CN101161850A - 一种铜时效硬化贝氏体大截面塑料模具钢及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

一种铜时效硬化贝氏体大截面塑料模具钢及其制造工艺，其化学成分如下(重量％)：C0.08～0.18％，Si0.15～0.50％，Mn1.2～2.0％，V0.05～0.20％，Cr1.2～1.9％，Mo0.15～0.50％，P≤0.02％，S≤0.01％，Ni1.2～2.0％，Cu0.50～1.0％，N≤0.01％，Ti0.005～0.025％，Ca0～0.0050％，Al0.01～0.04％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明制造工艺为在热加工工艺后直接空冷，再施以450～600℃回火。本发明硬度可达HRC37～43，在获得高硬度、高抛光性塑料模具的同时降低了氧化铝夹杂及合金元素含量，并且降低了制造成本。

Description

一种铜时效硬化贝氏体大截面塑料模具钢及其制造工艺

技术领域

本发明涉及一种塑料模具钢及其制造工艺，尤其涉及一种铜时效硬化贝氏体大截面塑料模具钢及其制造工艺。

背景技术

针对高硬度和高抛光性要求的塑料模具，如灯具、家电用面板等，日本大同钢铁公司研究开发了NAK80钢。该钢的化学成分见表1，其特征是含有3％左右的镍、1.0％铝和1.0％铜。钢板经过热加工(轧制或者锻造)后，于900～950℃固溶淬火热处理，再在500℃时效，析出细小的Ni₃Al中间化合物和ε-Cu相。这些相一方面能够提高钢的硬度，从而改善抛光性能，同时还能够改善钢的切削加工性能。钼和铬的作用是一方面改善耐腐蚀性能，另一方面提高钢的淬透性。

表1 NAK80的化学成分(wt％)、交货状态和交货硬度

C	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	Cu	Al	状态	硬度，HRC
										0.12	0.25	1.6	0.35	0.25	3.0	1.0	1.0	固溶+时效	37～43

该钢已经在中国市场上广泛使用，用来制造高硬度、高抛光性要求的塑料模具。从用户使用角度看，该钢即使是在高硬度(HRC37～43)条件下，仍然具有良好的切削加工性能。存在的问题是钢中铝含量太高，导致钢中氧化铝夹杂多。另外镍含量太高，导致钢板芯部偏析。两者均会影响抛光性能。

从钢板的生产技术角度看，一是钢中含有1％左右的铝，钢中容易形成高熔点的氧化铝夹杂，浇铸时易产生结瘤，影响浇铸质量。另一方面，钢板在热加工后还需要固溶(淬火)处理，使得大截面钢板在淬火过程中一方面由于截面温差导致的截面应力大，经常出现淬火开裂现象，另一方面，截面硬度分布均匀性差。

从钢板的制造成本看，由于含有3％左右的镍，使得合金成本显著增加。另外，大截面钢板的固溶(淬火)处理也会增加制造成本和延长生产周期，造成环境污染，不利于绿色环保。

因此，高硬度塑料模具钢的技术发展趋势应该是，降低合金和制造成本、缩短制造周期，避免钢中大量氧化铝夹杂存在，影响浇铸质量及降低高合金元素含量，减少板坯截面的合金元素偏析现象.

2004年曾经进行过专利检索，发现了1篇有关硬度为HRC38～42的韩国专利(专利号KR9101111B)。最近追加检索发现，2004年10月上海交通大学申请了一项“一种塑料模具钢的贝氏体淬火方法”的专利(专利号200410017025.9)，其化学成分、交货状态和硬度如表2所示。可见，其交货硬度和目前使用的NAK80相当。

表2  具有高硬度(HRC37～43)的塑料模具钢专利化学成分(wt％)和交货状态

专利号	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	状态	硬度，HRC
									KR9101111B	0.32-0.42	0.80-1.20	0.10-0.50	4.50-5.50	1.0-1.5	0.08-0.12	淬火+回火	38～42
200410017025.9	0.32-0.42	0.20-0.60	1.20-1.70	1.50-2.00	0.150.50		淬火+回火	39～41

KR9101111B专利不使用镍和铜，但显著增加了铬和钼两合金元素含量，因此合金元素成本依然很高。该专利也不使用高铝，因此可以避免如NAK80钢中那样过多氧化铝夹杂的产生。依靠淬火+回火得到回火马氏体组织，获得高硬度HRC38～42。由于无改善切削加工性能的细小析出相，如Ni3Al金属间化合物和ε-Cu相，该钢的切削加工性能不好。另外，由于碳和钼属于易偏析元素，其含量太高，将导致钢板芯部偏析组织的出现，抛光时容易出现水波纹。另外由于碳含量太高，焊补性能差。

200410017025.9专利只是将传统的P20塑料模具钢通过直接淬火，再施加回火获得硬度HRC39～41，因此合金成本低。但是，回火温度不能超过300℃，否则硬度将达不到HRC39～41。该回火温度远低于模具的氮化温度450～530℃。因此，当模具需要表面氮化时，硬度将明显下降。因此该专利不能适合于需要表面氮化处理的塑料模具。另外，该专利和上述专利KR9101111B一样，由于碳含量太高，容易导致钢板芯部偏析，出现抛光水波纹，焊补性能差，切削加工性能不好。两专利的另外一个技术缺点是需要再加热固溶淬火处理。

发明内容

本发明的目的，是通过合理的成分设计和工艺设计，在获得高硬度、高抛光性塑料模具的同时，降低钢中铝含量；降低钢中碳、钼含量，减小板坯芯部偏析现象，并且降低高硬度和高抛光性塑料模具钢的制造成本。

本发明的目的是这样实现的：

本发明在“一种大截面贝氏体塑料模具钢的制造方法”(CN200410053281.3)专和基础上，适当提高铬和锰含量，同时添加1.5％左右的镍和0.50％左右的铜，在热加工后直接空冷，也就是不需要再加热淬火即可以使厚度达500mm的钢板整个截面获得均匀的贝氏体组织。然后在450～600℃回火，使大截面钢板在贝氏体基体组织基础上，析出细小的ε-Cu相。该钢的硬度范围为HRC37～43，可以达到和NAK80同等硬度。表3为本发明例成分和对比发明专利成分比较。

表3 本发明成分和CN200410053281.3专利成分比较，wt％

发明专利	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Ni	Cu	Al	Ti	其它	状态	硬度，HRC
														CN200410053281.3	0.05～0.19	0.10～0.60	1.0～1.65	1.0～1.70	0.15～0.50	0.04～0.20	0～0.50		0.01～0.04	0.005～0.025	P≤0.02％，S≤0.01％Ca：0～0.005％	450～600℃回火	28～33
本发明	0.08～0.18	0.15～0.50	1.2～2.0	1.2～1.9	0.15～0.50	0.05～0.20	1.2～2.0	0.50～1.0	0.01～0.04	0.005～0.025	P≤0.02％，S≤0.01％Ca：0～0.005％	450～600℃回火	37～43

本发明的技术方案，其化学成分如下(重量％)：

0.08～0.18％C，0.15～0.50％Si，1.2～2.0％Mn，0.05～0.20％V，1.2～1.9％Cr，0.15～0.50％Mo，≤0.02％P，≤0.01％S，1.2～2.0％Ni，0.50～1.0％Cu，≤0.01％N，0.005～0.025％Ti，0～0.0050％Ca，0.01～0.04％Al。其余为Fe和不可避免的杂质。

其优选组成如下(重量％)：

0.10～0.16％C，0.15～0.40％Si，1.50～1.80％Mn，0.06～0.12％V，1.40～1.80％Cr，0.25～0.40％Mo，≤0.02％P，≤0.01％S，1.3～1.7％Ni，0.65～0.80％Cu，≤0.01％N，0.010～0.025％Ti，0～0.0050％Ca，0.01～0.04％Al。其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明钢选择化学成分范围的原因如下：

C：0.08～0.18％，是保证获得粒状贝氏体组织和硬度为HRC37～43的重要元素。太低，不能保证获得粒状贝氏体组织和所要求的硬度。太高，会导致板坯中心偏析严重，形成芯部马氏体组织。

Si：0.15～0.50％，适当硅含量可以帮助脱氧，并和钙铝一起形成硅酸盐，有助于改善切削加工性能。但太高的硅含量会提高马氏体淬透性，形成芯部马氏体组织。

Mn：1.2～2.0％，是获得粒状贝氏体组织和硬度为HRC37～43的重要合金元素。太低，难于保证大截面板坯均获得粒状贝氏体组织和上述硬度。太高，会导致板坯中心偏析严重，形成芯部马氏体组织。

V：0.05～0.20％，加入V有利于获得扁平的贝氏体相变曲线，从而保证组织和硬度不受冷却速度变化而变化。此外，利用V在锻/轧后从基体组织中析出细小的碳氮化物，以提高钢的硬度和强度。但V＞0.20％将严重降低钢的塑性和韧性。

Cr：1.2～1.9％，加入铬，一方面能够提高钢的硬度，另一方面能够改善钢的耐腐蚀性能。此外，铬也是贝氏体相变促进元素。但太高的铬和锰同时加入钢中，会导致低熔点Cr-Mn复合氧化物形成，在热加工过程中形成表面裂纹。

Mo：0.15～0.50％，强烈促进贝氏体相变，并保证扁平的贝氏体相变曲线，有助于大截面板坯获得均匀的组织和硬度分布。但当钼含量大于0.50％时，会形成特殊碳化物，影响了对贝氏体相变的促进作用。

Ti：0.010～0.025％，微钛处理对于不施行后续淬火处理的钢在加热过程中阻止晶粒的长大有明显帮助。同时，对高铬钢可以避免低熔点Cr-Mn复合氧化物形成，防止表面裂纹产生。但其含量不能够太高，不然TiN颗粒粗大，不仅不能够阻止奥氏体晶粒长大，而且会损害钢的切削加工性能。

Ca：0～0.0050％，钙处理可以控制硫化物形态，并且通过氧化物-硫化物复合，可以改善切削加工性能。

N：≤0.01％，属于控制元素，不然会和铝一起形成氮化铝，使钢的热加工性能恶化。

Al：0.01～0.04％，适当铝含量可以帮助脱氧，并和钙、硅一起形成硅酸盐，有助于改善切削加工性能。另外，由于铝的氧化能力比铬强，它的加入可以避免低熔点Cr-Mn复合氧化物形成，防止表面裂纹产生。但太高的铝含量会形成氮化铝，使钢的热加工性能恶化。

Ni：1.2～2.0％，适当的镍含量可以促进贝氏体组织转变，并改善钢的韧性，但太高的镍含量会增加合金成本。

Cu：0.50～1.0％，提高铜含量可以增加析出硬化效果，在提高硬度的同时，改善钢的切削加工性能.但铜含量在1％以上时，会严重影响钢的热加工性能，导致热裂纹出现.

P：≤0.02％和S：≤0.01％，尽量降低该两杂质元素含量，以降低偏析。

本发明的塑料模具钢的制造工艺，包括如下步骤：在热加工工艺后直接空冷，再施以450～600℃回火。

本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：用本发明钢制造的大截面钢板，在整体硬度水平和NAK80一样情况下，硬度分布的均匀性更好，耐腐蚀能力也更好，抛光性能相当。由于本发明钢减少了至少一半的镍含量，而且免去了固溶淬火处理工序，因此本发明钢比对比NAK80钢的合金成本和制造成本更低，而且制造工艺更简单、制造周期更短，环境污染更小。

附图说明

图1为本发明钢的CCT曲线；

图2(a)～图2(e)示出了本发明钢板回火前后截面硬度分布；

图3(a)为本发明500mm1/4板宽-1/4板厚钢板截面的贝氏体组织示意图；

图3(b)为本发明500mm1/2板宽-1/2板厚钢板截面的贝氏体组织示意图；

图4(a)、图4(b)示出了本发明钢板在530℃回火ε-Cu析出相。

具体实施方式

根据上述合金成分设计思路，在试验室冶炼了5炉钢，浇铸成100kg钢锭，其化学成分如表4所示。为比较，同时示出了对比NAK80钢的化学成分。将钢锭锻造加工成150×300mm试样，分别进行空冷和砂冷至室温，然后在530℃左右进行回火。对试验板坯的整个截面部位截取金相样，进行组织观察和硬度测定。之所以分空冷和砂冷，主要是考察所设计钢的硬度对冷却速率的敏感性。金相组织观察表明，所有发明例钢在两种冷却条件下均获得了贝氏体组织。硬度试验结果表明，试验钢整个截面在两种冷却条件下均获得了基本同等的硬度(HRC37～43)，如表5所示。

表4 本发明实施例和对比例钢的化学成分，wt％

表5实施例钢在空冷和砂冷条件下的硬度，HRC

实施例	碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15	空冷硬度，HRC	砂冷硬度，HRC
				1	0.960	41	40
2	0.963	42	42
				3	0.899	37	37
4	0.982	43	42
				5	0.946	39	38

为了研究本发明钢在热加工后的组织转变特点，在热模拟试验机上测定了其动态CCT曲线。均热温度1200℃×10min，冷却至1100℃施以0.20的应变，再冷却至1050℃施以0.30的应变，再以不同冷却速率冷却至室温，观察组织，并测定硬度。得到的CCT曲线如图1所示。

本发明钢的贝氏体开始相变温度在冷速0.05～5℃/s范围内变化很小，为390～400℃。应该注意的是，冷速0.05℃/s相当于500mm厚钢板心部冷却速率。从奥氏体连续冷却转变曲线也可以看出，根据本发明钢制造的钢板在热加工后直接空冷即可以获得硬度HV373～413，相当于HRC36～40。在此基础上，经过530℃的时效硬化处理，通过ε-Cu相的均匀析出，即可以获得硬度HRC37～43。这说明，利用本发明成分制造的500mm厚大截面钢板，其整个截面获得均匀的贝氏体组织和硬度。

根据上述成分设计原则及试验室小炉冶炼和热模拟工作，进行了工业性试制。生产流程为：转炉冶炼、LF+RH精炼，模铸，钢锭均热、初轧、轧后单张板空冷，然后在530℃温度下回火。试验板坯厚度为100和500mm，其化学成分如表6所示。剖析了板坯整个横截面在回火前后的硬度分布，如图2(a)～(e)所示。

表6 工业试制的本发明钢熔炼成分，wt％

C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Ni	Ti	Al	Cu	其它
											0.139	0.336	1.70	1.71	0.32	0.086	1.45	0.015	0.015	0.65	P：0.016，S：0.001，Ca：0.001

比较回火前后的硬度变化，可以看出，本发明钢即使是500mm厚钢板，在530℃回火后硬度提高了2HRC左右，最低硬度从回火前的HRC35提高到HRC37，而且硬度分布的均匀性也改善了。比较同等厚度的本发明钢和对比NAK80，可以发现本发明钢硬度分布的均匀性明显提高。

组织观察表明，用本发明钢生产的厚度达500mm的大截面获得了均匀的贝氏体组织，如图3(a)、图3(b)所示。利用透射电子显微镜进行的组织分析表明，回火后有细小ε-Cu相析出，如图4(a)、图4(b)所示。这也是回火后硬度提高的重要原因。

塑料模具钢在使用过程中不可避免和大气或者潮湿气氛接触，而容易出现点蚀现象，这将影响模具表面光泽度和塑料制品的表面质量。一般而言，钢的耐点蚀能力可以用铬当量Cr(eq)＝Cr+3.3Mo+0.5Ni来表示。本发明钢的铬当量比NAK80高0.50，这预示本发明钢的耐点蚀能力比NAK80更好。

利用金刚石砂布对本发明钢生产的塑料模具钢板和从日本进口的NAK80进行手工抛光试验，以比较两者的抛光性能，测试结果如表7所示。

表7  本发明钢和NAK80手工抛光试验的表面粗糙度Ra(μm)

牌号	本发明钢	NAK80
			横向1点	0.009	0.010
横向2点	0.010	0.011
			纵向1点	0.011	0.013
纵向2点	0.012	0.012

可以看出，本发明钢和NAK80抛光后的表面粗糙度相差不大，表明两钢的抛光性能相当，而且都达到了镜面效果(Ra≤0.05mm)。

通过上述实施例及效果分析可以发现，用本发明钢制造的大截面钢板，在整体硬度水平和NAK80一样情况下，硬度分布的均匀性更好，耐腐蚀能力也更好，抛光性能相当。由于本发明钢减少了至少一半的镍含量，而且免去了固溶淬火处理工序，因此本发明钢比对比NAK80钢的合金成本和制造成本更低，而且制造工艺更简单、制造周期更短，环境污染更小。

本发明钢的合金成本低，不需要淬火处理，热加工后空冷，再施以450～600℃回火，就可以使厚度达500mm板坯获得硬度HRC37～43。大截面的组织和硬度分布均匀，有一定的耐腐蚀能力。其制造工艺简单、成本低、周期短。因此，本发明钢特别适用于制造硬度均匀的大截面塑料模具，取代进口产品NAK80，用于制造硬度和抛光性要求高的塑料模具。从而可以为国家节省外汇，降低中国模具用户的原材料成本，带来了良好的社会效益。

Claims (3)

1.一种铜时效硬化贝氏体大截面塑料模具钢，其特征在于，其重量百分比组份包括：

C 0.08～0.18％，Si 0.15～0.50％，Mn 1.2～2.0％，V 0.05～0.20％，Cr

1.2～1.9％，Mo 0.1 5～0.50％，P≤0.02％，S≤0.01％，Ni 1.2～2.0％，Cu

0.50～1.0％，N≤0.01％，Ti 0.005～0.025％，Ca 0～0.0050％，Al 0.01～

0.04％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的铜时效硬化贝氏体大截面塑料模具钢，其特征在于：

其重量百分比组份包括

C 0.10～0.16％，Si 0.15～0.40％，Mn 1.50～1.80％，V 0.06～0.12％，Cr

1.40～1.80，Mo 0.25～0.40％，P≤0.02％，S≤0.01％，Ni 1.3～1.7％，

Cu 0.65～0.80％，N≤0.01％，Ti 0.010～0.025％，Ca 0～0.0050％，Al

0.01～0.04％，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.如权利要求1所述的铜时效硬化贝氏体大截面塑料模具钢的制造工艺，其特征在于：在热加工工艺后直接空冷，再施以450～600℃回火。

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