一、研究的背景与问题
模具既是关乎民生工程的重要装备制造行业，也是提升国家制造业核心竞争力的战略支撑产业之一。60-80％的零部件都要依靠模具成型，是高端制造的关键基础。随着我国由制造业大国向制造业强国的转型，模具作为工业之母，向着一体成型发展。而高均质特厚合金模具钢板作为高精度一体化模具的重要原材料，是实现高质量发展和制造强国的重要支撑。
一直以来，为保证钢板内部致密这项重要性能要求，厚度150mm以上合金模具钢板主要采用模铸钢锭轧制或锻造工艺生产，成分均匀性差、效率低、能耗大、性能稳定性差。为此，国内外优秀企业进行了连铸代替模铸技术探索，但由于连铸板坯厚度小，导致连铸坯轧制≥150mm厚合金模具钢板探伤不满足要求。德国迪林根装备了600mm垂直板坯连铸机，韩国浦项装备了700mm半连铸机，设备投资大，合金模具钢板迪林根供货厚度最大215mm，浦项最大150mm。在国家大力推行绿色高质量发展战略下，连铸坯轧制成材明显优于钢锭，但是常规连铸板坯压缩比小，导致厚板心部缺陷难以弥合，使得连铸替代模铸生产高均质特厚合金模具钢板成为行业难题，亟待解决。
为此，兴澄特钢联合北京科技大学，在国际上率先提出了“超大截面椭圆坯连铸替代模铸生产高均质特厚合金模具钢板”。但该技术方案存在三大难题：
1、φ900mm×1450mm超大截面椭圆连铸坯制造装备与技术国际空白。项目开展前未见有椭圆合金钢坯的连铸报道，大截面椭圆坯连铸装备和技术国际尚无先例，存在诸多挑战。
2、椭圆坯轧制高致密度特厚合金模具钢板技术难题。椭圆坯与轧辊接触面小，存在咬入困难、轧制变形不均、边部凸度等难题。项目开始前，国内外针对椭圆坯轧制特厚钢板的变形机理和工艺技术处于空白。
3、特厚合金钢板组织、硬度均质化难题。特厚合金模具钢板空冷时心部组织存在珠光体，导致硬度偏低，截面硬度差大造成模具抛光性差，若水淬，因碳当量高易开裂，如何提高心部硬度同时保证硬度均匀性，是特厚模具钢板面临的关键难题。
二、解决问题的思路与技术方案
1、解决问题的思路
通过“基础理论-关键装备技术—系列产品研发”全流程创新，形成具有自主知识产权的高均质特厚合金模具钢板制造工艺，并实现连铸代替模铸制造特厚合金模具钢板高质量、高效率的产业化应用。具体开发思路是首先开发大规格椭圆连铸坯装备，其次研发大规格椭圆坯连铸工艺、椭圆坯轧制高致密特厚模具钢板、特厚合金模具钢板组织均匀调控等关键技术，最后进行系列特厚合金模具钢板产品的推广应用。总体思路见图1。
图1 总体开发思路
2、技术方案
（1）900mm×1450mm超大截面椭圆坯连铸装备和技术的开发
相对板坯连铸，大截面椭圆坯连铸主要特殊性如下：椭圆形结晶器长轴和短轴热传递的距离、温度梯度不同，对连铸坯初始壳均匀性控制和连铸缺陷的控制较为不利；椭圆坯是非对称形，如何保证初始坯壳强度和椭圆结晶器流通量；铸坯截面大，拉速慢，浇注时间长，二冷温度均匀性难于保证，易产生表面缺陷；凝固糊状区宽，中心偏析和中心疏松倾向增大。
针对以上大规格椭圆坯连铸生产问题，该项目自主开发出具有感应加热中间包、电磁搅拌椭圆结晶器、非线性分布雾化二冷装置、大压下连续矫直机等整套900mm×1450mm大截面椭圆坯连铸装备。
为解决大截面合金钢连铸坯中心偏析、中心疏松等内部质量问题，项目开发出大截面椭圆坯低拉速-末端电搅+大压下连铸工艺技术。本项目连铸机独特的拉矫机设置可在椭圆坯凝固末端给予椭圆坯大压下量，减少铸坯形成“凝固晶桥”组织，提高了椭圆坯的中心质量。
基于大规格椭圆坯连铸装备和全流程纯净化冶炼-低偏析连铸工艺，项目生产的椭圆坯其横断面的低倍质量达到了行业一级标准，椭圆坯连铸生产流程的成材率达到了96%,比模铸工艺高10%以上，效率高，成本低，便于工业批量生产。而且采用该工艺生产的718系列塑料模具钢椭圆坯，在其横截面碳波动＜±0.04%，截面成分均匀。生产的连铸椭圆坯低倍，中心疏松0.5级，无明显偏析和缩孔。
（2）椭圆坯轧制高致密特厚合金模具钢板工艺技术的研发
特厚钢板探伤不合的主要原因之一是铸坯中心疏松和缩孔缺陷在轧制过程中未焊合。若轧制压缩比不足，轧制过程中明显的塑性变形只发生在铸坯中心以外的区域，变形难以渗透至心部，缺陷难以轧合。只有当高温下变形渗透至心部缩孔和孔洞缺陷处时，高温应变能使得空位原子扩散和位错及滑移的驱动力加大，缺陷被部分压合后，接触部分会产生新界面，基体向缺陷的扩散转变为体扩散和界面扩散结合的方式，使铸坯心部致密度增加。
采用有限元数值模拟的方法研究了不同椭圆坯轧制工艺对特厚模具钢板不同位置的累积变形量、单道次变形量的影响。结果表明：粗轧的前3道次压下量变化对心部变形影响不大，心部变形量主要取决于精轧阶段单道次压下量，终轧前3-5道次较大的压下量，心部累积变形量最大。
图2 四种工艺等效应变对比
(a)上表面，(b)上表面1/4处，(c)侧表面，(d)侧表面1/4处，(e)心部
基于数值模拟研究结果，项目开发出角轧展宽-纵轧大压下椭圆坯轧制技术，通过低轧制速度，最大单道次压下量比基准提高了35%以上，实现心部变形渗透，促进大尺寸疏松、孔洞等缺陷的轧合。同时角轧展宽后使用立辊轧制，避免钢板边部凸起，保证钢板板形平整，提高成材率。
开发的“角轧展宽-纵轧大压下”椭圆坯轧制技术，国际首创椭圆连铸坯轧制最大300mm厚钢板，探伤按锻件FBHφ2mm水平合格率≥99%，截面无疏松点。
图3 椭圆坯轧制的300mm厚合金模具钢板
（3）特厚合金模具钢板在线预硬化和组织均匀化调控技术的开发
随着合金模具钢板厚度的增加，钢板厚度截面冷却速度差别变大，硬度均匀性越来越难保证。国内曾采用淬火+回火热处理工艺提高1.2311模具厚板硬度，由于钢板规格大（＞200*1600*6800mm），尚无连续淬火炉装备，只能采用水池离线淬火。但钢种碳当量高，厚度大，淬火开裂率高。
基于对合金模具钢组织转变特性和特厚模具钢板冷却规律的研究（图4），1.2311合金模具钢贝氏体组织转变临界冷却速度为0.08℃/s，此时钢板组织主要以贝氏体为主，存在少量退化珠光体。当冷却速度降到0.05℃/s时，钢板金相组织中出现大量的片层珠光体，硬度远低于贝氏体硬度,不能满足模具使用要求。
图4 不同冷速下钢板SEM组织
本项目采用数值模拟和现场测量验证方法研究了特厚1.2311钢板轧后温度变化规律。基于研究结果，开发了特厚模具钢在线预硬化技术，解决了特厚钢板心部硬度偏低，淬火开裂问题。特厚钢板在线水冷冷却速度可达0.18℃/s，避免钢板心部出现退化珠光体组织。同时与离线淬火相比，开裂风险小，板形好。
研究发现不同厚度模具钢板回火后硬度随着回火温度升高，钢板硬度逐渐下降；而且相同回火温度下，厚度越大钢板硬度越低，厚度越大截面硬度差也越大。项目开发了组织均质化调控技术，设计特厚板加速冷却台架，实现组织均质化调控，减小钢板整板硬度差的目的。
采用在线水冷预硬化和组织均质化调控技术生产的特厚合金模具钢板心部硬度高，截面硬度更加均匀。最大300mm厚1.2311钢板心部硬度＞30HRC，全厚度硬度波动±1.5HRC以内。生产的185mm以上合金模具钢板硬度同板差在±1.5HRC以下（图5）。
图5 特厚合金模具钢板硬度同板差分布
三、主要创新性成果
经中国金属学会组织的成果评价，该项目完成了“装备-技术-产品”的全流程创新，整体达到了国际领先水平。其主要创新性成果如下：
1、国际首创900mm×1450mm的超大截面椭圆坯连铸装备与工艺技术。开发出超大截面椭圆坯高纯净低偏析等6项关键装备及工艺技术，解决了超大截面椭圆连铸坯凝固组织偏析严重、中心疏松、表面裂纹等技术难题，铸坯中心疏松0.5级，截面碳波动＜±0.04%，比钢锭提升40%，表面合格率99%以上。
2、国际上率先实现了椭圆坯轧制特厚钢板“从0到1”的技术突破。阐明了超大椭圆坯轧制特厚板过程中温度场、应力-应变场变化规律，开发出“纵轧-角轧-纵轧”椭圆坯轧制新技术，钢板最大厚度300mm，超声波探伤达到锻造模块标准FBHφ2mm水平。
3、首创特厚合金模具钢板在线水浴预硬化和组织均匀化调控技术。攻克了特厚合金模具钢板高冷速易开裂、低冷速心部硬度不均匀的矛盾，特厚合金模具钢板硬度同截面差达到±1.5HRC。
四、应用情况与效果
该项目成果获授权发明专利13件，实用新型8件，发表论文7篇，牵头制定GB/T 35840.4-2020《塑料模具钢 第4部分：预硬化钢板》1项。项目中的两项关键技术，高均质大截面连铸坯连铸技术和特厚钢板组织均质化调控技术，自其研发成功以来就开始在兴澄特钢特厚板生产推广应用，大幅提升了兴澄特钢特厚模具钢板探伤合格率、组织硬度均匀性，并广泛应用于大厚度容器钢板、海洋工程用钢板、超高强钢板、风电用钢板生产中。
该项目生产的高均质特厚合金模具钢板先后获得亚洲最大模架制造商河源龙记、奥地利最大模具加工商等国内外知名企业的认可，产品质量达国际领先水平。
