CN103757544A - 一种经济型非调质微合金化塑料模具钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种经济型非调质微合金化塑料模具钢板及其制造方法。其主要化学成分范围按重量百分比计包括：碳0.32-0.40％，硅0.20-0.50％，锰1.00-1.50％，铬1.20-1.70%，钼≤0.20％，硼≤0.0025％，钛≤0.03％，铌≤0.03％，余量为Fe；采用转炉冶炼、LF+RH精炼和浇注连铸坯；板坯加热温度为1200-1230℃，精轧温度为900-950℃，终轧温度为870-920℃；钢板轧后控制冷却；控轧控冷后对钢板进行550-600℃回火，得到贝氏体组织的预硬型塑料模具钢成品钢板。其屈服强度可达到800MPa以上，常温冲击韧性可达到20J以上，钢板截面硬度为310-350HB。本发明适用于320mm连铸坯生产120mm以下规格的预硬型塑料模具钢板。

Description

一种经济型非调质微合金化塑料模具钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种塑料模具钢板及其制造方法，具体来说是一种经济型非调质微合金化塑料模具钢板及其制造方法。

背景技术

随着我国塑料工业的迅速发展，市场对塑料模具钢的需求量日益增加，为了提高模具的使用寿命、模具的加工精度及塑料制品的质量，市场对模具钢的质量要求越来越高。传统的塑料模具钢是指将热加工后的钢板先进行调质处理，达到塑料模具钢要求的硬度范围，再进行机械加工，从而避免由于热处理引起的模具变形和裂纹问题。塑料模具钢虽然具有上述优点，但也存在淬火裂纹敏感性高、生产成本高、制造周期长的特点。塑料模具钢广泛使用的成分一般是在美国P20钢基础上发展而来；我国已纳入国家标准（GB/T 24594-2009）的预硬型塑料模具钢有：3Cr2Mo（P20）、3Cr2MnNiMo（718）等。

随着现代冶炼－连铸－轧制生产线综合能力的提高，国内已有许多钢厂采用非调质生产方式来生产预硬型塑料模具钢板。目前国内非调质预硬型塑料模具钢板的成分体系大多仍然以P20成分为基础进行改进。然而添加贵重金属镍、钼必然会大大增加模具钢产品成本，因此如何来降低合金成本、充分利用控轧控冷设备优势来制造价廉物美的产品是钢厂所面临的技术与生产难题。目前非调质预硬型塑料模具钢板生产存在的主要问题是成本较高、能耗大、钢板产品组织及硬度不均匀等缺点。授权公告号为CN 102002638 B的中国专利公布了：一种截面硬度均匀的塑料模具钢厚板生产工艺，采用的是开合式水冷模铸机浇注铸坯，并且该工艺添加了较多的贵重金属钼，成本较高；授权公告号为CN 102268599 A的中国专利公布了一种非调质塑料模具钢厚板生产工艺，但其成分及合金化与本发明也有差异。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服非调质塑料模具钢板合金成本和制造成本较高、组织和截面硬度不均匀这两大缺点，提供一种经济型非调质微合金化预硬型塑料模具钢板及其制造方法。

本发明解决以上技术问题的技术方案：一种经济型非调质微合金化塑料模具钢板，其化学成分按重量百分比计包括：碳0.32-0.40％，硅0.20-0.50％，锰1.00-1.50％，铬1.20-1.70%，钼≤0.20％，硼≤0.0025％，钛≤0.03％，铌≤0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质；

本发明组分的整体构思如下：在P20钢基础上通过适当增加碳量和锰量、添加硼和铌、降低铬、钼含量来保证钢的贝氏体淬透性同时适当降低成本，通过添加铌、Ti复合添加来提高组织及硬度均匀性；通过铬、锰、钼合金化和硼、铌、钛微合金化相结合，可有效保证钢的贝氏体淬透性，使钢在较低冷却速度下就可以得到贝氏体组织；适当提高碳含量，有利于保证钢板硬度水平，且可以适当降低合金元素用量，同时也在一定程度上减轻了控制冷却速度的压力；适当增加锰含量以提高钢的淬透性和强度，改善钢的韧性；添加微合金元素硼，有利于提高钢的淬透性，这也是一种提高淬透性的经济而有效的方法；通过铌、钛微合金化可可以实施控制轧制来细化晶粒与改善组织均匀性并以期改善截面硬度均匀性；适当降低铬、钼含量，不添加镍、钒元素，以降低钢的合金成本。

一种经济型非调质微合金化塑料模具钢板制造方法，采用转炉冶炼、LF+RH精炼和浇注连铸坯，所述浇注连铸坯的板坯加热温度为1200-1230℃，对钢板实施控制轧制，精轧温度为900-950℃，终轧温度为870-920℃，钢板轧后控制冷却，轧后进行550-600℃回火；回火后塑料模具钢成品钢板屈服强度达到800MPa以上，常温冲击韧性达20J以上，截面硬度为310-340HB。具体步骤与要求如下：

1）采用转炉冶炼、LF+RH精炼，连铸方式浇注得到连铸坯；对钢中有害元素含量进行控制：氢≤1.5 ppm，氮≤50 ppm，硫≤50 ppm，磷≤100 ppm，连铸坯的化学成分满足碳：0.32-0.40％，硅：0.20-0.50％，锰：1.00-1.50％，铬：1.20-1.70%，钼≤0.20％，硼≤0.0025％，钛≤0.03％，铌≤0.03％，其余为铁；

2）采用热送温装，入炉温度大于250℃，加热炉加热温度为1200-1230 ℃，总加热时间4-6h；采用高温、大压下量的轧制方式，粗轧温度为1050-1150℃，精轧温度为900-950℃，终轧温度控制在870-920 ℃；

3）热轧后通过控制冷却速度，冷却速度控制在3-8℃/s，返红温度小于500℃，后空冷至250℃下线并堆冷；

4）对钢板及时进行回火处理，回火温度为550-600 ℃，保温时间为280 min，得到非调质微合金化预硬型塑料模具钢板；

本发明制造方法的整体构思如下：由于钢中合金元素含量较高，为了防止成分偏析，适当提高连铸板坯加热温度；在轧制过程中采用高温、大压下量轧制，并利用微合金元素铌、钛的综合作用使晶粒细化与组织均匀化；通过控制冷却速度来确保钢板全截面得到贝氏体组织而不出现珠光体组织（特别是在心部），其冷却方式采用喷水冷却，喷水冷却强度根据钢板厚度而定，以保证冷却速度；再将控轧控冷后贝氏体组织的模具钢板进行高温回火，以消除内应力并调节钢板硬度。

本发明步骤3）中以控轧控冷后的塑料模具钢板的组织为贝氏体组织，由于在连续冷却过程中形成贝氏体的温度范围不同，可能会得到不同类型的贝氏体混合组织，如粒状贝氏体、板条贝氏体等，甚至也不排除在喷水冷却过程中钢板表层出现部分马氏体组织，因此在生产不同厚度钢板时，可以通过控制冷却速度，板厚越厚，冷却速度增加，以期得到全截面为贝氏体组织的钢板，要特别避免心部出现珠光体组织，因此尽量保证冷却速度控制在3-8℃/s；

本发明步骤4）中的高温回火后钢板组织会发生以下变化：由于具有良好的回火稳定性，粒状贝氏体组织回火后会得到粒状贝氏体（铁素体）和碳化物；板条贝氏体在高温回火后会产生回复及部分再结晶，碳化物会逐惭粒化；即使钢板表层可能由于快冷出现马氏体组织，在高温回火过程也将向回火屈氏体组织（类似于板条贝氏体的回火组织）转变；因此回火后模具钢板的组织主要为板条或粒状贝氏体（铁素体）组织和大量碳化物；因此回火后的成品模具钢板强度和韧性较高，硬度均匀性良好。

本发明进一步限定的技术方案为：

进一步的，制造方法中，步骤1）得到的连铸坯为320mm，步骤4）得到的非调质微合金化塑料模具钢板规格为20-120mm。

进一步的，制造方法中，步骤3）得到塑料模具钢板的显微组织为贝氏体组织。

本发明的有益效果为：

1）本发明中，在P20成分基础上通过适当提高碳量和锰量、减少贵重金属钼和铬含量、添加硼和采用铌、钛微合金化技术，在保证钢良好淬透性的同时适当降低合金成本；通过控轧工艺和铌、钛微合金化来提高组织及硬度均匀性；通过综合合金化和控制冷却来得到钢板全截面贝氏体组织；通过合金成分降低、铸坯热送温装、轧后直接回火的非调质生产工艺等来实现本发明中的非调质微合金化预硬型塑料模具钢板制造工艺的经济性；

2）通过采用铬、锰、钼及硼、铌、钛综合合金化能有效保证了钢的贝氏体淬透性；连铸坯高温加热使奥氏体中固溶的合金含量增加、成分偏析减轻；采用大压下量控制轧制并利用钛、铌微合金化使晶粒细化和组织均匀性提高；控制冷却速度使轧板全截面组织为贝氏体组织；通过高温回火消除应力并调节钢板预硬化硬度，这些均有力保证了钢板硬度及截面硬度均匀性；

3）连铸坯厚度320mm，可以轧制出20-120mm规格的塑料模具钢板，超声波检测达GB／T2970-2004标准I级，钢板截面预硬化硬度控制在310-350HB范围，屈服强度达800MPa以上，常温冲击达到20J以上，综合性能良好，达到P20预硬化钢板的性能要求，能够满足用户要求和市场需求。

附图说明

图1为110 mm塑料模具钢板的截面硬度分布。

图2为110 mm塑料模具钢板截面上部SEM组织形貌照片。

图3为110 mm塑料模具钢板截面1/4处SEM组织形貌照片。

图4为110 mm塑料模具钢板截面心部SEM组织形貌照片。

图5为110 mm塑料模具钢板截面上部TEM组织形貌照片。

图6为110 mm塑料模具钢板截面1/4处TEM组织形貌照片。

图7为110 mm塑料模具钢板截面心部TEM组织形貌照片。

具体实施方式

一种经济型非调质微合金化塑料模具钢板制造方法，采用转炉冶炼、LF+RH精炼和浇注连铸坯，浇注连铸坯的板坯加热温度为1200-1230℃，对钢板实施控制轧制，精轧温度为900-950℃，终轧温度为870-920℃，钢板轧后控制冷却，轧后进行550-600℃回火；回火后塑料模具钢成品钢板屈服强度达到800 MPa以上，截面硬度为310-340 HB，达到P20预硬化钢板的性能要求。具体步骤与要求如下：

1）采用转炉冶炼、LF+RH精炼，连铸方式浇注得到连铸坯；连铸坯的化学成分满足碳：0.32-0.40％，硅：0.20-0.50％，锰：1.00-1.50％，铬：1.20-1.70%，钼≤0.20％，硼≤0.0025％，钛≤0.03％，铌≤0.03％，其余为铁；

根据本发明的生产工艺，冶炼工艺中本发明的钢种实际化学成分如表1所示；

表1 本发明实施例的化学成分（wt%）：

；

2）采用热送温装，入炉温度大于250℃，加热炉加热温度为1200-1230℃，总加热时间4-6h；采用高温、大压下量的轧制方式，粗轧温度为1050-1150℃，精轧温度为900-950℃，终轧温度控制在870-920 ℃；

表2 为本发明步骤2实施例的工艺参数：

；

3）热轧后通过控制冷却速度，冷却速度控制在3-8℃/s，返红温度小于500℃，后空冷至250℃下线并堆冷；

表3 为本发明步骤3实施例的工艺参数：

；

4）对钢板进行回火处理，回火温度为550-600 ℃，保温时间为280 min，得到20-120mm非调质预硬型微合金化塑料模具钢板；

表4 为本发明步骤3实施例的工艺参数：

。

最终得到的钢板力学性能参数为：屈服强度860MPa，抗拉强度1080MPa，常温冲击韧性21J，截面硬度范围为310-340HB，平均硬度325HB。

图1为110 mm塑料模具钢板的截面硬度分布。硬度范围为310-340HB，截面平均硬度为325HB。

图2为110 mm塑料模具钢板截面上部SEM组织形貌照片，组织主要为板条贝氏体组织。

图3为110 mm塑料模具钢板截面1/4处SEM组织形貌照片，组织主要为板条贝氏体组织和少量粒状贝氏体组织。

图4为110 mm塑料模具钢板截面心部SEM组织形貌照片，组织主要为粒状贝氏体组织和少量板条贝氏体组织。

图5为110 mm塑料模具钢板截面上部TEM组织形貌照片，组织显示为板条贝氏体以及碳化物。

图6为110 mm塑料模具钢板截面1/4处TEM组织形貌照片，组织显示为板条贝氏体以及粒状贝氏体以及碳化物。

图7为110 mm塑料模具钢板截面心部TEM组织形貌照片，组织显示为粒状贝氏体以及碳化物。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种经济型非调质微合金化塑料模具钢板，其特征在于：其化学成分范围按重量百分比计包括：碳0.32-0.40％，硅0.20-0.50％，锰1.00-1.50％，铬1.20-1.70%，钼≤0.20％，硼≤0.0025％，钛≤0.03％，铌≤0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.一种经济型非调质微合金化塑料模具钢板制造方法，采用转炉冶炼、LF+RH精炼和浇注连铸坯，其特征在于：所述浇注连铸坯的板坯加热温度为1200-1230℃，对钢板实施控制轧制，精轧温度为900-950℃，终轧温度为870-920℃；控制轧制后对钢板实施控制冷却；对轧后钢板进行550-600℃回火；回火后塑料模具钢成品钢板屈服强度达到800 MPa以上，常温冲击韧性可达20J以上，截面硬度为310-340 HB。

3.具体步骤与要求如下：

1）采用转炉冶炼、LF+RH精炼，连铸方式浇注得到连铸坯；对钢中有害元素含量进行控制：H≤1.5ppm，N≤50ppm，S≤50ppm，P≤100ppm；连铸坯的化学成分满足：碳0.32-0.40％，硅0.20-0.50％，锰1.00-1.50％，铬1.20-1.70%，钼≤0.20％，硼≤0.0025％，钛≤0.03％，铌≤0.03％，其余为铁；

2）采用热送温装，入炉温度大于250℃；加热炉加热温度为1200-1230℃，总加热时间4-6h；采用高温、大压下量轧制，粗轧温度控制为1050-1150℃，精轧温度为900-950℃，终轧温度为870-920℃；

3）轧制后根据钢板厚度进行控制冷却，实施不同冷却强度的水冷，将冷却速度控制在3-8 ℃/s，返红温度小于500℃；空冷至250℃下线并堆冷；

4）对钢板进行回火处理，回火温度为550-600 ℃，保温时间为280 min，得到控轧控冷加回火工艺生产的非调质预硬型塑料模具钢板。

4.根据权利要求2所述的塑料模具钢板制造方法，其特征在于：步骤1）得到的连铸坯为320mm，步骤4）得到的非调质微合金化塑料模具钢板规格为20-120 mm。

5.根据权利要求2所述的塑料模具钢板，其特征在于：步骤3）得到塑料模具钢板的显微组织为贝氏体组织。

Images