一、研究的背景與問(wèn)題

模具既是關(guān)乎民生工程的重要裝備制造行業(yè)，也是提升國(guó)家制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略支撐產(chǎn)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(guān)鍵基礎(chǔ)。隨著我國(guó)由制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)型，模具作為工業(yè)之母，向著一體成型發(fā)展。而高均質(zhì)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和制造強(qiáng)國(guó)的重要支撐。

一直以來(lái)，為保證鋼板內(nèi)部致密這項(xiàng)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(chǎn)，成分均勻性差、效率低、能耗大、性能穩(wěn)定性差。為此，國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀企業(yè)進(jìn)行了連鑄代替模鑄技術(shù)探索，但由于連鑄板坯厚度小，導(dǎo)致連鑄坯軋制≥150mm厚合金模具鋼板探傷不滿足要求。德國(guó)迪林根裝備了600mm垂直板坯連鑄機(jī)，韓國(guó)浦項(xiàng)裝備了700mm半連鑄機(jī)，設(shè)備投資大，合金模具鋼板迪林根供貨厚度最大215mm，浦項(xiàng)最大150mm。在國(guó)家大力推行綠色高質(zhì)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(dǎo)致厚板心部缺陷難以彌合，使得連鑄替代模鑄生產(chǎn)高均質(zhì)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(lián)合北京科技大學(xué)，在國(guó)際上率先提出了“超大截面橢圓坯連鑄替代模鑄生產(chǎn)高均質(zhì)特厚合金模具鋼板”。但該技術(shù)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(shù)國(guó)際空白。項(xiàng)目開(kāi)展前未見(jiàn)有橢圓合金鋼坯的連鑄報(bào)道，大截面橢圓坯連鑄裝備和技術(shù)國(guó)際尚無(wú)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(shù)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(xiàng)目開(kāi)始前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)橢圓坯軋制特厚鋼板的變形機(jī)理和工藝技術(shù)處于空白。

3、特厚合金鋼板組織、硬度均質(zhì)化難題。特厚合金模具鋼板空冷時(shí)心部組織存在珠光體，導(dǎo)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(dāng)量高易開(kāi)裂，如何提高心部硬度同時(shí)保證硬度均勻性，是特厚模具鋼板面臨的關(guān)鍵難題。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

1、解決問(wèn)題的思路

通過(guò)“基礎(chǔ)理論-關(guān)鍵裝備技術(shù)—系列產(chǎn)品研發(fā)”全流程創(chuàng)新，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高均質(zhì)特厚合金模具鋼板制造工藝，并實(shí)現(xiàn)連鑄代替模鑄制造特厚合金模具鋼板高質(zhì)量、高效率的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。具體開(kāi)發(fā)思路是首先開(kāi)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(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)，最后進(jìn)行系列特厚合金模具鋼板產(chǎn)品的推廣應(yīng)用?？傮w思路見(jiàn)圖1。

圖1 總體開(kāi)發(fā)思路

2、技術(shù)方案

（1）900mm×1450mm超大截面橢圓坯連鑄裝備和技術(shù)的開(kāi)發(fā)

相對(duì)板坯連鑄，大截面橢圓坯連鑄主要特殊性如下：橢圓形結(jié)晶器長(zhǎng)軸和短軸熱傳遞的距離、溫度梯度不同，對(duì)連鑄坯初始?xì)ぞ鶆蛐钥刂坪瓦B鑄缺陷的控制較為不利；橢圓坯是非對(duì)稱形，如何保證初始坯殼強(qiáng)度和橢圓結(jié)晶器流通量；鑄坯截面大，拉速慢，澆注時(shí)間長(zhǎng)，二冷溫度均勻性難于保證，易產(chǎn)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(duì)以上大規(guī)格橢圓坯連鑄生產(chǎn)問(wèn)題，該項(xiàng)目自主開(kāi)發(fā)出具有感應(yīng)加熱中間包、電磁攪拌橢圓結(jié)晶器、非線性分布霧化二冷裝置、大壓下連續(xù)矯直機(jī)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(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題，項(xiàng)目開(kāi)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(shù)。本項(xiàng)目連鑄機(jī)獨(dú)特的拉矯機(jī)設(shè)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(zhì)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(xiàng)目生產(chǎn)的橢圓坯其橫斷面的低倍質(zhì)量達(dá)到了行業(yè)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，橢圓坯連鑄生產(chǎn)流程的成材率達(dá)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(chǎn)。而且采用該工藝生產(chǎn)的718系列塑料模具鋼橢圓坯，在其橫截面碳波動(dòng)＜±0.04%，截面成分均勻。生產(chǎn)的連鑄橢圓坯低倍，中心疏松0.5級(jí)，無(wú)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(shù)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(guò)程中未焊合。若軋制壓縮比不足，軋制過(guò)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(dāng)高溫下變形滲透至心部縮孔和孔洞缺陷處時(shí)，高溫應(yīng)變能使得空位原子擴(kuò)散和位錯(cuò)及滑移的驅(qū)動(dòng)力加大，缺陷被部分壓合后，接觸部分會(huì)產(chǎn)生新界面，基體向缺陷的擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)轶w擴(kuò)散和界面擴(kuò)散結(jié)合的方式，使鑄坯心部致密度增加。

采用有限元數(shù)值模擬的方法研究了不同橢圓坯軋制工藝對(duì)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(jié)果表明：粗軋的前3道次壓下量變化對(duì)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(yīng)變對(duì)比

(a)上表面，(b)上表面1/4處，(c)側(cè)表面，(d)側(cè)表面1/4處，(e)心部

基于數(shù)值模擬研究結(jié)果，項(xiàng)目開(kāi)發(fā)出角軋展寬-縱軋大壓下橢圓坯軋制技術(shù)，通過(guò)低軋制速度，最大單道次壓下量比基準(zhǔn)提高了35%以上，實(shí)現(xiàn)心部變形滲透，促進(jìn)大尺寸疏松、孔洞等缺陷的軋合。同時(shí)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(kāi)發(fā)的“角軋展寬-縱軋大壓下”橢圓坯軋制技術(shù)，國(guó)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(wú)疏松點(diǎn)。

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(yù)硬化和組織均勻化調(diào)控技術(shù)的開(kāi)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(lái)越難保證。國(guó)內(nèi)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(wú)連續(xù)淬火爐裝備，只能采用水池離線淬火。但鋼種碳當(dāng)量高，厚度大，淬火開(kāi)裂率高。

基于對(duì)合金模具鋼組織轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變臨界冷卻速度為0.08℃/s，此時(shí)鋼板組織主要以貝氏體為主，存在少量退化珠光體。當(dāng)冷卻速度降到0.05℃/s時(shí)，鋼板金相組織中出現(xiàn)大量的片層珠光體，硬度遠(yuǎn)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(xiàng)目采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量驗(yàn)證方法研究了特厚1.2311鋼板軋后溫度變化規(guī)律。基于研究結(jié)果，開(kāi)發(fā)了特厚模具鋼在線預(yù)硬化技術(shù)，解決了特厚鋼板心部硬度偏低，淬火開(kāi)裂問(wèn)題。特厚鋼板在線水冷冷卻速度可達(dá)0.18℃/s，避免鋼板心部出現(xiàn)退化珠光體組織。同時(shí)與離線淬火相比，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)小，板形好。

研究發(fā)現(xiàn)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(xiàng)目開(kāi)發(fā)了組織均質(zhì)化調(diào)控技術(shù)，設(shè)計(jì)特厚板加速冷卻臺(tái)架，實(shí)現(xiàn)組織均質(zhì)化調(diào)控，減小鋼板整板硬度差的目的。

采用在線水冷預(yù)硬化和組織均質(zhì)化調(diào)控技術(shù)生產(chǎn)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(dòng)±1.5HRC以內(nèi)。生產(chǎn)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?jiǎng)?chuàng)新性成果

經(jīng)中國(guó)金屬學(xué)會(huì)組織的成果評(píng)價(jià)，該項(xiàng)目完成了“裝備-技術(shù)-產(chǎn)品”的全流程創(chuàng)新，整體達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。其主要?jiǎng)?chuàng)新性成果如下：

1、國(guó)際首創(chuàng)900mm×1450mm的超大截面橢圓坯連鑄裝備與工藝技術(shù)。開(kāi)發(fā)出超大截面橢圓坯高純凈低偏析等6項(xiàng)關(guān)鍵裝備及工藝技術(shù)，解決了超大截面橢圓連鑄坯凝固組織偏析嚴(yán)重、中心疏松、表面裂紋等技術(shù)難題，鑄坯中心疏松0.5級(jí)，截面碳波動(dòng)＜±0.04%，比鋼錠提升40%，表面合格率99%以上。

2、國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了橢圓坯軋制特厚鋼板“從0到1”的技術(shù)突破。闡明了超大橢圓坯軋制特厚板過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)變化規(guī)律，開(kāi)發(fā)出“縱軋-角軋-縱軋”橢圓坯軋制新技術(shù)，鋼板最大厚度300mm，超聲波探傷達(dá)到鍛造模塊標(biāo)準(zhǔn)FBHφ2mm水平。

3、首創(chuàng)特厚合金模具鋼板在線水浴預(yù)硬化和組織均勻化調(diào)控技術(shù)。攻克了特厚合金模具鋼板高冷速易開(kāi)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(dá)到±1.5HRC。

四、應(yīng)用情況與效果

該項(xiàng)目成果獲授權(quán)發(fā)明專利13件，實(shí)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(yù)硬化鋼板》1項(xiàng)。項(xiàng)目中的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，高均質(zhì)大截面連鑄坯連鑄技術(shù)和特厚鋼板組織均質(zhì)化調(diào)控技術(shù)，自其研發(fā)成功以來(lái)就開(kāi)始在興澄特鋼特厚板生產(chǎn)推廣應(yīng)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(yīng)用于大厚度容器鋼板、海洋工程用鋼板、超高強(qiáng)鋼板、風(fēng)電用鋼板生產(chǎn)中。

該項(xiàng)目生產(chǎn)的高均質(zhì)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(guó)內(nèi)外知名企業(yè)的認(rèn)可，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平。