大型工模具钢材料先进制造技术开发与应用 朱琳 张心金 张雪姣

工模具钢材料是我国制造业发展的重要基础材料之一,虽然我国的钢铁产量已稳居世界第一,但大而不强，精品模具钢长期依赖于进口,也因此制约着我国高精度机床、汽车、航空等高端制造业的发展。因此,我们迫切需要集中优势资源攻关关键基础材料的“卡脖子”核心技术。
本书以黑龙江省“百千万”工程科技重大专项为依托,介绍了大规格高品质工模具材料特性及其制造技术,并颠覆性地探索了增材制造技术和数字化平台技术在大型工模具钢材料及工艺开发中的应用。本书所述大型工模具钢材料及制造技术突破了工模具钢大型化制造技术难题,极大地提升了国产工模具产品关键核心竞争力。 

本书以黑龙江省“百千万”工程科技重大专项为依托,介绍了大规格高品质工模具材料特性及其制造技术,并颠覆性地探索了增材制造技术和数字化平台技术在大型工模具钢材料及工艺开发中的应用。本书共分4章:第1章为大型工模具钢制造技术及发展方向的概述;第2章围绕大型模具钢,阐述了H13钢及其改进型的材料性能及制造技术;第3章基于支承辊用大型工具钢,详尽地描述了Cr5钢的材料特性及制造工艺,并讨论了数值模拟技术在支承辊制造过程中的应用;第4章探讨了增材制造技术及材料数据库在大型工模具钢研制中的应用前景。本书所述大型工模具钢材料及制造技术突破了工模具钢大型化制造技术难题,极大地提升了国产工模具产品关键核心竞争力。
本书可作为大、中专院校相关专业研究生的参考书,也可供相关专业的工程技术人员参考使用。

本书由中国一重集团天津研发中心高端装备材料研究部部长朱琳博士执笔并统稿,项目团队成员张心金、张雪姣、巴钧涛、曹明、刘东海、高建军、杨康、祝志超、李晓、伊鹏跃、陈楚、马环、韩笑宇、张洪军、李亚辉、乔石、李晗参与了项目研究与本书的编写工作。

前言
第1章大型工模具钢概述1
1.1大型模具钢1
1.2大型工具钢2
1.3研发的意义3
参考文献3
第2章大型热作模具钢制造技术与工程
实践4
2.1大型热作模具钢制造技术基础研究4
2.1.1热作模具钢选材设计4
2.1.2热作模具钢性能模拟与分析10
2.1.3热作模具钢基础研究设计目标25
2.2热作模具钢基础研究性能对比分析26
2.2.1改进型常规H13钢基础研究26
2.2.2改进型低硅高钼H13钢基础研究34
2.3大型热作模具钢工程实践52
2.3.1大型热作模具钢制备52
2.3.2大规格高品质模具钢性能评价53
2.4大规格高品质模具钢制备技术对标与分析64
2.4.1技术对标依据64
2.4.2工艺控制65
2.4.3对标分析66
2.5大规格高品质模具钢关键制备技术71
2.5.1模具钢高纯净冶炼技术71
2.5.2模具钢控形控性锻造技术72
2.5.3模具钢锻后热处理调控技术74
2.6大规格高品质模具钢产业化制造74
2.7小结75
参考文献75
第3章大型工具钢的开发与应用77
3.1Cr5钢的组织性能分析77
3.1.1Cr5钢材料计算77
3.1.2Cr5钢中的组织79
3.1.3力学性能分析88
3.2热处理工艺对Cr5钢组织性能的影响105
3.2.1Cr5钢的晶粒长大及碳化物溶解规律105
3.2.2Cr5钢马氏体回火过程碳化物析出规律129
3.2.3热处理工艺对珠光体形貌及性能的
影响142
3.3Cr5钢氢脆敏感性研究144
3.3.1氢在材料中的行为144
3.3.2材料的选取及试验方法147
3.3.3试验操作与检测设备的测试验证150
3.3.4Cr5钢的氢脆敏感性评价152
3.4数值模拟在大型支承辊热处理工艺制订中的
作用157
3.4.1大型支承辊热处理数值模拟的准确性
验证[10]157
3.4.2数值模拟在支承辊热处理工艺优化中的
应用162
3.5结论169
参考文献170
第4章大型工模具钢先进制造技术172
4.1大型热作模具钢增材制坯技术172
4.1.1增材制坯技术方向172
4.1.2增材制坯技术基础研究173
4.1.3增材制坯技术总结214
4.2大型工模具钢数据库的建设215
4.2.1大型工模具钢数据库特点及作用215
4.2.2大型工模具钢材料数据库总体架构和基本
功能216
4.2.3模具钢材料数据库总结218
参考文献219

前言
目前,我国经济由高速增长转向高质量发展,面对国内外错综复杂的形势带来的新矛盾和新挑战,我们将更多地依靠技术上的自给自足,来应对瞬息万变的国际环境。因此,我们要充分发挥科技创新在世界百年未有之大变局中的关键变量作用,以及在中华民族伟大复兴战略全局中的支撑引领作用。
习近平总书记在党的二十大报告中指出:“加强企业主导的产学研深度融合,强化目标导向,提高科技成果转化和产业化水平。强化企业科技创新主体地位,发挥科技型骨干企业引领支撑作用,营造有利于科技型中小微企业成长的良好环境,推动创新链产业链资金链人才链深度融合。”这些重要论述,明确了强化企业科技创新主体地位的战略意义,深化了对创新发展规律的认识,完善了创新驱动发展战略体系布局,为新时代新征程更好发挥企业创新主力军作用指明了方向。
目前,国家正处于战略发展的关键时期,中国一重作为国资央企,是“国之重器”,是推动国家科技创新的生力军, 是创新主体中的主体,是国家战略科技力量。中国一重从诞生之初,始终胸怀国之大者,始终致力于解决制约国家战略发展的难题,祖国有需要,一重有作为。习近平总书记强调:“创新是引领发展的第一动力,是建设现代化经济体系的战略支撑。”科技创新是一个国家与企业持续发展的发动机和推进器,我们立足于国家战略需求与市场应用需要,要着力增强自主创新能力,在行业短板与“卡脖子”的问题上下真功夫,时不我待,只争朝夕,加快自主创新成果转化应用,提升关键装备与材料的自给自足,力争实现从“跟跑”到“并跑”,直至超越的转变。
关键基础材料是我国制造业赖以发展的关键,对国民经济、国防军工建设起着重要的支撑和保障作用。能否实现关键基础材料的自给自足,是实现我国制造业高质量发展的关键,这就要求我们要从国家的急迫需要和长远需求出发,集中优势资源攻关关键基础材料的“卡脖子”核心技术。工模具钢材料是我国制造业发展的重要基础材料之一,虽然我国的钢铁产量已稳居世界第一,但大而不强、产能严重过剩、产品结构不合理、高端供给不足的产业问题也日益凸显。比如,我国每年进口的精品模具钢,几乎占据了国内整个模具钢的高端市场,也因此制约着我国高精度机床、汽车、航空等高端制造业的发展。因此,我们迫切需要发展高性能、差别化、功能化的先进工模具钢材料,推动基础材料产业的转型升级和可持续发展。
在看到差距的同时,我们也正在努力通过加强基础研究和工程化应用研究,破解产业发展的难题,围绕产业链部署创新链,系统提升自主创新能力和核心竞争力,打造更强创新力、更高附加值、更强竞争力的新产品和新技术。本书是著者过去十年来研发的成果,以目标、问题为导向,瞄准高端工模具钢材料的大规格、超纯净和高性能的制造要求,通过技术创新、工艺优化、装备升级,基本解决了工模具钢材料在规格、性能与质量等方面的制造难题。在项目组全体科研人员的努力下,我们实现了大规格高品质热作模具钢的制造与应用,填补了国内空白,达到了世界先进水平,获得了用户与行业的认可。
“长风破浪会有时,直挂云帆济沧海”,尽管项目研究已经告一段落,但是作为科技工作者,我们将怀着凌云壮志和万丈豪情,本着以终为始的理念,继续不懈地坚持推进关键核心技术攻关,不断提升产品质量水平和制造效率,促进掌握更多的关键核心技术,利用科技创新打造更强竞争力的产业链,努力增强市场的驾驭能力。我们将不负时代,不负韶华,为建设中国特色社会主义现代化强国,实现以中国式现代化推进中华民族的伟大复兴做出应有的贡献。
本书由中国一重集团天津研发中心高端装备材料研究部部长朱琳博士执笔并统稿,项目团队成员张心金、张雪姣、巴钧涛、曹明、刘东海、高建军、杨康、祝志超、李晓、伊鹏跃、陈楚、马环、韩笑宇、张洪军、李亚辉、乔石、李晗参与了项目研究与本书的编写工作,是他们的辛勤工作和不懈努力,才能使本书顺利完成。
本书中的研究工作得到了黑龙江省“百千万”工程科技重大专项(项目号:2019ZX10A02)的支持,中国一重集团科技部和天津研发中心相关领导、同事也在本书的编写过程中提出了宝贵意见,在此一并表示感谢!
由于著者水平有限, 书中难免存在缺点和错误, 敬请读者批评指正!
著者