气相渗氮和微弧增氮的加压电渣重熔技术制备含氮耐蚀塑料模具钢的基础研究

The nitrogen containing corrosion resistant plastic mold steel is an important direction for future development of high quality plastic mold steel. The pressurized electroslag remelting technology with gas phase nitriding and micro arc increasing nitrogen will be used to manufacture the nitrogen containing corrosion resistant plastic mold steel. The dissolution thermodynamics of nitrogen in slag and mass transfer behavior in gas-slag-liquid steel phase, which will reveal the transfer mechanism of nitrogen and gas phase nitriding mechanism during the pressurized electroslag remelting process. The micro arc increasing nitrogen mechanism and reasonable controlling method will be explored. Combination of the research on the effect of the slag system components and the physical properties, nitrogen partial pressure, the melting speed on nitrogen content of metal bath, the proper slag and matching process parameters will be obtained. The role of calcium in assisting nitrogen alloying, purification of liquid steel and inclusion modification also is investigated, and the method for further improving purity and performance of mold steel is put forward. The research on the microstrure and properties of the nitrogen containing corrosion resistant plastic mold steel is performed, and the effect of nitrogen on the microstrure and properties will be revealed. The results will provide theoretical guidance for the alloy design. The method for manufacturing the plastic mold steel with high nitrogen content, high purity, high polished performance, ultra fine grain structure, high uniformity and high corrosion resistance using pressurized electroslag remelting technology with gas phase nitriding and micro-arc increasing nitrogen will be developed.

含氮耐蚀塑料模具钢是高品质塑料模具钢未来发展的重要方向。本课题拟利用气相渗氮和微弧增氮的加压电渣重熔技术制备含氮耐蚀塑料模具钢。通过对氮在渣中溶解热力学和氮在气-熔渣-钢液中的传质行为研究，揭示加压电渣重熔过程中氮的迁移机制和气相渗氮机理。探究加压电渣重熔过程中微弧增氮机理和合理控制方法。结合渣系成分和物性、氮分压、熔速等对金属熔池增氮影响规律的实验研究，提出加压电渣重熔过程中气相渗氮和微弧增氮效果显著的合理渣系和匹配工艺。系统研究加压电渣重熔过程中钙在协助氮合金化、净化钢液和夹杂物变性的作用，掌握钙处理进一步提高模具钢纯净度和性能的方法。通过研究含氮耐蚀塑料模具钢组织和性能，揭示氮对其组织和性能的影响机理，为合金优化设计提供理论指导。通过上述基础研究，获得一种利用气相渗氮和微弧增氮的加压电渣重熔技术制备较高氮含量、高纯净度、高抛光性能、超细晶组织、高均匀性和高耐蚀性塑料模具钢的方法。

含氮耐蚀塑料模具钢是高品质塑料模具钢未来发展的重要方向。本项目利用气相渗氮和微弧增氮的加压电渣重熔技术制备含氮耐蚀塑料模具钢，并对其组织和性能进行研究。具体内容包括：分析加压电渣重熔气相渗氮和微弧增氮机理，开展相关实验研究并探究合理的控制方法；研究加压电渣重熔过程中钙协助氮合金化、净化钢液和夹杂物变性的作用；研究含氮耐蚀塑料模具钢组织和性能，优化合金成分设计。研究结果表明：加压电渣重熔气相渗氮过程中，气相中的氮与渣中氧发生交换反应完成氮向渣中扩散，主要的速率控制步骤是氮在渣中的传质。依据建立的氮容和光学碱度间关系可优化渣系组成。控制渣成分、增加氮分压和降低氧分压等有助于提高气相渗氮过程中渣中氮含量。通过优化加压电渣重熔气相渗氮的渣系、熔速等工艺参数，实现了高氮耐蚀塑料模具钢的制备。微弧增氮效果明显，主要受电极末端放电特征、熔化速率、气相氧氮分压、熔渣特性、金属液初始碳含量、熔池形状和深度等因素影响。增大压力可提高钢中的钙含量，从而更有效地变性钢中的氧化铝夹杂物。在加压电渣重熔气相渗氮过程中，钙协助氮合金化和脱氧效果明显。开发的以“真空碳脱氧+分阶段控制压力”为核心的加压感应熔炼工艺和加压感应熔炼与加压电渣重熔双联工艺，可制备成分均匀、组织纯净致密、低氧硫含量、性能优异的含氮耐蚀模具钢。探索并确定了含氮耐蚀塑料模具钢55Cr18Mo1VN、4Cr13MoN和高氮模具钢30Cr15Mo1N最优的热处理工艺。随着淬火温度提高，富铬析出相减少，基体中Cr、N含量增加，耐蚀性增强，硬度先上升后下降。随着回火温度增加，耐蚀性先降低后升高，硬度先下降后上升，在500℃附近二次硬化后急剧下降。4Cr13MoN的最佳的氮含量约为0.05%~0.10%，可获得良好的综合性能。随着氮含量增加，高氮型30Cr15Mo1N析出相增多，硬度升高，耐蚀性降低。项目的研究成果有利于促进我国加压冶金的进步，为我国新型含氮耐蚀塑料模具钢的产品开发和产业化应用提供技术支撑。