CN104294159A - 一种新型塑料模具钢及其制备与热处理工艺 - Google Patents

一种新型塑料模具钢及其制备与热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型塑料模具钢，按质量百分比其化学组成如下：C：0.36-0.40、Si：0.60-0.90、Mn：0.30-0.60、S：≤0.025、P：≤0.035、Cr：13.50-14.0及V：0.20-0.30，余量为Fe；其冶炼及热处理工艺：配料，电炉+LF+VD+电渣冶炼，初轧加热，球化退火，真空炉内预热，淬火加热，然后油冷或者气冷，连续回火处理三次。本发明的模具钢晶粒更细化，耐腐蚀性更高，偏折程度远低于常规4Cr13，机加工性能好。

Description

一种新型塑料模具钢及其制备与热处理工艺
技术领域
本发明涉及合金钢制造及材料热处理工艺技术领域，特别涉及一种新型塑料模具钢及其制备与热处理工艺。
背景技术
作为高效镜面塑料模具钢使用最广泛的材料就是4Cr13，其使用温度为250℃左右，并承受高负荷高耐磨及在腐蚀作用下制定透明、不透明塑料制品，纵观全行业现有技术，目前的4Cr13存在加工性能差，尤其是深孔加工时切削性能差、抗腐蚀性不显著，及使用一段时间后模具耐磨性下降等一系列不良状况。
目前国标的4Cr13钢的化学成分为：
余量为Fe，属于马代体不锈钢，含碳量与含铬量比较高，在热轧扁钢中常常出现碳化物分布不均匀、偏折较严重，在现实生产加工时经常出现上述状况，且模具试模后裸放一段时间发现镜面型腔出现蚀点现象。
为解决上述问题，需要从以下几方面着手：一是改变合金的化学成分；二是优化冶炼工艺；三是优化热处理工艺。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种新型塑料模具钢，通过加入微量的钒元素以细化原始奥氏体并减小偏折，并提高Si的含量以使热处理后的耐腐蚀性进一步提高。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种新型塑料模具钢，按质量百分比其化学组成如下：
C：0.36-0.40、Si：0.60-0.90、Mn：0.30-0.60、S：≤0.025、P：≤0.035、Cr：13.50-14.0及V：0.20-0.30，余量为Fe，HRC：49-51。
一种塑料模具钢的制造冶炼工艺，包括如下步骤：
①按权利要求1所述化学成分质量百分比进行配料；
②冶炼：电炉+LF+VD+电渣，即步骤①物料经电炉融化后，再经LF炉精炼到达脱氧、降低炉渣氧化性，提高合金收率，调质渣系组成，形成熔点渣系有效吸收钢液中夹杂物，清理钢包提高钢包渣碱度，脱除有害物之后通过VD真空脱气炉熔炼，在真空状态下对钢液脱气，最后电渣重熔使钢锭的质量性能得到进一步改进；
③电渣锭脱模后降温，通常情况下，当温度降至低于300℃时即可温送初轧加热；
④初轧加热后经球化退火后下料并进行后续热处理。
其中，步骤②中，为了更进一步减小凝固偏折，即减小液折碳化物，在电渣重熔时采用电阻较低的阻渣系以降低炉口电压使熔速降低，从而达到提高冷却速度的目的，低电阻渣系可为三元渣系、四元渣系或五元渣系。
其中，所述低电阻渣系为CaF2-CaO-Al2O3三元渣系，配比为6:1：3。
其中，步骤②中，为了更进一步减小凝固偏折，即减小液折碳化物，电渣重熔时采用小规格电渣锭，其中，电渣锭为锥形、圆柱形或方形，其重量为2.5-3.0t，以其为圆锥形为标准时，其中间高度处的直径为550mm，并根据其总重量设定其高度及底部直径即可，在此情况下，其重熔时熔池体积小，冷速大，可减小电渣过程中折出共晶碳化物成分，组织偏折也要小，同时通过高温扩散的小锭型也有利于消除共晶碳化物。
其中，步骤④中，等温球化退火过程为：先将钢锭加热至870±10℃保温，然后快冷至770±10℃保温，然后以30～50℃/h的速度冷却后出炉。
一种塑料模具钢的热处理工艺，包括如下步骤：
①将权利要求2中经过球化退火后的钢锭在真空炉内预热：首先预热至600℃保温1.5h，在加热至850℃保温1.5h；
②淬火加热，加热温度为1020℃并保温1h，然后油冷或者气冷；
③回火处理，连续回火处理三次，温度控制150-650℃之间，其中低温回火温度在150-250℃之间，中温回火在350-500℃之间，高温回火在500℃以上，且每次回火均是出炉后空冷至室温再进行下次回火。
其中，为了确保模具钢的耐磨性、耐腐蚀性及韧性都得到充分发挥，经连续三次回火处理，且三次回火温度分别为400℃、400℃及280℃。
通过上述技术方案，本发明在普通4Cr13模具钢的基础上，通过加入一定量的钒元素并提高Si的含量，然后通过完善冶炼工艺并辅以特定的热处理工艺，其获得的新型塑料模具钢具有如下优点：
①0.2-0.3％的钒元素V的加入，可以明显细化组织晶粒，提高强韧性并降低钢的过热敏感性，且可以淬火后获得细化马氏体，也是强碳化物形成元素与碳的结合力极强，形成稳定的Vc，高度弥散型分布于基础中，提高耐磨性，且由于细化晶粒也使得加工性能大大改善；
②Si含量的提高(0.6-0.9％)，微量加入可以提高基体金属的电极电位，减少微电池数目，可以有效地提高钢的耐腐蚀性，但含量不能过大，否则会导致脆性大；
③特定的电渣重熔工艺获得液析偏折较小的原始钢锭，可以直接热轧后机加工成模具，减去改锻环节，大大节约制造成本；
④为了获得要求的模具硬度HRC49-51，通过在1020℃下淬火，基于加入的钒元素，淬火过程有二次硬化的效应，此时如果在500℃下回火，虽然也可以获得较高的硬度，但是此温度下回火时，由于折出弥散度提高的碳化铬，而消耗了碳原子和铬原子，围绕折出碳化铬那部分固熔体内碳浓度及铬浓度降低，此时，碳的扩散速度大，而铬的扩散速度较低，碳原子得到补充重新达到平衡，而铬原子得不到充分补充，从而产生碳化铬周围贫铬区，从而导致抗腐蚀性下降，因此，通过将回火温度控制在400℃以内，获得的模具钢的耐磨性、耐腐蚀性及韧性都得到充分发挥。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种模具钢的球化退火工艺曲线图；
图2为本发明实施例所公开的一种模具钢的热处理工艺曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
本发明提供的一种新型塑料模具钢，按质量百分比其化学组成如下：
C：0.36、Si：0.70、Mn：0.45、S：0.025、P：0.035、Cr：13.50及V：0.20，余量为Fe，
其制造冶炼工艺包括如下步骤：
①按上述化学成分质量百分比进行配料；
②冶炼：步骤①物料经电炉融化后，再经LF炉精炼，通过VD真空脱气炉熔炼，最后加入低电阻的三元渣系CaF2-CaO-Al2O3(配比为6:1：3)进行电渣重熔；
③电渣锭脱模后降温，当温度降至低于300℃时即可温送初轧加热；
④初轧加热后经球化退火后下料并进行后续热处理，其球化退火过程为：先将钢锭加热至870±10℃保温，然后快冷至770±10℃保温，然后以30～50℃/h的速度冷却后出炉，参考图1；
参考图2，其热处理工艺包括如下步骤：
①将经过球化退火后的钢锭在真空炉内预热：首先预热至600℃保温1.5h，在加热至850℃保温1.5h；
②淬火加热，加热温度为1020℃并保温1h，然后油冷或者气冷；
③回火处理，连续回火处理三次，三次回火温度分别为400℃、400℃及280℃，且每次回火均是出炉后空冷至室温再进行下次回火。
实施例2：
本发明提供的一种新型塑料模具钢，按质量百分比其化学组成如下：
C：0.40、Si：0.90、Mn：0.30、S：0.015、P：0.020、Cr：14.0及V：0.30，余量为Fe，
其制造冶炼工艺包括如下步骤：
①按上述化学成分质量百分比进行配料；
②冶炼：步骤①物料经电炉融化后，再经LF炉精炼，通过VD真空脱气炉熔炼，最后加入低电阻的四元渣系CaF2-CaO-Al2O3-MgO(配比为6:1：2：1)进行电渣重熔；
③电渣锭脱模后降温，当温度降至低于300℃时即可温送初轧加热；
④初轧加热后经球化退火后下料并进行后续热处理，其球化退火过程为：先将钢锭加热至870±10℃保温，然后快冷至770±10℃保温，然后以30～50℃/h的速度冷却后出炉，参考图1；
参考图2，其热处理工艺，包括如下步骤：
①将经过球化退火后的钢锭在真空炉内预热：首先预热至600℃保温1.5h，在加热至850℃保温1.5h；
②淬火加热，加热温度为1020℃并保温1h，然后油冷或者气冷；
③回火处理，连续回火处理三次，三次回火温度分别为400℃、400℃及280℃，且每次回火均是出炉后空冷至室温再进行下次回火。
实施例3：
本发明提供的一种新型塑料模具钢，按质量百分比其化学组成如下：
C：0.38、Si：0.75、Mn：0.60、S：0.020、P：0.030、Cr：13.80及V：0.25，余量为Fe，
其制造冶炼工艺包括如下步骤：
①按上述化学成分质量百分比进行配料；
②冶炼：步骤①物料经电炉融化后，再经LF炉精炼，通过VD真空脱气炉熔炼，最后电渣重熔，电渣重熔时采用小规格电渣锭，即电渣锭为圆锥形，其中间高度处的直径为550mm，其总重为2.5吨，重熔时熔池体积小，冷速大，钢锭凝固偏折小；
③电渣锭脱模后降温，当温度降至低于300℃时即可温送初轧加热；
④初轧加热后经球化退火后下料并进行后续热处理，其球化退火过程为：先将钢锭加热至870±10℃保温，然后快冷至770±10℃保温，然后以30～50℃/h的速度冷却后出炉，参考图1；
参考图2，其热处理工艺，包括如下步骤：
①将经过球化退火后的钢锭在真空炉内预热：首先预热至600℃保温1.5h，在加热至850℃保温1.5h；
②淬火加热，加热温度为1020℃并保温1h，然后油冷或者气冷；
③回火处理，连续回火处理三次，三次回火温度分别为400℃、400℃及280℃，且每次回火均是出炉后空冷至室温再进行下次回火。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种新型塑料模具钢，其特征在于，按质量百分比其化学组成如下：
C：0.36-0.40、Si：0.60-0.90、Mn：0.30-0.60、S：≤0.025、P：≤0.035、Cr：13.50-14.0及V：0.20-0.30，余量为Fe，HRC：49-51。
2.一种如权利要求1所述的塑料模具钢的制造冶炼工艺，其特征在于，包括如下步骤：
①按权利要求1所述化学成分质量百分比进行配料；
②冶炼：步骤①物料经电炉融化后，再经LF炉精炼，通过VD真空脱气炉熔炼，最后电渣重熔；
③电渣锭脱模后降温，当温度降至低于300℃时即可温送初轧加热；
④初轧加热后经球化退火后下料并进行后续热处理。
3.根据权利要求2所述的一种塑料模具钢的制造冶炼工艺，其特征在于，步骤②中，电渣重熔时加入低电阻渣系，钢锭凝固偏折小。
4.根据权利要求3所述的一种塑料模具钢的制造冶炼工艺，其特征在于，所述低电阻渣系为CaF2-CaO-Al2O3三元渣系，其配比为6:1：3。
5.根据权利要求2所述的一种塑料模具钢的制造冶炼工艺，其特征在于，步骤②中，电渣重熔时采用小规格电渣锭，重熔时熔池体积小，冷速大，钢锭凝固偏折小。
6.根据权利要求2所述的一种塑料模具钢的制造冶炼工艺，其特征在于，步骤④中，等温球化退火过程为：先将钢锭加热至870±10℃保温，然后快冷至770±10℃保温，然后以30～50℃/h的速度冷却后出炉。
7.一种如权利要求2至6任一项所述的塑料模具钢的热处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
①将权利要求2中经过球化退火后的钢锭在真空炉内预热：首先预热至600℃保温1.5h，在加热至850℃保温1.5h；
②淬火加热，加热温度为1020℃并保温1h，然后油冷或者气冷；
③回火处理，连续回火处理三次，温度控制150-650℃之间，且每次回火均是出炉后空冷至室温再进行下次回火。
8.根据权利要求7所述的一种塑料模具钢的热处理工艺，其特征在于，三次回火温度分别为400℃、400℃及280℃。
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