺陷被部分壓合后，接觸部分會產生新界面，基體向缺陷的擴散轉變?yōu)轶w擴散和界面擴散結合的方式，使鑄坯心部致密度增加。
采用有限元數值模擬的方法研究了不同橢圓坯軋制工藝對特厚模具鋼板不同位置的累積變形量、單道次變形量的影響。結果表明：粗軋的前3道次壓下量變化對心部變形影響不大，心部變形量主要取決于精軋階段單道次壓下量，終軋前3-5道次較大的壓下量，心部累積變形量最大。
圖2 四種工藝等效應變對比
(a)上表面，(b)上表面1/4處，(c)側表面，(d)側表面1/4處，(e)心部
基于數值模擬研究結果，項目開發(fā)出角軋展寬-縱軋大壓下橢圓坯軋制技術，通過低軋制速度，最大單道次壓下量比基準提高了35%以上，實現心部變形滲透，促進大尺寸疏松、孔洞等缺陷的軋合。同時角軋展寬后使用立輥軋制，避免鋼板邊部凸起，保證鋼板板形平整，提高成材率。
開發(fā)的“角軋展寬-縱軋大壓下”橢圓坯軋制技術，國際首創(chuàng)橢圓連鑄坯軋制最大300mm厚鋼板，探傷按鍛件FBHφ2mm水平合格率≥99%，截面無疏松點。
圖3 橢圓坯軋制的300mm厚合金模具鋼板
（3）特厚合金模具鋼板在線預硬化和組織均勻化調控技術的開發(fā)
隨著合金模具鋼板厚度的增加，鋼板厚度截面冷卻速度差別變大，硬度均勻性越來越難保證。國內曾采用淬火+回火熱處理工藝提高1.2311模具厚板硬度，由于鋼板規(guī)格大（＞200*1600*6800mm），尚無連續(xù)淬火爐裝備，只能采用水池離線淬火。但鋼種碳當量高，厚度大，淬火開裂率高。
基于對合金模具鋼組織轉變特性和特厚模具鋼板冷卻規(guī)律的研究（圖4），1.2311合金模具鋼貝氏體組織轉變臨界冷卻速度為0.08℃/s，此時鋼板組織主要以貝氏體為主，存在少量退化珠光體。當冷卻速度降到0.05℃/s時，鋼板金相組織中出現大量的片層珠光體，硬度遠低于貝氏體硬度,不能滿足模具使用要求。
圖4 不同冷速下鋼板SEM組織
本項目采用數值模擬和現場測量驗證方法研究了特厚1.2311鋼板軋后溫度變化規(guī)律?；谘芯拷Y果，開發(fā)了特厚模具鋼在線預硬化技術，解決了特厚鋼板心部硬度偏低，淬火開裂問題。特厚鋼板在線水冷冷卻速度可達0.18℃/s，避免鋼板心部出現退化珠光體組織。同時與離線淬火相比，開裂風險小，板形好。
研究發(fā)現不同厚度模具鋼板回火后硬度隨著回火溫度升高，鋼板硬度逐漸下降；而且相同回火溫度下，厚度越大鋼板硬度越低，厚度越大截面硬度差也越大。項目開發(fā)了組織均質化調控技術，設計特厚板加速冷卻臺架，實現組織均質化調控，減小鋼板整板硬度差的目的。
采用在線水冷預硬化和組織均質化調控技術生產的特厚合金模具鋼板心部硬度高，截面硬度更加均勻。最大300mm厚1.2311鋼板心部硬度＞30HRC，全厚度硬度波動±1.5HRC以內。生產的185mm以上合金模具鋼板硬度同板差在±1.5HRC以下（圖5）。
圖5 特厚合金模具鋼板硬度同板差分布
三、主要創(chuàng)新性成果
經中國金屬學會組織的成果評價，該項目完成了“裝備-技術-產品”的全流程創(chuàng)新，整體達到了國際領先水平。其主要創(chuàng)新性成果如下：
1、國際首創(chuàng)900mm×1450mm的超大截面橢圓坯連鑄裝備與工藝技術。開發(fā)出超大截面橢圓坯高純凈低偏析等6項關鍵裝備及工藝技術，解決了超大截面橢圓連鑄坯凝固組織偏析嚴重、中心疏松、表面裂紋等技術難題，鑄坯中心疏松0.5級，截面碳波動＜±0.04%，比鋼錠提升40%，表面合格率99%以上。
2、國際上率先實現了橢圓坯軋制特厚鋼板“從0到1”的技術突破。闡明了超大橢圓坯軋制特厚板過程中溫度場、應力-應變場變化規(guī)律，開發(fā)出“縱軋-角軋-縱軋”橢圓坯軋制新技術，鋼板最大厚度300mm，超聲波探傷達到鍛造模塊標準FBHφ2mm水平。
3、首創(chuàng)特厚合金模具鋼板在線水浴預硬化和組織均勻化調控技術。攻克了特厚合金模具鋼板高冷速易開裂、低冷速心部硬度不均勻的矛盾，特厚合金模具鋼板硬度同截面差達到±1.5HRC。
四、應用情況與效果
該項目成果獲授權發(fā)明專利13件，實用新型8件，發(fā)表論文7篇，牽頭制定GB/T 35840.4-2020《塑料模具鋼 第4部分：預硬化鋼板》1項。項目中的兩項關鍵技術，高均質大截面連鑄坯連鑄技術和特厚鋼板組織均質化調控技術，自其研發(fā)成功以來就開始在興澄特鋼特厚板生產推廣應用，大幅提升了興澄特鋼特厚模具鋼板探傷合格率、組織硬度均勻性，并廣泛應用于大厚度容器鋼板、海洋工程用鋼板、超高強鋼板、風電用鋼板生產中。
該項目生產的高均質特厚合金模具鋼板先后獲得亞洲最大模架制造商河源龍記、奧地利最大模具加工商等國內外知名企業(yè)的認可，產品質量達國際領先水平。
