CN101270451B

CN101270451B - 塑料模具钢及其制造方法

Info

Publication number: CN101270451B
Application number: CN200710038193XA
Authority: CN
Inventors: 张洪奎; 徐明华; 吴晓春; 耿鸿明; 江来珠; 吴纬巍; 赵亮
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baowu Special Metallurgy Co Ltd
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2027-03-19
Also published as: CN101270451A

Abstract

本发明涉及一种塑料模具钢及其制造方法，其化学成分按重量百分配比为：包括C 0.32～0.45％，Si 0.20～1.00％，Mn 0.20～1.00％，Cr 12.60～18.0％，Cu 0.6～2.3％，Ni 0.34～1.00％，Ni/Cu比大于1/3且小于等于1/2，P≤0.035％，S≤0.030％，Mo 0.90～0.97％，余量为Fe和杂质元素。该塑料模具钢的制造方法为：加热到1180℃～1200℃，保温至少2小时后进行锻造，始锻温度1050℃～1100℃，终锻温度900℃～950℃。本发明由于化学成分Cu的加入既提高了耐Cl-离子介质腐蚀性能，同时又提高了切削性能。

Description

塑料模具钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及冶金行业塑料模具钢产品及其制造方法，尤其是指具有良好的耐腐蚀性能和切削性能的塑料模具钢。

背景技术

随着工业技术的迅速发展，国内外制造业广泛采用精密冲压、压力铸造、冷挤压、热挤压等无切削、少切削工艺，模具已成为其主要的成形工具，因此模具行业在世界范围内得到了迅速发展，形成了以冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢为主的模具钢系列钢种，其中占比例最大的是塑料模具钢。

塑料制品种类繁多，汽车零部件如：灯罩、仪表盘，光学仪器零部件如镜头，家用电器外壳，PVC日用塑料制品等。其中家电外壳使用的塑料是ABS+阻燃剂。某些塑料如聚氯乙烯、氟塑料、阻燃性ABS等，会分解出氯化氢、氟化氢、二氧化硫等腐蚀性气体，对模具有一定的腐蚀作用，因此要求此类塑料制品的模具应具有耐腐蚀性能。耐腐蚀塑料模具钢是模具钢中的高档产品，目前世界各国均致力于耐腐蚀模具钢的产品开发，瑞典ASSAB开发出不锈钢模具钢S-136、S-136SUPREME，日本DAIDO开发的S-STAR等钢种具有良好的耐腐蚀性能。

模具钢正在向大型化、复杂化、多功能的方向发展，模具型腔越来越复杂，加工难度越来越大，因此对模具的切削性能提出了更高的要求。易切削模具钢应运而生。具有耐腐蚀性能要求的模具钢同样也要求切削性能，国内外冶金工作者在该领域正在进行不断的探索和研究。目前世界各国均致力于耐腐蚀模具钢的产品开发，瑞典一胜百开发出不锈预硬模具钢168S(含0.12％S，16％Cr)机加工性有明显提高。日本大同特殊钢开发的G-STAR钢，也是通过添加0.1％S提高马氏体不锈钢的切削性能。纵观国内外模具钢的发展动态，易切削模具钢仍以硫系为主。含硫耐腐蚀易切削钢由于钢中存在大量的硫化物导致抗点蚀性能的降低是这类钢的缺点。

从公开的有关具有良好的耐腐蚀性能和切削性能的模具钢专利来看，耐腐蚀塑料模具钢为Cr13型和Cr16型马氏体不锈钢；易切削塑料模具钢为硫系易切削钢。例如公开号为CN1340632A《不锈塑料模具钢》的发明专利的钢种为0.26～0.40％C；0～1.00％Si；0～1.00％Mn；0～0.040％P；0～0.020％S；13.0～20.0％Cr；0.2～2.0％Ni；0.50～1.50％Mo；余量为Fe。该发明采用马氏体不锈钢来满足模具钢对耐腐蚀性能和硬度的要求，但未考虑如何提高切削性能；公开号为CN1676653《新型耐腐蚀、耐磨损塑料模具钢4Cr16Mo及其镜面大模块的制备生产方法》发明的钢种为0.26～0.40％C；0～1.00％Si；0～1.00％Mn；0～0.040％P；0～0.020％S；13.0～20.0％Cr；0.2～2.0％Ni；0.50～1.50％Mo；余量为Fe。该发明采用马氏体不锈钢来满足模具钢对耐腐蚀性能和硬度的要求，但未考虑如何提高切削性能；公开号为CN1676653《新型耐腐蚀、耐磨损塑料模具钢4Cr16Mo及其镜面大模块的制备生产方法》发明的钢种为：0.33～0.43％C，0.30～1.00％Mn，0.30～1.00％Si，S≤0.045％，P≤0.045％，14～18％Cr，0.10～1.00％Ni，0.80～1.50％Mo；其余为Fe。该发明钢种虽然耐腐蚀性能比CN 1340632A《不锈塑料模具钢》的发明专利的钢种好，但是仍未考虑如何提高切削性能。公开号为CN 86103713《易切削高韧性塑料模具钢》发明的钢种化学成分为：0.04～0.20％S；0.002～0.02％Ca；0.30～0.65％C；0.30～2.00％Ni及适量的Mn、Cr、Mo、V、Si；余量为Fe。该发明采用S-Ca复合处理的方法对硫化物进行变性处理提高钢的切削性能。

从公开的有关专利和钢种来看，目前现有的耐腐蚀易切削塑料模具钢在Cr13、Cr16型马氏体不锈钢中添加S提高切削性能，但会带来降低抗点蚀性能的负面影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐腐蚀易切削塑料模具钢及其制造方法，以克服现有技术所存在的缺陷。

本发明是采用在马氏体不锈钢中添加合金元素Cu的新钢种，添加合金元素Cu既可以提高钢的耐腐蚀性能，又能提高钢的切削性能，本发明的塑料模具钢化学成分的重量百分配比为：C 0.32～0.45％，Si 0.20～1.00％，Mn0.20～1.00％，Cr 12.60～18.0％，Cu 0.6～2.3％，Ni 0.34～1.00％，Ni/Cu大于1/3且小于等于1/2，P≤0.035％，S≤0.030％，余量为Fe和杂质元素。

优选地，还包括Mo 0.90～0.97％。

本发明的成分设计基于以下原理：

●C：0.32～0.45％，C是提高钢的硬度和强度最为有效的元素，固溶强化作用显著，是保证塑料模具钢所能达到的硬度的必不可少的元素。但C含量过高会造成钢中碳化物数量的增多，降低韧性。

●Si：0.20～1.00％，钢中含有少量的Si有较好的脱氧作用，但Si含量过高则降低钢的焊接和切削加工性能。

●Mn：0.20～1.00％，Mn是强烈推迟珠光体转变的合金元素，有利于提高钢的淬透性并提高强度，但Mn含量过高有使钢晶粒粗化的倾向。

●Cr：12.60～18.0％，Cr的重要作用是显著提高钢的耐腐蚀性能，同时Cr也是强烈推迟珠光体转变的合金元素，Cr、Mn同时加入，效果更加明显，更有利于淬透性的提高；Cr是缩小γ相区的元素，Cr含量过高将得到铁素体组织，导致强度降低，因此Cr含量不宜过高。

●Mo：0.90～1.30％，通过对马氏体不锈钢添加合金元素Mo，代替M₂₃C₆型碳化物中一部分铬，提高固溶体中地铬含量，从而进一步改善耐腐蚀性能。另外Mo有强烈抑制奥氏体向珠光体转变的作用，仅在固溶于奥氏体中的情况下才有这样的作用，因此Mo含量不宜过高，否则将会形成碳化物，降低抑制奥氏体向珠光体转变的作用。

●Cu：0.60～2.30％，钢中添加合金元素Cu，通过Cu的沉淀析出和富集具有提高钢的耐腐蚀性能和切削性能的作用。但Cu含量过高则导致热加工过程中产生铜脆现象，热加工性能变差，表面产生龟裂。

●Ni：0.34～1.00％，添加合金元素Ni的含量达到Ni/Cu大于1/3且小于等于1/2，可使钢表面的铜富集层变为熔点超过1200℃的铜镍富集层，从而提高钢的热加工温度，防止铜脆。

基于以上设计思想，采用合金元素Cu对耐腐蚀塑料模具钢进行优化，结果显示Cu的加入既提高了耐Cl^-离子介质腐蚀性能，同时又提高了切削性能，做到了二者的兼顾。

本发明的塑料模具钢的加工工艺方法是，加热到1180℃～1200℃，保温至少2小时后进行锻造，始锻温度1050℃～1100℃，终锻温度900℃～950℃。

本发明的有益效果：

1.本发明通过采用合金元素Cu，实现了耐腐蚀性能和切削性能的同时提高，突破了硫系易切削钢降低耐腐蚀性能的局限性。

2.本发明通过采用合金元素Ni改善含Cu钢的热加工性能，可防止热加工过程中产生铜脆，具备工业化生产的条件。

附图说明

图1是对比例0和实施例1—5的刀尖磨损量曲线图。

图2是对比例0和实施例1—5的后刀面磨损量曲线图。

图3是对比例0和实施例6—8的刀尖磨损量曲线图。

图4是对比例0和实施例6—8的后刀面磨损量曲线图。

图5是对比例9、10和实施例11的刀尖磨损量曲线图。

图6是对比例9、10和实施例11的后刀面磨损量曲线图。

图7是对比例0和实施例1—2的极化曲线图。

图8是实施例3—5的极化曲线图。

图9是对比例0和实施例6—8的极化曲线图。

图10是对比例9、10和实施例11的极化曲线图。

具体实施方式

采用500kg中频感应炉，冶炼得到60kg的钢锭。冶炼采用同一炉分批浇注，先浇注镍铜含量最低的钢锭，再向炉中添加镍铜，从而依次浇注出镍铜含量不同的五个钢锭，再经电渣重熔冶炼，得到如下八组成分的50Kg电渣锭。

第一组实施例化学成分如下：

序号	C	Mn	P	S	Si	Ni	Cr	Cu	Mo
										0	0.36	0.45	0.021	0.010	0.62	0.52	16.11	0.18	1.06
1	0.43	0.66	0.024	0.006	0.79	0.34	15.52	0.60	1.13
										2	0.43	0.66	0.024	0.007	0.77	0.60	15.65	1.06	1.11
3	0.42	0.64	0.025	0.009	0.70	0.87	15.55	1.39	1.11
										4	0.41	0.66	0.025	0.007	0.76	0.94	15.62	1.91	1.11
5	0.41	0.66	0.025	0.007	0.81	0.93	15.39	2.29	1.11
										6	0.32	0.89	0.018	0.011	0.99	0.50	17.98	1.21	1.30

[0036]

8

0.45

0.22

0.016

0.008

0.53

1.00

16.35

2.16

0.97

注：0#实施例未添加Cu，仅作为对比。

加热到1180～1200℃，保温时间至少2小时后进行锻造，始锻温度1050～1100℃，终锻温度900～950℃。最后锻成Φ85mm和Φ20mm的棒料进行性能检测。

切削试验是在C6140机床上采用干切方式进行的，刀具选用YT15硬制合金刀具，刀具的前角、后角和主偏角均为75度。切削条件为：进给量为0.1mm/rev，切削速度为50m/min。试验过程中对刀具的刀尖磨损和后刀面最大磨损量进行了测量。

参见图1—4，切削性能试验结果显示：对比例0和实施例1—8的刀尖和后刀面的磨损量曲线图中可以看出，添加合金元素Cu可显著减少刀尖和后刀面的磨损，提高切削性能。

另外与传统的硫系易切削钢相比，合金元素铜在提高切削性能的同时，还提高了钢的耐腐蚀性能，而硫则降低钢的耐腐蚀性能。

试验结果说明合金元素Cu的加入可提高抗Cl^-离子介质的腐蚀能力。

第二组实施例化学成分如下：

序号	C	Si	Mn	Cr	P	S	Ni	Cu
									9	0.42	0.37	0.73	12.60	0.035	0.009	—	—
10	0.40	0.42	0.74	12.63	0.035	0.088	—	—
									11	0.41	0.41	0.67	12.66	0.036	0.009	0.86	1.27

注：9#、10#实施例未添加Cu，仅作为对比。

切削试验同样是在C6140机床上采用干切方式进行的，刀具选用YT15硬制合金刀具，刀具的前角、后角和主偏角均为75度。表3.4给出了切削加工前的试样的硬度。切削条件为：进给量为0.2mm/rev，切削速度为50m/min。试验过程中对刀具的刀尖磨损和后刀面最大磨损量进行了测量，结果如下：

参见图5和图6，试验结果显示添加合金元素铜与添加硫均显著提高材料的切削性能。

腐蚀试验：

高材料的切削性能。

腐蚀试验：

试样尺寸为10×10×5mm，试样是从切削试样上取得，热处理工艺为1050℃淬火，650回火5小时。用点焊的方法将导线焊在试样上。采用冷镶对试样进行镶嵌，使最终暴露的试验面的面积为1cm2，并使试验面处于试样上未受点焊热影响的部分，试样用粒度符合GB2477-81《磨料粒度及其组成》规定的砂布或砂纸按顺序进行研磨。研磨后的试样，用丙酮去油，最后用蒸馏水洗净并干燥。

试验溶液为1mol/L NaCl溶液中，，用符合GB1266-77《化学试剂》规定的分析纯氯化钠和蒸馏水配制而成。试验温度为25℃。试验在VMP3多通道恒电位仪上进行。

参见图7一10，对比例0、9、10和实施例1—8、11的极化曲线表明，添加合金元素Cu，钝化区更加明显，腐蚀电位提高，从而提高了抗腐蚀性能；添加S，则降低腐蚀电位，其腐蚀电位低于6#对比钢种，说明添加S降低了材料的抗腐蚀性能。

本发明显示在耐腐蚀塑料模具钢中添加合金元素Cu既可以提高材料的切削性能，同时又可以提高材料的耐腐蚀性能，为易切削模具钢的发展探索出一条新路，引领模具钢材料的发展方向。

Claims

1.一种塑料模具钢，其特征在于该模具钢化学成分按重量百分配比为：

C 0.32～0.45％，Si 0.20～1.00％，Mn 0.20～1.00％，Cr 12.60～18.0％，Cu 0.6～2.3％，Ni 0.34～1.00％，Ni/Cu比大于1/3且小于等于1/2，P≤0.035％，S≤0.030％，Mo 0.90～0.97％，余量为Fe和杂质元素。

2.一种如权利要求1所述的塑料模具钢的制造方法，其特征在于：加热到1180℃～1200℃，保温至少2小时后进行锻造，始锻温度1050℃～1100℃，终锻温度900℃～950℃。