CN103173686A

CN103173686A - 屈氏体预硬型塑料模具钢及其制备方法

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Publication number: CN103173686A
Application number: CN2013100718991A
Authority: CN
Inventors: 闵永安; 吴晓春; 邓传印; 张铮; 李娜
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2013-06-26

Abstract

本发明涉及一种屈氏体预硬型塑料模具钢及其制备方法，属于塑料模具钢材料制造工艺领域。本发明屈氏体预硬塑料模具材料具有以下化学组成(质量百分比)：C0.48~0.65%，Si0.3~0.8%，Mn1.1~2.0%，Cr0.8~2.2%，P<0.02%，S<0.02%，（Nb+V+Ti）：0.05~0.15%，Fe余量，在此基础成分上同时满足（Cr+Mn）/C质量比为4~5和(Nb+V+Ti)/C质量比为0.2~0.3，分别实现对组织和晶粒度的控制。热加工后根据锻件的规格结合适当的控制冷却工艺，使锻件整体冷速在过冷奥氏体屈氏体转变冷速范围内，实现了厚度在100~500mm间模块的在线预硬化，组织为屈氏体，晶粒度在5~7级，硬度在280~330HB间。与40Cr钢调质后硬度相当，由于采用锻后在线预硬化，其工艺过程大为简化。

Description

屈氏体预硬型塑料模具钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种塑料模具用屈氏体型塑料模具材料及其制造方法，属塑料模具钢材料及其制造工艺领域。

背景技术

目前市场上许多塑料模具由中碳钢制作，如45#、SM50、SM55、S50C、S55C等，这些钢材用于制造塑料模模架以及具有一定技术性能要求的型腔模具。正火态使用时硬度为180～230HB，用这种钢制作的型腔模具，硬度低、耐磨性差、表面光洁度低，制作出的塑料制品质量差，模具寿命也短；30Cr2Mo、40Cr等调质型塑料模具钢，可直接进行机加工，制作多种塑料模具，但热处理成本比较高。

因此基于市场的巨大需求，如何在保持低成本的条件下开发出满足一定技术性能要求的模具材料及其制造工艺至关重要，而开发非调质模具材料是一条有效途径。

中国专利200610028195.6公开了一种超厚非调质塑料模具钢及其制造方法，克服了调质型预硬化塑料模具钢制造成本高和已有非调质塑料模具钢成形厚度小的缺点，并实现了厚度超过300mm的锻件获得贝氏体及适当硬度的非调质化。

中国专利201110218086.1公开了一种非调质塑料模具钢厚板的生产工艺，通过控制成分和轧后冷速控制，实现了320mm连铸坯生产厚度120mm以下规格的贝氏体型塑料模具钢厚钢板，提高了该规格贝氏体型塑料模具钢的成材率和生产效率，进一步控制了模具材料成本。

以上公开专利分别实现了超厚模块和厚板的贝氏体型塑料模具钢非调质生产，其以贝氏体为主的组织脆性较大，尤其是厚度越厚的模块同时受到心部与表面的热应力和组织应力的综合作用，所以必须尽快高温长时回火，防止模块加工过程中变形和开裂；此外，为推迟铁素体、珠光体相变区而加入的贵金属Ni、Mo等元素一定程度上限制了该类非调质钢的成本优势。

珠光体类组织具有生产工艺简单、成本低、性能稳定的特点，而且耐磨性较好，若要进一步提高其在耐磨性方面的应用必须强化铁素体基体、减小片层间距、增加渗碳体比例和硬度，这可以从提高C及合金元素含量(Si、Mn、Cr、V、Mo、Ni、Cu等)入手，但过多的合金元素会使奥氏体连续冷却曲线(CCT曲线)强烈右移，大大降低产生马氏体的临界冷速，容易产生贝氏体或马氏体的脆性组织，造成组织和硬度的不均匀。

专利200510022442.7公开了一种珠光体类高强度低合金钢及其制备方法，C含量为共析或过共析含量，复合加入Si、Mn、Cr、V等元素，得到全珠光体组织，并且硬度在320~340HV之间，还具有良好的韧性和耐磨性。该种成分的钢及其生产工艺只适合钢轨等小规格制件，对于厚度100~500mm，宽度300~800mm的大规格模块，由于冷速的差异，并不能实现其组织的全珠光体化及其高硬度高耐磨特点。

要实现大规格塑料模块组织的全珠光体化及细片化，必须解决两方面问题，一是合金成分设计，应以能够获得屈氏体组织的冷速范围越大为设计目标；二是热加工成形后的控冷工艺，应根据制件规格确定合理的冷却规范，以使模块获得屈氏体（细片珠光体）。

发明内容

本发明的目的是提供一种塑料模具用预硬型塑料模具钢材料，其特征在于具有以下的化学组成及重量百分含量：

C 0.48~0.65%， Si 0.3~0.8%， Mn 1.1~2.0%， Cr 0.8~2.2%， P<0.02%， S<0.02%，（Nb+V+Ti）：0.05~0.15%， Fe余量

在以上成分范围内，（Cr+Mn）/C质量比值应在4~5范围内，这对于获得高强度高硬度和耐磨性至关重要。比值高于5时不利于合金元素在奥氏体中的固溶，也易于在冷却过程中析出碳化物发生离异共析转变，产生球化珠光体组织；低于4时，对珠光体片层间距的减小作用降低，对组织的强化作用减弱。

在以上两个成分特征基础上，控制(Nb+V+Ti)/C质量比在0.2~0.3之间，以保证基体中固溶适当C量及对晶粒的细化作用，并且在适当的冷却条件下通过有效析出强化，可满足一定力学性能的要求。高于0.3后细晶及析出强化作用没有明显进一步增加，低于0.2时这两方面作用不明显。

上述成分模具材料的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：

a. 依据上述设计的材料化学组成进行配料，冶炼成钢锭。锻前于1150~1250℃保温适当时间(视锭型和保温温度而定，如6~20h)后进行压钳把，然后返炉保温适当时间(一般2~4h)后墩拔成模块，850℃以上停止锻造。

b. 锻后视模块尺寸规格进行风冷或空冷，采取风冷时温度降至80~150℃时停止风冷，空冷至室温。规格为100~350mm厚模块采用空冷；350~500mm厚规格模块采用风冷规范。以保证模块冷速控制在图1所示冷速2和冷速3之间。

c. 去应力回火，将锻后冷至室温的锻件在180~220℃回火适当时间(视模块规格而定，如2~10h间)，消除锻后冷却过程中产生的内应力，防止模具在加工过程中出现变形和开裂。

按以上成分设计和工艺控制规范制造的厚度100~500mm、宽度300~800mm的模块组织为屈氏体（细片珠光体），如图2所示。硬度在280~330HB间，具有良好的机加工性能。

本发明屈氏体预硬型塑料模具钢的化学组成，其确定和设计依据如下：

C是提高钢的硬度和强度最有效的元素，一方面随着碳含量增多先共析铁素体含量减少，提高了珠光体组织的体积分数；另一方面固溶强化作用对铁素体的强硬度提高显著。所以C含量设定为0.48~0.65%。

Si有利于冶炼过程中脱氧，而且固溶于铁素体中显著提高其强硬度；同时它不溶于渗碳体，渗碳体形核和长大过程必须将Si排开，这样提高了不出现先共析渗碳体的C含量上限，但含量过高时会降低钢的焊接和切削加工性能。其含量小于0.3%时作用不明显，而含量大于0.8%时易使锻件在锻造过程中产生表面缺陷，所以Si含量设定为0.3~0.8%。

Mn有利于得到片层间距更小的珠光体，同时增加强硬度和韧性；也能固溶于渗碳体和铁素体中，提高强度、硬度和耐磨性，但是过高的Mn含量会促进晶粒长大，增加脆性，综合考虑其对强硬度提高和韧性的作用确定Mn含量为1.1~2.0%。

Cr能使得珠光体转变温度降低有利于得到强硬度和耐磨性更高的细片珠光体；另外Cr能置换Fe₃C中的Fe原子，形成合金渗碳体使其得到强化，从而提高了组织的耐磨性。但Cr含量过高会明显阻碍珠光体转变，发生贝氏体或马氏体转变，而破坏组织的均匀性。Cr含量低于0.8%时对强硬度的提高作用不明显，而含量高于2.5%时得到马氏体的临界冷速低于1℃/s，容易得到非平衡组织，所以Cr含量设定为0.8~2.2%。

Nb、V、Ti三者均是强碳化物形成元素，细小的碳化物不仅能在奥氏体化过程中强烈阻止晶粒长大使韧性提高，热加工过程中细化再结晶晶粒，还能在冷却过程中析出对基体起到沉淀强化作用，此钢中含量低于0.05%时作用不明显，而含量高于0.15%时不再有进一步的作用，所以三者总量设定为0.05~0.15%。

P和S为有害元素，应控制在低限度以免对钢的性能产生不良后果，含量均应低于0.02%。

本发明中碳含量的确定主要是从提高基体硬度和减少先共析铁素体两方面考虑的，硅的加入主要起到固溶强化作用，而锰和铬的加入与一般的为提高淬透性目的不同，尤其是铬，这里的添加意图是为了获得片层间距更小的屈氏体，从而增加材料的强度、硬度和耐磨性。

钢的化学成分中（Cr+Mn）/C比值是本发明材料获得高强度高硬度和耐磨性的关键。其范围为4~5，若（Cr+Mn）/C比值低于4则难以在较慢冷速下获得片层间距小、耐磨性高的屈氏体组织；而（Cr+Mn）/C比值高于5时，在缓慢冷却下钢中会析出碳化物并发生离异共析转变，产生的球化珠光体组织硬度较低，耐磨性差，难以满足模具的力学性能要求。其机理如图3所示，从860℃左右将逐步析出二次碳化物而引发过冷奥氏体发生离异共析转变。当（Cr+Mn）/C比值介于4~5之间时，此钢可从根本上避免先共析碳化物的析出，其过冷奥氏体低于743℃后析出细片珠光体（其机理如图4）。

在保证各元素基本化学成分及（Cr+Mn）/C比基础上，控制(Nb+V+Ti)/C比在0.2%~0.3%之间，不仅能保证基体中固溶C含量及对晶粒的细化作用，在适当的冷却条件下更能有效析出强化，进一步满足一定力学性能要求。

本发明的特点是对100~500mm厚锻件能获得以屈氏体为主的组织，它区别于一般的贝氏体非调钢或铁素体-珠光体非调钢，要在该规格上实现该类组织的非调质化必须以成分设计为前提条件，并结合适当的冷却规范控制，使冷速在图1所示冷速2与3之间，保证过冷奥氏体以屈氏体转变为主。

附图说明

图1 本发明钢完全奥氏体化后冷却过程中的物相变化示意图 (P-珠光体，S-索氏体，T-屈氏体，B-贝氏体，Ms-马氏体转变开始，Mf-马氏体转变结束)；

图2 本发明钢经过一定的热加工和控制冷却条件下获得的屈氏体组织；

图3 当（Cr+Mn）/C高于5时，本发明钢冷却过程中的碳化物析出情况；

图4 当（Cr+Mn）/C介于4~5之间时，本发明钢冷却过程中的碳化物析出情况。

具体实施方式

现将本发明的实施例叙述于后。

实施例1

本实施例中，采用的材料化学组成如下：

C 0.55%， Si 0.6%， Mn 1.50%， Cr 1.2%， V 0.08%， Ti 0.04%， P<0.02%， S<0.02%， Fe余量

按以上成分配料，熔炼后浇注为13吨八角钢锭，另一支浇注为8’’方钢锭（0.25t）。八角钢锭锻造加热温度1200℃，保温10小时后在4000t快锻机组上进行压钳把工序，然后返炉保温180分钟后进行镦拔成形工序，终锻温度约860℃，锻后模块规格为300mm×800mm×5000mm。模块锻后风冷至约200℃，然后空冷至室温，最后在200℃进行去应力回火处理，回火时间为8小时。

模块最终硬度为306±15HB；组织为屈氏体；室温冲击功AKU2：13J。

实施例2

本实施例中，采用的材料化学组成如下：

C 0.60%， Si 0.53%， Mn 1.15%， Cr 1.7%， V 0.1%， Nb 0.04%， Ti 0.02%， P<0.02%， S<0.02%, Fe余量

按以上成分配料，熔炼后浇注为7吨钢锭，钢锭锻造加热温度1170℃，保温8小时后在快锻机组上进行压钳把，然后返炉保温约150分钟后进行镦拔成形，终锻温度约900℃，锻后模块规格为200mm×600mm×4500mm，模块锻后风冷至约200℃后空冷至室温。最后经过200℃去应力回火处理，回火时间为7小时。

模块最终硬度为312±11HB；试样室温冲击功A_KU2：14J。

实施例3

本实施例中，采用的材料化学组成如下：

C 0.65%， Si 0.6%， Mn 1.71%， Cr 1.2%， V 0.15%， P<0.02%， S<0.02%, Fe余量

按以上成分配料，采用真空熔炼+电渣重熔工艺冶炼，电渣锭尺寸φ120×1000mm，重量约为80kg。将电渣锭加热至1150-1170℃保温热透后，采用空气锤自由锻方式在1100℃-900℃温度范围内锻制成截面尺寸为60×60mm的方棒，锻后空冷至室温后经200℃去应力回火处理，回火时间为2小时。

截面最终硬度为316±7HB，其组织为屈氏体。

Claims

1.一种屈氏体预硬型塑料模具钢，其特征在于具有以下的化学组成及重量百分含量：

C 0.48~0.65%，Si 0.3~0.8%，Mn 1.1~2.0%，Cr 0.8~2.2%，P<0.02%，S<0.02%，Fe余量。

2.如权利要求1所述的屈氏体预硬型塑料模具钢，其特征在于其组分中（Cr+Mn）/C质量比为4~5。

3.如权利要求1或权利要求2所述的屈氏体预硬型塑料模具钢，其特征在于其组分中还包括Nb或V或Ti或三者的任意组合，且（Nb、V、Ti）三者总质量比在0.05~0.15%间，且(Nb+V+Ti)/C质量比在0.2~0.3之间。

4.一种屈氏体预硬型塑料模具钢的制备方法，其特征在于具有以下的工艺步骤：

a) 依据上述设计的材料化学组成进行配料，冶炼成钢锭；锻前于1150~1250℃保温6~20h，后进行压钳把，然后返炉保温2~4h，后墩拔成模块，850℃以上停止锻造；

b) 锻后视模块尺寸规格进行风冷或空冷，采取风冷时温度降至80~150℃时停止风冷，空冷至室温；规格为100~350mm厚模块采用空冷；350~500mm厚规格模块采用风冷规范；

c) 去应力回火，将锻后冷至室温的锻件在180~220℃间回火2~10h。