CN101624687A - 一种耐腐蚀镜面塑料挤压模具钢 - Google Patents

Abstract

本发明是一种耐腐蚀镜面塑料挤压模具钢，其化学成分重量百分比为：C 0.18～0.26，Mn 0.20～0.40，Si 0.80～1.20，Cr 13.00～15.00，Mo 1.85～2.50，Cu 0.80～1.20，V 0.07～0.15，P≤0.015，S≤0.008，Ni≤0.60，N≤0.007，余量为Fe及微量杂质。本发明属于中碳马氏体不锈钢，淬火状态下残留碳化物较少，有利于回火中析出大量弥散碳化物产生高的二次硬度和高温强度；淬火回火时钒以M4C3型碳化物析出，提高了钢的稳定性、二次硬度和高温强度；具有较好的抗氧化性、热强性和机械加工性能；特别是有较好的表面抛光性和耐500℃以下氯离子腐蚀性，使用寿命长，能广泛用于制造高精尖塑料挤压模具、工具、汽轮机叶片、阀门以及轴类件和紧固件等。

Description

一种耐腐蚀镜面塑料挤压模具钢

(一)技术领域：

本发明涉及冶金钢铁材料制造技术领域，属于模具钢类。

(二)背景技术：

为了生产强化工程塑料制品(如加入纤维强化的热塑性工程塑料制品)用的或热固性塑料挤压成形用的模具，宜采用耐磨性好的模具钢，当生产量较大时一般选用4Cr5MoSiV1、Cr12MoV、Cr12MoV1等钢种制造，经淬火回火后使用。为了提高塑料制品的光洁度，提高挤压模具的耐磨性、耐腐蚀性和使用寿命，一般对模具采用表面处理或选用塑料模具钢制备模具。如选用2Cr13、3Cr17NiMoV等，但由于2Cr13耐氯离子腐蚀能力不足，使用过程中容易产生点状缺陷而导致模具失效，国内用于制造这种高精尖塑料挤压模具钢主要依赖瑞典、日本等国家的进口材料，但成本极高。国内市场急需高级别耐腐蚀镜面模具钢，这种新型材料必须具备良好的机械加工性能和冷热加工性能，以保证模具几何尺寸精度；长期在200℃环境下服役具有良好的耐腐蚀性能，尤其是抗循环冷却水中的氯离子腐蚀；具有良好的抛光性能，确保塑料制品的表面光洁度；模具经最终热处理后的硬度要均匀(服役硬度RHC28～32)、具有良好的综合力学性能、使用寿命比2Cr13提高50％以上。目前尚未查到与此相关的报道。

塑料模具钢是国内发展得较滞后，到目前为止仍未成完整系列的钢种。国内常用的塑料模具钢仍然是含0.40～0.60％碳的碳素结构钢，如45和40Cr，另外再以GCr15、CrWMn、5CrNiMo、5CrMnMo、Cr12、Cr12MoV等作补充。二十世界九十年代以后，国内先后开发了十余种新型塑料模具钢。主要钢种有：

1.预硬化型塑料模具钢

3Cr2Mo是国内较早开发的塑料模具钢，与AISI P20相当，使用时一般是先进行预硬处理，然后再进行切削加工，该钢适用于制造大、中型精密塑料模具，如：电视机、洗衣机壳体等塑料模具，并已获得较大量应用。除3Cr2Mo钢外，国内先后开发的5CrNiMnMoVSCa(简称5NiSCa)、8Cr2MnMoVS(简称8Cr2)、40CrMnVBSCa(简称P20BSCa)、Y55CrNiMnMoV(代号SMI)等易切削型预硬塑料模具钢，此类钢不仅适用于制造大、中型精密注塑模具，还可用于制造精密冷作模具，但此类钢存在的问题是：抗腐蚀性能较差。

2.时效硬化型塑料模具钢

根据制造高精度、复杂塑料模具的需要，国内先后开发了几种时效硬化型塑料模具钢，如10Ni3MnCuAl(代号PMS)、25CrNi3MoAl、Y20CrNi3MnMo(代号SM2)、06Ni6CrMoVTiAl(代号06等)。此类钢切削加工性能好，加工后再进行时效处理，由于时效温度低，时效过后模具变形很小，所以适用于制造高精度、复杂的热塑性塑料模具。其缺点是：抛光性能较差。

3.耐蚀塑料模具钢

当较大批量地生产聚氯乙烯、氟化塑料、阻燃塑料等塑料制品时，模具需要耐氟、氯等卤元素气体的腐蚀，为此需在模具表面镀铬或直接采用耐腐蚀钢。国内开发的耐腐蚀塑料模具钢0Cr16Ni4Cu3Nb(代号PCR)属于马氏体沉淀硬化不锈钢，该钢在含有氟、氯等离子的腐蚀性介质中的耐蚀性明显优于17-4PH(0Cr17Ni4Cu4Nb)，适用于制造含氯、氟或混入阻燃剂的热塑性塑料的注射模具。其缺点是：冷热加工性能较差。

4.非调质塑料模具钢

非调质钢在锻、轧后即可达到预硬，不需再进行调质处理，为改善切削加工性能，有些钢种还添加了适量的P、S和Ca。国内对非调质塑料模具钢的开发较晚，25CrMnVTiSCaRe(代号FT)、2Cr2MnMoVS和2Mn12CrVCaS即是近几年开发的新钢种。锻、轧空冷后，FT钢φ100圆钢的硬度可以达到HRC30～35。主要存在问题是：抛光性能和耐腐蚀性能不够。

(三)发明内容：

本发明的目的是要解决现有塑料模具钢综合性能不够，弥补上述材料的缺陷，提供一种具有较好的抗氧化性、热强性和机械加工性能，以及较好的表面抛光性和耐500℃以下氯离子腐蚀性，使用寿命长、成型稳定性能好的新型耐腐蚀镜面塑料挤压模具钢。

本发明的设计方案是：新型耐腐蚀镜面塑料挤压模具钢的配方，其化学成份重量百分比为：C 0.18～0.26，Mn 0.20～0.40，Si 0.80～1.20，Cr 13.00～15.00，Mo 1.85～2.50，Cu 0.80～1.20，V 0.07～0.15，P≤0.015，S≤0.008，Ni≤0.60，N≤0.007，余量为Fe及微量杂质。

本发明的设计原理分析如下：

铬是不锈钢的主要元素，对耐腐蚀性起决定性作用，随着铬含量的增加，不锈钢在氧化性介质中耐腐蚀能力相应增加。铬能有效地提高钢的点蚀电位值，降低钢对点蚀的敏感性，当铬与钼配合使用时，抗点效果更好。铬是强铁素体形成元素和缩小奥氏体区元素，对于马氏体不锈钢来说，铬含量一般在10.50～18.00％之间，如果铬含量过高，则固溶处理后将得不到全马氏体组织(含有部分铁素体组织)，而铁素体的存在则会影响钢的热塑性，降低钢的强度并恶化钢的横向韧性和钢耐蚀性，另一方面，铬是降低Ms点元素，因此本发明配方中加入了13.00～15.00％的铬，以便提高钢的抗腐蚀性能和淬透性，尤其是抗点腐蚀性能。

在马氏体不锈钢中对强度、韧性和耐腐蚀性都有利的合金元素是钼，时效初期析出的富钼析出物，在强化的同时保持钢的韧性起着重要作用，由于钼的存在也可以阻止析出相沿原奥氏体晶界析出，从而避免沿晶断裂、提高了断裂韧性。在某些还原性介质中钼能促进铬的钝化作用，有效地抑制氯离子的点腐蚀倾向，提高钢的抗晶间腐蚀能力。但过量加入会导致残余奥氏体的形成，得不到全马氏体组织，降低强度和耐腐蚀性，因此本发明配方中加入了1.80～2.50％的钼。

铜和钼是形成沉淀硬化相的强化元素，铜是一种较为弱的奥氏体形成元素，加入少量的铜不致于引起不锈钢组织的明显变化，经热处理后以弥散细小的ε-Cu沉淀析出强化基体，在腐蚀介质中的氧化层下形成铜的富集层，它能阻止氧化铁继续向金属内部深入，故在马氏体不锈钢中加入铜，能提高钢在盐酸和硫酸中的腐蚀性能和耐应力腐蚀能力，但过多的铜含量会引起热加工时的铜脆，因此本发明配方中加入了0.80～1.20％的铜。

硅是强烈的强化铁素体元素，硅对提高铁基、镍基耐蚀合金在氧化介质中的耐蚀性有明显作用，在高温下或在强氧化性介质中，钢中加入一定的硅可在表面形成一层富硅的表面层SiO2，从而使钢的抗氧化性和抗腐蚀能力显著提高；钢中加硅还可以抑制不锈钢在氯离子介质中的点腐蚀倾向，但当硅含量达到4％时，钢的脆性显著升高，而使工业使用发生困难，因此本发明配方中的硅含量控制在0.80-1.20％之间。

碳、氮同为间隙元素和强奥氏体形成元素，对提高淬透性、高温奥氏体稳定性和强度有一定的作用，细小的二次碳化物、氮化物是钢的主要析出强化相，对改善抛光性能有一定的作用，但大颗粒的M(CN)容易形成硬点，使得钢的时效硬度不均匀，M(CN)相界在氯离子介质中容易被腐蚀剥落而形成点腐蚀，宏观上称之为“麻点”，根据模具服役硬度的要求(HRC28-32)，碳、氮不宜过高，因此本发明配方中的碳含量应控制在0.18-0.26％之间，氮不大于0.0070％。

钒作为碳化物形成元素和铁素体形成元素，在钢中形成的MC可以细化晶粒和调整强度，但钒只能作为微量元素来控制(0.07～0.15％)，防止过多的碳化物析出聚集形成“硬点”而影响材料的加工性能和抛光性能。

磷、硫作为有害元素，希望在钢中越少越好，硫降低了钢的耐腐蚀性能，但控制过低的磷和硫，一则对工业化生产带来困难，二则降低了钢的抛光性能和机械加工性能。本发明方案是将磷、硫分别控制在0.015和0.008以下。

锰作为有害元素来控制，由于在Fe-Mn系合金中，锰可以在较宽的冷却速度范围内形成板条或块状马氏体组织，所以Fe-Mn合金也为时效强化提高了良好的基础，锰是扩大γ区的元素，在钢中锰的稳定奥氏体组织的能力仅次于镍，是强烈提高钢的淬透性元素，但锰的加入会稍微降低铬含量较低的不锈钢的耐腐蚀性能。因此本发明方案的锰控制在0.20～0.40％之间。

镍作为微量元素来控制，在钢中具有极强的稳定奥氏体组织能力和扩大γ区的元素，对钢的高温强度、韧性和抗高温腐蚀能力具有强效作用，但过多的镍使钢中残余奥氏体增加，提高了生产成本，因而镍控制在0.6％以下。

本发明模具钢属于中碳马氏体不锈钢，淬火状态下残留碳化物较少，有利于回火中析出大量弥散碳化物产生高的二次硬度和高温强度；淬火回火时钒以M4C3型碳化物析出，提高了钢的稳定性、二次硬度和高温强度；具有较好的抗氧化性、热强性和机械加工性能；特别是有较好的表面抛光性(可实现镜面)和耐500℃以下氯离子腐蚀性。通过组织转变、沉淀硬化和碳化物析出三种方式进行强化，经不同热处理后能获得不同要求的综合性能，综合了预硬化型塑料模具钢、时效硬化型塑料模具钢、耐蚀塑料模具钢的特点，使用寿命比2Cr13、X85CrMoV182、DIN1.2316、3Cr17NiMoV等不锈模具钢更加优越。能广泛用于制造高精尖塑料挤压模具、工具、汽轮机叶片、阀门以及轴类件和紧固件等。

(四)具体实施方式：

例1：按500kg的钢锭称重化学成分配比(重量％)为：C 0.90kg，Mn 1.00kg，Si 4.00kg，Cr 65.00kg，Mo 10.00kg，Cu 5.00kg，V 0.35kg，P 0.001kg，S 0.001kg，Ni 0.50kg，N 0.005kg，其余为Fe和不可避免的微量杂质。将上述配料采用电弧炉或感应炉+炉外精炼(LF/VD或VOD)+电渣重熔冶炼出的钢锭，经锻制开150～180mm方坯，高温扩散退火，坯酸洗精整，再经锻制或轧制成φ120mm以下成品钢棒，并作退火或调质处理，探伤、检验、精整、检查、入库。

例2：按500kg的钢锭称重化学成分配比(重量％)为：C 1.10kg，Mn 1.50kg，Si 5.00kg，Cr 70.00kg，Mo 11.00kg，Cu 4.00kg，V 0.50kg，P 0.05kg，S 0.02kg，Ni 2.00kg，N 0.025kg，其余为Fe和不可避免的微量杂质。将上述配料采用电弧炉或感应炉+炉外精炼(LF/VD或VOD)+电渣重熔冶炼出的钢锭，经锻制开150～180mm方坯，高温扩散退火，坯酸洗精整，再经锻制或轧制成φ120mm以下成品钢棒，并作退火或调质处理，探伤、检验、精整、检查、入库。

例3：按500kg的钢锭称重化学成分配比(重量％)为：C 1.50kg，Mn 2.00kg，Si 6.00kg，Cr 75.00kg，Mo 7.50kg，Cu 6.00kg，V 0.70kg，P 0.075kg，S 0.04kg，Ni 3.00kg，N 0.03kg，其余为Fe和不可避免的微量杂质。将上述配料采用电弧炉或感应炉+炉外精炼(LF/VD或VOD)+电渣重熔冶炼出的钢锭，经锻制开150～180mm方坯，高温扩散退火，坯酸洗精整，再经锻制或轧制成φ120mm以下成品钢棒，并作退火或调质处理，探伤、检验、精整、检查、入库。

Claims (1)

1.一种耐腐蚀镜面塑料挤压模具钢的配方，其特征是：化学成分重量百分比为：C 0.18～0.26，Mn 0.20～0.40，Si 0.80～1.20，Cr13.00～15.00，Mo 1.85～2.50，Cu 0.80～1.20，V 0.07～0.15，P≤0.015，S≤0.008，Ni≤0.60，N≤0.007，余量为Fe及微量杂质。