CN107699800B - 一种模芯用含Nb的ZW633大型塑料模具钢及其制备方法 - Google Patents

一种模芯用含Nb的ZW633大型塑料模具钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种模芯用含Nb大型塑料模具钢及制备方法。所述塑料模具钢具体成分按质量百分比含量计为：C：0.35～0.45％，Si：0.20～0.40％，Mn：1.30～1.60％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：1.80～2.10％，Ni：0.90～1.10％，Mo：0.35～0.50％，Nb：0.01～0.05％，Als：0.015～0.030％，Cu≤0.25％，O≤20ppm，N：60～100ppm，H≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质；通过特定的制备方法使得该塑料模具钢的硬度范围30‑40HRC，同截面硬度均匀性≤±1.5HRC，锯切加工性能极佳。

Description

一种模芯用含Nb的ZW633大型塑料模具钢及其制备方法
技术领域
本发明属于钢锻造和热处理领域，具体涉及一种模芯用含Nb的ZW633大型塑料模具钢及其制备方法。
背景技术
我国塑料模具工业从起步到现在，历经半个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高。在大型模具方面已能生产大屏幕彩电塑壳注射模具、大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具；精密塑料模具方面，已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。模具正在向大型化、精密化和标准化方向发展。模具发展的这种趋势要求模具材料模具钢必须具有很高的纯净度，致密度和均匀性以及与大型模具相匹配的大尺寸，还有尽量宽的模具适用性，最大限度降低因模具材料选取不当导致的模具失效风险。
发明内容
本发明通过提出一种含Nb的ZW633大型模具模芯用钢及其制备方法。采用成分优化设计、合理设计微观结构及所述的制备工艺，高温扩散技术、独创的大模块芯部锻透锻造技术、超细化处理技术、水空交替水冷技术以及多次回火技术的应用，有效改善大模块芯部锻透、组织均匀性、组织致密性以及硬度均匀性等问题，从而提高了模具的综合使用性能，解决了背景技术中存在的问题。
具体通过如下技术手段实现：
一种模芯用含Nb大型塑料模具钢，所述模具钢按质量百分比含量计为：C：0.35～0.45％，Si：0.20～0.40％，Mn：1.30～1.60％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：1.80～2.10％，Ni：0.90～1.10％，Mo：0.35～0.50％，Nb：0.01～0.05％，Als：0.015～0.030％，Cu≤0.25％，O≤20ppm，N：60～100ppm，H≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述模具钢微观结构中，淬火组织的表层至表层向下100mm之间的范围内为马氏体，表层向下100mm以下的内部为贝氏体组织，经高温回火后为回火索氏体组织；成品晶粒度达到7级，单个晶粒最大等效粒径为32μm。
作为优选，所述模具钢按质量百分比含量计为：C：0.35～0.40％，Si：0.20～0.30％，Mn：1.45～1.60％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：2.00～2.10％，Ni：1.00～1.10％，Mo：0.35～0.45％，Nb：0.02～0.03％，Als：0.015～0.030％，Cu：0.03～0.25％，O≤20ppm，N：60～100ppm，H≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。
所述的模芯用含Nb大型塑料模具钢的制备方法，包括如下步骤：
(1)锻前处理，按照权利要求1或2的组分含量进行含Nb模具钢的冶炼和铸造得到钢锭，在进入锻造之前进行如下的操作：将钢锭加热到300-600℃，按0.18～0.22min/mm保温，然后以35～60℃/h的升温速度加热到630～680℃，按0.20～0.23min/mm保温，然后以60～80℃/h的升温速度加热到830～860℃，按0.23～0.26min/mm保温，然后以60～80℃/h的升温速度加热到1210～1250℃，保温1.8～2.1h后出炉进行压钳把和切锭尾工序，然后再次入炉将钢锭保持在1210～1250℃保温时间按0.58～0.62min/mm进行，保温结束后进行一次墩粗和一次拔长工序，然后继续保持在1210～1250℃进行高温扩散保温，保温时间为2.5～2.8min/mm，保温结束后出炉进行锻造步骤；
(2)锻造，开锻温度为1050～1150℃(优选1100℃)，锻造比为4～8，终锻温度为＞850℃；
(3)热处理，将锻造之后得到的半成品空冷至其表面温度为450～550℃后装炉，500℃保温4h，然后以30～60℃/h的速度加热至850～880℃，按1.8～2.2min/mm保温，以≤30℃/h炉冷至650-700℃，按1.3～1.6min/mm保温，以≤30℃/h炉冷至300-450℃，然后以30～60℃/h的速度加热至630～660℃，按2.3～2.5min/mm保温，然后以60～80℃/h的速度加热至880～910℃，按1.3～1.6min/mm保温，然后出炉风冷至半成品表面温度为450～600℃后回炉，498～505℃保温5～5.2h，然后再以30～60℃/h的速度加热至630～660℃，按5.8～6.2min/mm保温，再以60～80℃/h的速度加热至860～930℃，按1.3～1.6min/mm保温后，进行调质处理；
(4)调质处理，调质处理的冷却工艺采用多段式水空交替方式：将热处理之后得到的半成品空冷至700-760℃后入水冷至芯部为498～505℃后出水，空冷178～183s入水，水冷至芯部398～402℃后出水，空冷178～182s后入水，水冷至芯部298～303℃后出水，空冷88～92s后入水，水冷至芯部248～252℃后出水，出水后进行返温，返温至最高温，降至200-270℃后装炉进行回火处理；
(5)一次回火：将调质处理后得到的半成品装入回火炉中，在200-300℃的炉温中保温9.8～10.2h，然后以38～42℃/h的速率升温至530-600℃后进行保温，保温时间为2.8～3.2min/mm，保温结束后出炉空冷至室温；
(6)二次回火：将一次回火之后的半成品室温入炉，然后以38～42℃/h的速率升温至520-590℃，保温时间为2.8～3.2min/mm，保温结束后出炉空冷至室温，得到模芯用含Nb大型塑料模具钢成品。
模芯用含Nb大型塑料模具钢的用途，具体是用于大型塑料模具的模芯用钢。
作为优选，所述模芯用含Nb大型塑料模具钢采用前述制备方法制得，且用于大型塑料模具的模芯用钢。
上述步骤1中工艺优选为：
锻前处理，按照上述组分含量进行含Nb模具钢的冶炼和铸造得到钢锭，在进入锻造之前进行如下的操作：将钢锭加热到300-600℃，按0.20min/mm保温，然后以35～60℃/h的升温速度加热到630～680℃，按0.22min/mm保温，然后以60～80℃/h的升温速度加热到830～860℃，按0.25min/mm保温，然后以60～80℃/h的升温速度加热到1210～1250℃，保温2h后出炉进行压钳把和切锭尾工序，然后再次入炉将钢锭保持在1210～1250℃保温时间按0.60min/mm进行，保温结束后进行一次墩粗和一次拔长工序，然后继续保持在1210～1250℃进行高温扩散保温，保温时间为2.6min/mm，保温结束后出炉进行锻造步骤；
进一步的优选为：
将钢锭加热到350℃，按0.20min/mm计算保温后，以60℃/h的升温速度加热到650℃，按0.22min/mm计算保温后，以80℃/h的升温速度加热到850℃，按0.25min/mm计算保温后，以60～80℃/h的升温速度加热到1240℃，保温2h后出炉进行压钳把和切锭尾工序，然后继续入炉将钢锭保持在1240℃继续按0.60min/mm计算保温后，进行一次墩粗和一次拔长工序，然后继续保持在1240℃进行高温扩散保温，按2.6min/mm计算保温后出炉进行锻造；
锻造工艺，开锻温度为1100℃，锻造比为6，大规格模块采用换向锻造工艺，终锻温度为850℃；
上述步骤3中热处理工艺优选为：将锻造之后得到的模块空冷至其表面温度为500～550℃后装炉，500℃保温4h，然后以60℃/h的速度加热至860℃，按2min/mm保温，以≤30℃/h炉冷至680℃，按1.5min/mm保温，以≤30℃/h炉冷至350℃，然后以60℃/h的速度加热至650℃，按2.4min/mm计算保温后，以80℃/h的速度加热至890℃，按1.5min/mm计算保温后，出炉风冷至模块表面温度为550-600℃，回炉500℃保温5h，然后再以60℃/h的速度加热至650℃，按6min/mm计算保温后，再以80℃/h的速度加热至870-930℃，按1.5min/mm计算保温后，入水进行调质处理。
本发明所谓ZW633为本发明含Nb的大型塑料模具钢的牌号名称。
本发明的效果在于：
1、通过合理的成分设计，适当提高Mo的含量，Mo有细化晶粒，提高淬透性和热强性能的作用，在工具钢中可提高红硬性，抑制合金钢回火脆性。添加适量微合金化元素Nb，提高钢的粗化温度，起到细化晶粒的目的。Nb为强碳化物形成元素，同时可提高钢的淬透性，在钢中添加适量Nb，淬火时可使大模块芯部形成细小的贝氏体组织，回火后弥散析出细小的NbC颗粒，可提高钢的强度和抗回火性，改善钢的锯切加工性能，回火温度可由520℃提高至600℃，有利于后续模具的进一步热处理，工艺宽度宽，可保证质量的稳定性；控制Als和N含量，从而可以进一步细化晶粒。
通过上述成分的合理设置，保证模具钢的淬透性，使得模块规格厚度最大到1300mm，内部组织均匀致密，硬度均匀性良好，满足目前模具向大型化方向发展的需求；保证了材料较高的抗回火性，回火温度530-600℃，为后续模具热处理提供了更宽的空间，降低了模具因热处理工艺不合理导致失效的风险。晶粒度达到7级，提高了模具的综合使用性能。
2、通过独特的锻造工艺，尤其是结合特定的锻前处理，使得最终探伤均可达到E/e级，芯部充分焊合锻透，保证材料内部组织的致密度。
通过不同回火温度使得硬度得到保障，最终得到30-40HRC的硬度范围，满足不同用途模具的硬度要求；进行两次回火，保证硬度均匀性≤±1.5HRC，材料具有良好的锯切加工性能。
3、通过进行锻后超细化处理，使得晶粒度≥6级，使得模具具有较高的综合力学性能；各类非金属夹杂物级别均≤1.0级，具有较高的纯净度。
附图说明
图1为本发明模芯用含Nb大型塑料模具钢500倍的金相组织。
图2为本发明模芯用含Nb大型塑料模具钢200倍下的晶粒度图。
图3为本发明实施例回火温度和回火硬度关系图。
图4为对比例2的100倍的晶粒度无法评级微观组织图。
图5为本发明实施例1的锯切面图。
图6为本发明实施例2的锯切面图。
具体实施方式
本发明各实施例的化学成分百分含量见表1。
表1各实施例化学成分百分含量(％)
实施例 C Si Mn P S Cr Ni Mo Nb
1 0.37 0.25 1.54 0.009 0.001 2.01 1.01 0.38——
2 0.38 0.26 1.52 0.010 0.001 2.02 1.02 0.37 0.025
3 0.37 0.24 1.53 0.009 0.002 2.01 1.05 0.37 0.060
按以上化学成分配比所列实施例1-3，根据上述制备方案制备出不同成分配比的塑料模具钢。
实施例1
实施例 C Si Mn P S Cr Ni Mo Nb
1 0.37 0.25 1.54 0.009 0.001 2.01 1.01 0.38 ——
不添加Nb。通过上述制备方法得到的塑料模具钢：
回火温度500-530℃，材料抗回火性差，回火曲线见图3；
硬度30-40HRC，同截面硬度均匀性≤±2HRC，芯部29HRC，大模块内外硬度差大(1200mm)；
晶粒度4-8级，容易出现混晶；
硬度为36-40HRC时，锯切时间较长，锯切面颜色暗淡，见图5。
实施例2
实施例 C Si Mn P S Cr Ni Mo Nb
2 0.38 0.26 1.52 0.010 0.001 2.02 1.02 0.37 0.025
添加0.025％的Nb。通过上述制备方法得到的塑料模具钢：
回火温度530-600℃，材料具有较强的抗回火性能，见图3；
硬度30-40HRC，同截面硬度均匀性≤±1.5HRC，芯部30-37HRC(根据硬度要求)，大模块内外硬度差小(1200mm)；
晶粒度6级或更高，晶粒大小均匀一致，具体见图2；
硬度为36-40HRC时，锯切时间较短，锯切面颜色光亮，见图6；
V口冲击值20.0J。
实施例3
实施例 C Si Mn P S Cr Ni Mo Nb
3 0.37 0.24 1.53 0.009 0.002 2.01 1.05 0.37 0.06
添加0.060％的Nb。通过上述制备方法得到的塑料模具钢：
回火温度530-600℃，材料具有较强的抗回火性能，见图3；
晶粒度6级或更高，组织图片中观察到液析，冲击韧性有下降趋势；
硬度为36-40HRC时，锯切时间较长，锯切过程中异响。
对比例1
在实施例2基础上，上述实施步骤3中锻造之后得到的模块空冷至其表面温度为300-400℃，模块的晶粒度无法评级(具体见图4)，需经过合理的热处理改善。
对比例2
在实施例2基础上，上述实施步骤3中出炉风冷至模块表面温度为150-200℃或300-400℃，晶粒粗大，为2-4级，需经过合理的热处理改善。
性能测试：
1200mm厚度模块的检测结果：C：0.38％，Si：0.26％，Mn：1.52％，P：0.010％，S：0.001％，Cr：2.02％，Ni：1.02％，Mo：0.37％，Nb：0.025％，Als：0.025％，Cu：0.05％，O：10ppm，N：65ppm，H：0.6ppm；硬度：34-37HRC；晶粒度：6.5级；非金属夹杂物：A类、C类和B细为0级，B粗和D类为0.5级；探伤E/e极。

Claims (3)

1.一种模芯用含Nb大型塑料模具钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)锻前处理，按照含Nb大型塑料模具钢的组分含量进行含Nb大型塑料模具钢的冶炼和铸造得到钢锭，所述含Nb大型塑料模具钢按质量百分比含量计为：C：0.35～0.45％，Si：0.20～0.40％，Mn：1.30～1.60％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：1.80～2.10％，Ni：0.90～1.10％，Mo：0.35～0.50％，Nb：0.01～0.05％，Als：0.015～0.030％，Cu≤0.25％，O≤20ppm，N：60～100ppm，H≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质；
在进入锻造之前进行如下的操作：将钢锭加热到300-600℃，按0.18～0.22min/mm保温，然后以35～60℃/h的升温速度加热到630～680℃，按0.20～0.23min/mm保温，然后以60～80℃/h的升温速度加热到830～860℃，按0.23～0.26min/mm保温，然后以60～80℃/h的升温速度加热到1210～1250℃，保温1.8～2.1h后出炉进行压钳把和切锭尾工序，然后再次入炉将钢锭保持在1210～1250℃，保温时间按0.58～0.62min/mm进行，保温结束后进行一次墩粗和一次拔长工序，然后继续保持在1210～1250℃进行高温扩散保温，保温时间为2.5～2.8min/mm，保温结束后出炉进行锻造步骤；
(2)锻造，开锻温度为1050～1150℃，锻造比为4～8，终锻温度为＞850℃；
(3)热处理，将锻造之后得到的半成品空冷至其表面温度为450～550℃后装炉，500℃保温4h，然后以30～60℃/h的速度加热至850～880℃，按1.8～2.2min/mm保温，以≤30℃/h炉冷至650-700℃，按1.3～1.6min/mm保温，以≤30℃/h炉冷至300-450℃，然后以30～60℃/h的速度加热至630～660℃，按2.3～2.5min/mm保温，然后以60～80℃/h的速度加热至880～910℃，按1.3～1.6min/mm保温，然后出炉风冷至半成品表面温度为450～600℃后回炉，498～505℃保温5～5.2h，然后再以30～60℃/h的速度加热至630～660℃，按5.8～6.2min/mm保温，再以60～80℃/h的速度加热至860～930℃，按1.3～1.6min/mm保温后，进行调质处理；
(4)调质处理，调质处理的冷却工艺采用多段式水空交替方式：将热处理之后得到的半成品空冷至700-760℃后入水冷至芯部为498～505℃后出水，空冷178～183s入水，水冷至芯部398～402℃后出水，空冷178～182s后入水，水冷至芯部298～303℃后出水，空冷88～92s后入水，水冷至芯部248～252℃后出水，出水后进行返温，返温至最高温，降至200-270℃后装炉进行回火处理；
(5)一次回火：将调质处理后得到的半成品装入回火炉中，在200-300℃的炉温中保温9.8～10.2h，然后以38～42℃/h的速率升温至530-600℃后进行保温，保温时间为2.8～3.2min/mm，保温结束后出炉空冷至室温；
(6)二次回火：将一次回火之后的半成品室温入炉，然后以38～42℃/h的速率升温至520-590℃，保温时间为2.8～3.2min/mm，保温结束后出炉空冷至室温，得到模芯用含Nb大型塑料模具钢成品；
所述含Nb大型塑料模具钢微观结构中，淬火组织的表层至表层向下100mm之间的范围内为马氏体，表层向下100mm以下的内部为下贝氏体组织，经高温回火后为回火索氏体组织；成品晶粒度达到7级，单个晶粒最大等效粒径为32μm。
2.权利要求1所述的模芯用含Nb大型塑料模具钢的制备方法，其特征在于，所述含Nb大型塑料模具钢按质量百分比含量计为：C：0.35～0.40％，Si：0.20～0.30％，Mn：1.45～1.60％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：2.00～2.10％，Ni：1.00～1.10％，Mo：0.35～0.45％，Nb：0.02～0.03％，Als：0.015～0.030％，Cu：0.05～0.25％，O≤20ppm，N：60～100ppm，H≤1.5ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.一种模芯用含Nb大型塑料模具钢的用途，其特征在于，所述模芯用含Nb大型塑料模具钢采用权利要求1或2的制备方法制得，且用于大型塑料模具的模芯用钢。
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