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鞍钢模具钢研制生产从零的突破到行业领先!

作者:poker游戏平台 发布于:2020-10-12 06:29 点击量:

  摘要:近年来,鞍钢集团钢铁研究院主持研发的塑料模具钢、复合模具钢、碳素模具钢、热作模具钢、耐蚀模具钢五大系列等15个牌号高品质模具钢,极大丰富了我国模具钢板材品种,满足了蓬勃发展的高端装备制造业对于模具板材的需求,成功应用于日本双叶精密模具项目以及神户制钢特厚模架开发项目、宁波宁兴特钢集团汽车面板及保险杠用精密模具开发等项目,极大提升了鞍钢品牌形象。

  近年来,鞍钢集团钢铁研究院主持研发的塑料模具钢、复合模具钢、碳素模具钢、热作模具钢、耐蚀模具钢五大系列等15个牌号高品质模具钢,极大丰富了我国模具钢板材品种,满足了蓬勃发展的高端装备制造业对于模具板材的需求,成功应用于日本双叶精密模具项目以及神户制钢特厚模架开发项目、宁波宁兴特钢集团汽车面板及保险杠用精密模具开发等项目,极大提升了鞍钢品牌形象。

  高品质模具钢是我国“十三五”规划及2025国家战略重点材料研发方向。鞍钢面对高合金模具钢领域制品大型化、精密化方向,基于“铸坯组织数字化控制”和“低偏析技术”,形成模具钢大板短流程生产技术,突破诸多技术瓶颈,实现立弯式连铸高合金连铸坯、大板稳定化生产,实现高碳当量模具产品组坯、全真空电子束焊接、低压缩比轧制技术,使得采用连铸坯为原料,大批量生产高质量、高稳定性、高合金超厚特钢产品成为可能,实现了鞍钢模具钢板材从无到有,从有到全,从全到领先的历史性跨越。

  鞍钢模具钢从零的突破再到国内外市场上取得的巨大成功,是鞍钢工匠们在独立自主、艰苦奋斗征途上的一个缩影。而这辉煌的背后离不开的是默默撑起鞍钢高品质模具钢大业的鞍钢模具钢团队,更绕不过的是该团队负责人,赵坦。11年前的夏天,28岁的赵坦在南京理工大学博士学位毕业后,拒绝了其他钢企的高薪聘请,毅然选择了鞍钢,选择回到自己故乡,他迫切想通过自己的努力为鞍钢做些什么。3年沉淀后,赵坦最终将主攻方向确定在了模具钢领域,这个鞍钢当时无法生产的高难度钢种,从此开启了鞍钢模具钢的“传奇篇章”。

  2012年,为了优化产品结构,赵坦受命组建模具钢项目组。组建初期,项目组成员通过走访华东、华南等模具钢集散量大的区域,经讨论确定先期以需求量较大的以SM45、SM50钢等为代表的碳素模具钢板作为切入点,通过提供高质量的钢板来获得用户的认可,后期再继续进行其他产品的推广。团队专家李广龙回忆说:“虽然SM45、SM50钢化学成分简单,但是用户对钢板的质量要求却不简单,对于厚度大于200mm的钢板,要求保证Ⅰ级探伤,且订单中最大厚度规格甚至在400mm以上。”

  按照2012年的常规工艺条件及手段,能够采用连铸坯轧制工艺稳定生产200mm厚以上碳素模具钢板的企业寥寥无几,更何况还要保证钢板的Ⅰ级探伤,厚度在400mm以上时,几乎没有钢厂能够生产。而鞍钢连铸坯的最大断面为300mm,在生产此类厚度大、技术条件要求高的钢板面前存在先天不足,假如能够克服这种不足,为用户高质量的提供厚度在200mm以上、保证Ⅰ级探伤的碳素模具钢板,无疑能够大大提高用户的认可度。为此,项目组经过论证,决定采用线mm厚以上的碳素模具钢板,即采用两个或多个连铸坯叠在一起,作用轧制的原料生产厚规格的钢板。

  当时鞍钢从乌克兰引进了国内首套真空电子束复合焊机用于生产特厚钢板,且前期已经在特厚普碳、低合金钢板生产方面得到初步实施。然而,国际上尚没有在高碳产品上应用成功的先例。由于模具钢钢种特性与普碳、低合金钢差异很大,适用于普碳、低合金钢真空复合的焊接工艺在焊接碳素模具钢时完全不可行,焊接应力的累积,不仅产生大量焊接裂纹,且坯料之间未焊接处的缝隙会逐渐变大,最后导致无法焊接,甚至会将先期已焊接处给“拉”开,而一些钢种由于剩磁影响,焊接轨迹也不可控。赵坦回想起当时的情景说:“正是由于采用真空复合技术生产特厚碳素模具钢板具有很大的难度,所以当时在国际上还没有采用真空复合技术生产碳素模具钢的报道,项目组也就没有成熟的经验可以借鉴,但是为了赢得市场,攻下这个技术是华山一条路,这信念支撑了项目团队无数个再来一次,也铸就了我们最后的成功。”随后的近两个月时间,项目组扎在现场实地跟钢,并会同真空电子束焊机技术人员,对焊接工艺进行讨论、调整,根据连铸坯焊接过程的变形特点,以及碳素模具钢的物理特性,从零摸索形成了一套针对碳素模具钢的真空电子束焊接工艺。在项目组的努力之下,厚度为600mm的SM45“真空复合连铸坯”终于制备成功。

  轧制的原料制备成功,下一步当然就是进行轧制,有了前期的经验教训,对于轧制过程项目组没有急于冒进,而是综合考虑了SM45钢的高温特性、SM45钢常规焊接接头的特点、SM45真空复合坯的尺寸以及现有工艺设备情况,制定了专用于SM45复合坯的加热、轧制等工艺。由于考虑充分,采用600mm厚SM45连铸坯轧制的320mm厚钢板,经检验,钢板全板达到GB/T 2970Ⅰ级探伤标准。“通过实验证明,采用真空复合技术生产优质的碳素模具钢板确实是可行的,这对我们是最大的鼓舞。”赵坦自豪地说。

  虽然技术路线是可行的,但是真正的考验还没有完全到来。众所周知,在生产高碳当量的钢种时,由于其韧性差,低温环境下进行焊接、加工等过程时,容易产生裂纹,以SM45、SM50为代表的碳素模具钢碳当量都较高,裂纹敏感性强,且鞍钢地处中国北方,采用真空复合技术生产不可避免地要在低温环境下进行焊接,第一轮试制成功时的季节恰逢2013年夏季,因此,并没有受到低温的考验。而实际的情况也印证了项目组的猜测,2013年12月,模具钢团队发现在焊接完成的一块SM45钢复合坯焊缝处有裂纹,且裂纹不止一处,后续该坯料轧制后进行探伤,全板探伤都达不到标准,甚至有些位置直接就是分为两块钢板。为了消除裂纹,焊接工艺必须再进行优化,于是,项目组再次进行了长达近两个月的“蹲点”,对焊接工艺、焊接参数等进行逐一调整、验证,终于在中国最冷的三九天,成功制备了无缺陷的SM45钢真空复合坯,并形成了专门针对低温环境下真空复合碳素模具钢的工艺。经轧制,钢板满足GB/T 2970Ⅰ级探伤标准。至此,鞍钢终于完全打通采用真空复合工艺生产特厚碳素模具钢板的工艺过程。后续经试制,采用该工艺目前可以生产到最大厚度412mm的碳素模具钢板,全板满足GB/T 2970Ⅰ级探伤标准,打破了压缩比的世界纪录,极大提高了鞍钢模具钢大板生产的质量和水平,该技术最终被鉴定为国际领先水平,鞍钢模具钢人用技术得到了用户和市场的肯定。

  “幸福都是奋斗出来的,要加班,一起来。”这是模具钢团队经常挂在嘴边的线为代表的塑料模具钢是市场需求最大的模具钢品种,其使用同常规的普碳低合金产品不同,对于产品性能的整体均匀性要求极高,任何一个位置的硬度不均都会影响到模具制品的质量。2007年鞍钢曾经开发过此产品,然而塑料模具钢具有高碳高合金的成分特点,连铸坯中心偏析这一困扰中厚板产品的老大难问题被进一步放大,由于心部偏析导致的“外软内硬”问题难以解决,大量的质量异议让这一项目一度搁置。当时用户反应是“鞍钢的产品锯不动,钻不进,影响效率,不好用,别人家是零起点,你们鞍钢开发这个产品就是负起点。”

  为了服务用户,找准原因,提升产品质量,当时新组建的鞍钢模具钢产销研团队经常深入市场,走访用户,对标优秀模具钢企业,一次次调研,一轮轮研讨,确定了解决难题的方向。为指导现场生产,必须在实验室研预研出工艺,团队年轻成员冯丹竹回忆起当时的情形,导师赵坦带领研发团队每天扑在实验室里,由于队伍的年轻化,他在科研的同时还需慈严并济培养新生力量,虽然科研任务重,但赵坦以积极乐观的心态从自身做起细微处关注团队,也正是得益于队伍的年轻化,大家朝气蓬勃,充满干劲儿。

  说易行难,为了解决现场问题及偏析难题,团队成员在实验室进行多轮试制和系列热处理。上百张钢板的低倍检验,硬度测试,一个个洛氏硬度测试点如同模具钢产研销团队的信念,整齐、坚定、不动摇。而到了现场生产的环节时,由于模具钢高碳当量的品种固有属性,导致了模具钢品种取样切割无法实现,必须依靠人工用砂轮机手动在模具钢板表面上打磨出圆形的硬度检验区,并在圆形检验区进行硬度性能测试,而在鞍钢模具钢生产并不成熟的当时,这些生产检验工作都是由科研项目团队亲力亲为。一张钢板要在表面不同的位置手动磨出九个圆形检验区,每个检验区又需要测量五个硬度试点,这是一项体力劳动强度极大,工作环境极为恶劣的实验工作,加之时间紧任务重,为了满足客户检验并完成按时交货,赵坦带头冲锋,团队成员时常在热轧模具钢板没有完全冷却时冲上去,踩着尚未冷却的高温钢板作业,就是靠着这种顽强的钢铁意志,赵坦和他的团队成员,打了上万个硬度测试点,完成了上千吨的模具钢性能检验。

  就是这样一支团队,他们以超人的意志力,战胜钢板高温考验,用燃烧的毅力照亮了通往胜利的道路,真正做到为了鞍钢模具钢事业一无所惜。他们平均每天要在这样高温粉尘的恶劣环境中工作八九个小时,汗水浸透了他们的工作服,但他们的身形却依然坚定。

  通过在实验室的不断尝试,以及团队在现场生产时对技术细节严格把关,国内首次开发形成模具钢连铸坯内部质量数字化识别技术及定量分析方法,用于全流程组织跟踪优化控制。创造“关键连铸工艺参数动态调整”+“钢坯预处理”+“钢坯均质化处理”+“简化热处理”塑料模具钢稳定化、低成本、短流程核心控制技术,实现全系模具钢大板产品的减量化生产。从炼钢、板坯加热、轧制、热处理、性能检验等整个生产过程的每个环节筑起道道质量安全防线,最终系列产品质量通过鉴定,达到国内领先水平。

  我国模具钢材料的发展受制于新型制备技术的发展,滞后于模具产业技术的发展。传统塑料模具钢都由特殊钢厂生产,采用“电炉+模铸+锻造”流程,并且配备特殊的预硬化工艺装备,受制于钢锭生产的不连续性,产品长周期质量稳定性较差;受制于钢锭的凝固特性,产品的气体含量、夹杂物水平、选分偏析水平较高,初生碳化物、共晶组织较多,且很难控制;对于大型、宽幅模板往往采用锻造,而越高端材料工艺也更为复杂,受制于多火次锻造以及锭锻材组织决定的长时间热处理影响,此类产品的生产周期通常很长。

  随着普钢厂产品的转型升级、技术进步,模具钢大板产品逐渐取代特钢厂产品,此类产品采用“转炉+连铸+轧制”流程,具有产品质量稳定、可控性高,钢质纯净以及绿色生产短流程、高效率等优势,引发了模具钢领域第一次里程碑式变革。然而该类技术在合金含量更高的高端产品方面长期踯躅不前。

  针对我国蓬勃发展的制造业对高品质、低成本、短流程、精密化、稳定化模具钢的迫切需求,以及鞍钢集团公司高附加值产品的需求。2014年,项目团队又将目光投向产品附加值最高,要求也最严的热作模具钢H13以及精密耐蚀模具钢40Cr13,准备再战“不可能”,征服超宽幅高合金模具钢大板生产技术又一“无人区”。

  这类产品合金含量高达9%-15%,对于传统转炉冶炼这种高合金钢合金过程温降过大,合金不易熔化而造成钢水表面结壳,经过扒渣工艺后合金损失大;转炉出钢后由于合金带入产生的回磷问题难以控制。此外由于碳含量高、合金含量高且均为易偏析元素,连铸高合金大板中心偏析组织的控制难度较以往更大,最关键的采用普钢连铸设备实现高碳当量(1.9-3.2)模具钢产品的立弯式连铸无缺陷大板坯的开发,以及轧制全流程止裂性的提升与控制,更是前无古人。不仅如此由于中厚板轧制的特点,钢板的各项异性严重,而对于如H13这种对于等向性能要求极高的品种,如何保障性能同样是困难重重。

  “但是只有开发出这些技术和产品,鞍钢的模具钢才能算是真正的模具钢,才能真正在行业里面占得一席之地。”鞍钢的模具钢人又一次投入了紧张的战斗中,而这一战就是5年。“改革创新,技术推进,除了需要勤于思考,敏于实践,还需要敢于担当的勇气,出了问题要敢于面对,勇于解决。”赵坦的这句话已经成为模具钢团队的共识。“成分设计、热处理工艺有没有引进正交设计手段,低倍有没有分析,全截面组织有没有对比,扫描看没看,透射做没做,显微硬度有没有测试,技术效果有没有全面分析。”团队核心成员范刘群回忆赵坦细致、严谨、不厌其烦地监督指导。在试制期间,赵坦不辞辛劳地带领组员频繁往返鞍山、广州与鲅鱼圈三地,一边加紧实验研究,一边加强现场跟踪及工艺攻关。

  功夫不负有心人。H13、40Cr13等系列产品的产品均质性、组织控制水平、等向性能等指标均达到或超过国际先进企业水平。当第一罐无缺陷H13连铸坯被拉出来时,一切的辛苦都是值得的。项目最终被金属学会鉴定为国际领先,用当时中科院金属研究所的一位专家评价“你们的工作是世界级的”。(叶舟)

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