科技新进展：高碳高合金工模具钢HSCR流程工艺研发及产业化

一、研究的背景与问题

高碳高合金工模具钢扁钢及棒线材传统生产工艺：电弧炉/感应炉→LF炉→VD炉→模铸钢锭→钢锭热送/退火→锻造或轧制开坯→钢坯退火→轧制成材→缓冷→成品材退火。在模铸锭完全凝固前，容易产生大量碳、硫等元素偏析，形成网状共晶碳化物，尺寸较大、数量较多，通常需要通过多次反复进行锻造、轧制才能将其粉碎，锻造、轧制后还需要进行高温退火处理。另外，模铸钢锭在设计上就要求将钢锭冒口段切除8-10%，钢锭尾部切除1-2%，以保证成品钢材的质量，否则，导致废品率高、金属收得率低。

高碳高合金工模具钢一直被认为是不适于连铸的钢种之一，主要原因在于高碳高合金工模具钢的凝固特性、物理特性和高温力学性能均具有特殊性，导致连铸+一火次轧制生产存在以下难点：（1）连铸坯拉矫过程裂纹及断裂问题；（2）连铸坯凝固组织中碳化物尺寸和分布均匀性控制；（3）连铸坯凝固过程中元素偏析控制；（4）连铸坯中心疏松和缩孔控制；（5）连铸坯直接轧制过程中热塑性等。

二、解决问题的思路与技术方案

图1 高碳高合金工模具钢HSCR流程工艺

以弧形连铸、一火轧制技术为出发点，提出“90吨超高功率电弧炉→LF炉→VD炉→弧形连铸→热送/退火→一火轧制成材→缓冷→退火”HSCR流程工艺，如图1所示，低成本、高效率地工业化生产高碳高合金工模具钢（扁钢及棒线材）。与传统生产工艺相比，HSCR流程工艺生产工序减少，节能降耗，成材率提高约10%，大幅度降本增效。

三、主要创新性成果

1．高碳高合金工模具钢HSCR流程技术开发：研发形成了90吨超高功率电弧炉熔炼、LF+VD精炼、连铸、一火轧制成材低成本高效率生产高碳高合金工模具钢HSCR流程，达到了质量稳定的规模生产，实现了物质流、能量流、信息流的钢铁制造工程优化。

2．高碳高合金工模具钢弧形连铸技术集成：突破了高碳高合金工模具钢连铸技术，形成了弧形连铸机半径与铸坯厚度尺寸的匹配设计，过热度、拉坯速度、水冷工艺的工艺优化、铸坯矫直温度、结晶器与二冷区电磁搅拌的工艺匹配、低碱度保护渣等控制技术，解决了连铸坯裂纹、中心疏松、缩孔、芯部碳化物粗大等问题，实现了高碳高合金冷作模具钢扁钢坯、高速钢方坯的高效连铸生产。

图2 D2钢连铸坯矫直时过程应力模拟：R12m弧形连铸机（左图）；R6.5m弧形连铸机（右图）

根据YB/T 4003-2016标准对D2钢连铸坯进行评级，存在中心疏松，等级为1.5级，中心为B类条带状中心偏析0.5级；等轴晶区宽度约为30mm，枝晶区宽度约为30mm。

图3 D2钢连铸坯低倍组织（630mm×150mm）

采用OPA-200金属原位分析仪测量的D2钢连铸坯横剖面C、Cr元素及致密度，见图4。C元素在中心沿板宽方向有负偏析现象，这与前文所描述的一致。S元素在中心存在正偏析现象。Cr元素偏析现象不明显，元素含量在11wt.%~12wt.%间波动。由致密度检测看出中心沿板宽方向有空洞。结合低倍组织分析，D2钢连铸坯中心存在断续条带状偏析带，是由于C元素偏析与Cr元素形成碳化物，而且在芯部，沿板宽方向存在疏松。D2钢连铸坯的致密度为0.9560。

图4 D2钢连铸坯：（a）C元素分布图；（b）Cr元素分布图；（c）致密度图

采用光学显微镜观察D2钢连铸坯短边沿边部到芯部铸态组织，见图5。由于高C、Cr含量，碳化物网粗大，有大量块状碳化物，且1/4和芯部有大区域碳化物聚集，整体呈链接状，碳化物之间呈片层状分布。

图5 D2钢连铸坯铸态组织的OM图：（a）边部；（b）3/4处；（c）1/2处；（d）1/4处；（e）芯部

3．高碳高合金工模具钢一火轧制成材技术：研发形成了高碳高合金工模具扁钢的一火轧制成材技术。优化控制加热工艺实现碳化物分解最佳状态与热塑性最佳温度控制区间，计算模拟压下工艺优化控制表层变形与芯部变形，调控厚板（低压缩比）情况下的压下工艺与薄板（大压缩比）情况下的压下工艺等优化控制技术，实现高碳高合金冷作模具钢100~180mm×300~750mm连铸板坯一火轧制成厚度为10~50mm的成品扁钢、高速钢150mm连铸方坯一火轧制成φ11mm的成品线材。

图6 D2钢不同加热温度下碳化物形貌SEM图

高温扩散退火过程中的初生碳化物演化可分为三个阶段，包括碳化物的初始分解、碳化物的完全分解和碳化物的聚集和生长，这三个阶段受温度和保温时间的控制。析出物的粗化和数量密度的降低是热激活过程，预计受合金基体中自扩散和固体扩散的基本过程控制。D2钢连铸坯在高温扩散退火过程中初生碳化物分解，初生碳化物表现出最好的溶解性，在晶粒边界处偏析的量较少，尺寸较小，见图6。D2钢高温扩散过程中碳化物最佳分解区间见图7。 

图7 D2钢高温扩散过程中碳化物最佳分解区间

轧制后压下及宽展方向，从心部至边缘的等效应变见图8。从图可知，心部温度高，表面温度低，心表有较大的温差时，轧制变形向心部的渗透效果最佳。由于温度梯度的存在，在压下变形过程中，边缘温度低，变形抗力大，心部温度高，变形抗力小，使轧件处于“边缘硬心部软”的状态，因此在变形过程中会使变形向心部渗透。轧制大规格扁钢时，在轧制前进行待温，使表面温度降低，增大坯料心表温差，提升心部变形量。

图8 等效应变：（a）压下方向自芯部至边缘，（b）宽展方向自芯部至边缘

与传统的模铸流程相比较，HSCR流程冶炼炉容量大，全过程实现保护浇注，有利于脱氧产物的充分上浮去除，防止钢液的二次氧化，非金属夹杂物优于传统模铸流程。由于连铸流程的强制水冷方式以及铸坯在厚度方向尺寸优势，使得铸态的莱氏体共晶碳化物组织相对细化，细小均匀的碳化物更加有利于钢材的使用性能。虽然总的热加工变形比较小，但不同厚度的成品扁钢共晶碳化物级别均能够满足GB/T1299-2014标准I组≤3级的要求。对HSCR流程工艺生产的不同规格的成品扁钢检验非金属夹杂物、共晶碳化物不均匀度和低倍质量，扁钢检验结果如表1所示。以40mm厚成品扁钢为例，厚度方向边部和心部的共晶碳化物不均匀度较好，如图9所示。

表1 D2钢成品扁钢质量检验结果（级）

图9 D2钢厚度40mm成品扁钢的共晶碳化物：（a）边部；（b）芯部

四、应用情况与效果

通过HSCR流程创新技术，目前已生产应用的模具钢轧板数量有101535吨，其中，冷作模具钢轧板有Cr8、Cr12MoV、SKD11、1.2379等共计71725吨。冷作模具钢采用弧形连铸工艺生产板坯并进行热轧扁钢技术由于此打破了传统工艺，省去了锻造开坯、退火等工序，既降低了生产成本，也极大的提高了生产效率，并且符合国家推行绿色、低碳的节能环保政策。从开发工艺到2021的批量试生产，至今已经生产多规格板坯150mm×（300mm~680mm），并经过热轧生产了多规格板材10mm~70mm×460~660mm。冷作模具钢采用连铸坯热轧工艺技术，生产流程短，效率高，综合成材率可以提高10%以上，产品质量完全满足标准及相关技术要求，具有较高的市场竞争力。所以，项目开发成功后，产品迅速投入市场，便获得客户的认可，产品经加工后应用到各领域，华润制钢有限公司的销售量也逐步提高。

表2 HSCR流程创新技术模具钢热轧板产量 单位：吨

华润制钢有限公司生产的冷作模具钢轧板，主要销往“广东雄峰特殊钢有限公司”、“宁波宁兴精密机械集团有限公司”、“南京耀尊金属材料有限公司”、“江苏溢多利金属制品有限公司”、“东莞市金永正模具材料科技有限公司”、“浙江精瑞工模具有限公司”、“上海晓伟特钢有限公司”等知名模具钢厂商。轧板经模具钢厂商加工后，主要用于制造对冷状态下的工件进行压制成型的模具。如冷冲载模具、冷冲压模具、冷拉深模具、压印模具、冷挤压模具、螺纹压制模具和粉末压制模具等。产品主要应用在汽车、家用电器、电子通讯、建材等制造行业。根据下游细分市场行业，汽车行业消费模具钢约占市场总量的35%，家用电器行业、电子通讯消费行业占据市场的20%；建材模具年需消耗模具钢约占市场容量的15%；此外机电行业及军工行业也占据了一定市场份额，经济效益和社会效益显著。

随着制造业的持续转型升级，冷作模具钢行业将迎来更广阔的发展前景。未来几年预计市场规模将继续扩大，行业将加速整合，品牌竞争将更加激烈。同时，随着新材料、新工艺、新技术的不断涌现，冷作模具钢行业将迎来更多的创新和发展机遇。通过渠道及区域的调整，品种结构完善，开拓新品种等方法提升产销量，力争在2024年达到年销10万吨的目标。

信息来源：江阴华润制钢有限公司、上海大学、上海大学（浙江）高端装备基础件材料研究院、新兴铸管股份公司