CN107974623A - 一种塑料模具钢及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种塑料模具钢及其制作方法，属于金属材料技术领域，其技术特征为：一种塑料模具钢，包括以下质量百分比，碳0.26‑0.42%、硅0.30‑1.20%、锰0.2‑1.30%、铬1.40‑5.50%、钼0.45‑1.50%、钒0.08‑1.20%、镍0.8‑1.0%，其余为铁。其制作方法包括坯料检查和初炼，钢包精炼，真空脱气，氩气保护浇锭，多向锻造，正火、扩氢退火热处理，超声波预探伤检测，淬火、回火预硬化热处理，成品检测以及合格标识入库。本发明提高了塑料模具钢的机械加工性能，使其硬度均匀、具有较好的抛光性以及优异的焊接性能；通过添加钛和其他金属所制得的钛合金或者提高的碳含量和铬含量，有效的提高了塑料模具钢的机械强度、韧性和抗腐蚀性能；其制作方法降低了内应力，提高了塑料模具钢的抗拉强度和可塑性能。

Description

一种塑料模具钢及其制作方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，更具体地说，它涉及一种塑料模具钢及其制作方法。
背景技术
随着现代机械设备和制造技术的不断发展，对塑料模具钢零件的性能和质量都提出了越来越苛刻的要求，传统的模具钢材料是通过在炼制钢液的过程中加入一定数量的合金元素，使其在凝固过程中形成一定数量的一次碳化物，并通过热处理使再析出一定数量的二次碳化物，从而使得材料在保持一定韧性的基础还是囊，达到抗磨损的性能。
模具钢是用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种。模具是机械制造、无线电仪表、电机、电器等工业部门中制造塑料模具钢零件的主要加工工具，模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本，而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具材料和热处理的影响。
目前，现有的模具钢在锻压后会使得金属的晶格出现歪扭的现象，使得金属在加工的过程中变形不均匀，其内部出现较大的内应力，容易出现加工硬化的现象，此时影响了上述模具钢的延展性和韧性，使得操作者在加工或锻压上述模具钢时相对困难，因此需要提出一种新的技术方案来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的一在于提供一种塑料模具钢，提高了塑料模具钢的机械加工性能，使其硬度均匀、具有较好的抛光性以及优异的焊接性能。
为实现上述目的一，本发明提供了如下技术方案：一种塑料模具钢，包括以下质量百分比，碳0.26-0.42％、硅0.30-1.20％、锰0.2-1.30％、铬1.40-5.50％、钼0.45-1.50％、钒0.08-1.20％、镍0.8-1.0％，其余为铁。
通过采用上述技术方案，在塑料模具内添加硅、钒、钼、镍以及铬等金属元素后，提高了塑料模具钢的机械加工性能，使其硬度均匀、具有较好的抛光性能，同时还提高了注塑的生产率。
本发明进一步设置为：包括以下质量百分比，碳0.26-0.32％、硅0.30-0.5％、锰1.20-1.30％、铬1.40-1.50％、钼0.45-0.50％、钒0.08-0.12％、镍0.8-1.0％。
通过采用上述技术方案，在该配方中，锰和铬的含量控制在较好的水平，同时减少了铁元素，不仅有利于提高塑料模具钢的机械加工性能，使其硬度均匀、抛光性能出色，而且还能提高其耐腐蚀性能。
本发明进一步设置为：还包括0.8-1.0％的铝和3.5-4.2％的钛。
通过采用上述技术方案，在上述配方中添加铝和钛元素，由于钛的强度大，纯钛的抗拉强度最高可达180kg/mm2，钛和铝、镍等金属所形成的钛合金具有比优质钢更好的比强度(即抗拉强度和密度之比)。此外，钛合金还具有较好耐热强度、低温韧性和断裂韧性。同时钛合金的密度小，机械强度大，容易加工；在常温下，不会被稀盐酸、稀硫酸、硝酸或稀碱溶液所腐蚀；因此使得制得的塑料模具钢还具有良好的机械强度、韧性和抗腐蚀性能。
本发明进一步设置为：包括以下质量百分比，碳0.35-0.42％、硅0.80-1.20％、锰0.2-0.5％、铬4.50-5.50％、钼1.20-1.50％、钒0.8-1.20％、镍0.8-1.0％。
通过采用上述技术方案，上述塑料模具钢具有中高的碳含量和铬含量，能够有效的提高塑料模具钢的耐腐蚀性、强硬度和耐磨性能。
本发明进一步设置为：还包括0.010％以下的磷和0.010％以下的硫。
通过采用上述技术方案，使其不仅能够具有耐腐蚀以及较高的硬度，同时还具有较好的韧性、耐热冲击性、较好的纯净度和良好的加工性能和抛光性能。
针对现有技术存在的不足，本发明的目的二在于提供一种塑料模具钢的制作方法，能够降低金属的内应力，在保持其塑料模具钢机械强度的基础上，提高了塑料模具钢的抗拉强度和可塑性能。
为实现上述目的二，本发明提供了如下技术方案：一种塑料模具钢的制作方法，包括以下操作步骤，
步骤S1、坯料检查和初炼：将高炉铁水以及原材料筛选除杂后依次投入EF电弧炉中进行冶炼，经过脱碳、脱磷和脱氧后，初步合金化，加热至1600-1650℃，保温后得到初步纯净的钢水；
再到步骤S2、钢包精炼：将EF电弧炉中炼得的钢水转移到钢包中，再到EF电弧炉精炼，进一步脱氧及合金化处理；
步骤S3，真空脱气：将精炼后的钢水转移到真空炉中，持续朝着真空炉底部吹入氩气，同时真空保持15-18分钟后进一步脱气除杂后得到纯净的钢水；
步骤S4、氩气保护浇锭：在氩气的保护下，将步骤S3得到的纯净的钢水浇入到金属模子内进行浇锭处理，接着经冷却、凝固后获得块状的坯锭；
步骤S5、多向锻造：将步骤S4中得到的坯锭在机械手的作用下转运到多向锻造机内，在900-1200℃的锻造温度下进行锻造处理，得到锻件；
步骤S6、正火、扩氢退火热处理：将步骤S5得到的锻件将加热到230-260℃内保温，保温时间持续20-35min；接着在30min以内升温至420-450℃进行二次保温处理，二次保温10-20min后在8-10min内温度加热至580-620℃，进行保温脱氢；随后在10-15min内快速冷却至400℃，保温5-10min；然后在3-5min内冷却至260-300℃进行保温，保温30-40min后继续快速降温至210-220℃，静置待用；
步骤S7、超声波预探伤检测：将步骤S6得到的模具钢件经超探仪进行超声波探测处理；
步骤S8、淬火、回火预硬化热处理：将模具钢件再次加热至500-600℃，保温1-2h后继续升温至870-890℃再次保温1-2h后进行淬火处理，并在淬火液中冷却至80-90℃；接着将淬火后的模具钢件再次放入电加热炉中加热至560-680℃进行预硬化回火处理，保温0.5-1h，随炉冷却后出炉；
步骤S9、成品检测以及合格标识入库。
通过采用上述技术方案，在步骤S2中，钢包精炼LF是钢包精炼型炉外精炼的简称。其特点是比钢包处理的精炼时间长(约60～180分钟)，具有多种精炼功能，有补偿钢水温度降低的加热装置，适于各类高合金钢和特殊性能钢种(如超纯钢种)的精炼。
此外，上述LF的设置减少了电弧炉还原时间，最终取消了电弧炉的还原期。缩短了电弧炉的冶炼周期，提高了电弧炉的生产率，同时在一定时间内为浇注提供符合温度、成分及洁净度要求的钢液，保证了电弧炉+LF精炼+浇注工艺的顺行，使电弧炉发展成为可以用普通废钢和生铁生产普通钢种的高效率的短流程炼钢方式，而不再仅仅是生产高质量钢种的设备。电弧炉发展的第一阶段是包括熔化、氧化、还原的传统型电弧炉。第二阶段是由于电弧炉炉型(出钢槽式电弧炉)的原因，为避免氧化渣污染钢液及发挥钢渣脱氧、脱硫的作用，在电弧炉内必须造好还原渣。钢渣混出，由LF来完成进一步还原精炼的任务。第三阶段是由于无渣出钢技术的开发，还原期全部由LF精炼来完成，也即形成了现代电弧炉炼钢流程EF+LF+VD的形式。
在步骤S5中，多向锻造是一种自由锻工艺，其工艺原理形变中材料随外加载荷轴向变化而不断被压缩和拉长，通过反复变形达到细化晶粒、改善性能的效果；能够在保持较好的塑韧性下，显著地提高材料的强度。
在步骤S6中，正火又称常化，是将工件加热至Ac，(Ac是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的临界温度，一般是从727℃到912℃之间)或Acm(Acm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线)以上的30-50℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化提高硬度，能有效的改善加工性能，去除材料的内应力，稳定工件的尺寸，防止变形与开裂。
在步骤S7中，超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查塑料模具钢零件缺陷的一种方法，当超声波束自塑料模具钢零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与塑料模具钢零件底面时就分别发生反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。由此方便了操作者检测不合格工件，提高了塑料模具钢整体的质量和性能。
在步骤S8中，淬火的目的是能够使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足了各种机械塑料模具钢零件和工具的使用要求；大大提高了塑料模具钢的适用范围。
由此经过步骤S1-9的整个制作流程能够降低金属的内应力，在保持其塑料模具钢机械强度的基础上，提高了塑料模具钢的抗拉强度和可塑性能。
本发明进一步设置为：在步骤S8进行淬火回火处理后，将模具钢件再次采用超探仪进行超声波探测处理。
通过采用上述技术方案，通过再次采用超探仪进行二次复探，可以进一步检查塑料模具钢零件缺陷，严格把控上述塑料模具钢的质量。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提高了塑料模具钢的机械加工性能，使其硬度均匀、具有较好的抛光性以及优异的焊接性能；
2、通过添加钛和其他金属所制得的钛合金，有效的提高了塑料模具钢的机械强度、韧性和抗腐蚀性能；
3、通过在塑料模具钢具有中高的碳含量和铬含量，也能有效的提高塑料模具钢的耐腐蚀性、强硬度和耐磨性能；
4、其制作方法能够降低金属的内应力，在保持其塑料模具钢机械强度的基础上，提高了塑料模具钢的抗拉强度和可塑性能。
附图说明
图1为本实施例1的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例1：一种塑料模具钢，包括以下质量百分比：碳0.26％、硅0.30％、锰1.30％、铬1.40％、钼0.45％、钒0.08％、镍1.0％。
如图1所示，一种塑料模具钢的制作方法，包括以下操作步骤：
步骤S1、坯料检查和初炼：将高炉铁水以及原材料筛选除杂后依次投入EF电弧炉中进行冶炼，经过脱碳、脱磷和脱氧后，初步合金化，加热至1600-1650℃，保温后得到初步纯净的钢水；
再到步骤S2、钢包精炼：将EF电弧炉中炼得的钢水转移到钢包中，再到EF电弧炉精炼，进一步脱氧及合金化处理；
步骤S3，真空脱气：将精炼后的钢水转移到真空炉中，持续朝着真空炉底部吹入氩气，同时真空保持15-18分钟后进一步脱气除杂后得到纯净的钢水；
步骤S4、氩气保护浇锭：在氩气的保护下，将步骤S3得到的纯净的钢水浇入到金属模子内进行浇锭处理，接着经冷却、凝固后获得块状的坯锭；
步骤S5、多向锻造：将步骤S4中得到的坯锭在机械手的作用下转运到多向锻造机内，在900-1200℃的锻造温度下进行锻造处理，得到锻件；
步骤S6、正火、扩氢退火热处理：将步骤S5得到的锻件将加热到230-260℃内保温，保温时间持续20-35min；接着在30min以内升温至420-450℃进行二次保温处理，二次保温10-20min后在8-10min内温度加热至580-620℃，进行保温脱氢；随后在10-15min内快速冷却至400℃，保温5-10min；然后在3-5min内冷却至260-300℃进行保温，保温30-40min后继续快速降温至210-220℃，静置待用；
步骤S7、超声波预探伤检测：将步骤S6得到的模具钢件经SUT-518C全数字超声波探伤仪进行超声波探测处理；
步骤S8、淬火、回火预硬化热处理：将模具钢件再次加热至500-600℃，保温1-2h后继续升温至870-890℃再次保温1-2h后进行淬火处理，并在淬火液中冷却至80-90℃；接着将淬火后的模具钢件再次放入电加热炉中加热至560-680℃进行预硬化回火处理，保温0.5-1h，随炉冷却后出炉；
步骤S9、成品检测以及合格标识入库。
检测结果：
根据国际标准化组织(ISO)、美国材料试验协会(ASTM)和我国国家标准GB10561-89将高倍金相夹杂物分为4类，即A类(硫化物类)、B类(氧化铝类)、C类(硅酸盐类)和D类(球状或点状氧化物类)，其检测结果如表1所示。
表1实施例1的非金属夹杂物检测
拉伸试验检测结果显示：纵向拉抗强度(Rm)为766MPa；屈服强度(Rp0.2)555MPa；拉伸率23％；收缩率35％，冲击试验(AKU2)为26J。横向拉抗强度(Rm)为766MPa；屈服强度(Rp0.2)为599MPa；拉伸率23％；收缩率37％，冲击试验(AKU2)为23J。
布氏硬度检测的方法：采用3000kg的载荷把直径为10mm的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2(N/mm2)。其检测的布氏硬度为239HB。
超声波探伤等级为EN10228-3class4。
实施例2：一种塑料模具钢，包括以下质量百分比：碳0.35％、硅0.30％、锰1.20％、铬1.50％、钼0.45％、钒0.08％、镍1.0％。
检测结果：
根据国际标准化组织(ISO)、美国材料试验协会(ASTM)和我国国家标准GB10561-89将高倍金相夹杂物分为4类，即A类(硫化物类)、B类(氧化铝类)、C类(硅酸盐类)和D类(球状或点状氧化物类)，其检测结果如表2所示。
表2实施例2的非金属夹杂物检测
拉伸试验检测结果显示：纵向拉抗强度(Rm)为806MPa；屈服强度(Rp0.2)585MPa；拉伸率23％；收缩率35％，冲击试验(AKU2)为26J。横向拉抗强度(Rm)为816MPa；屈服强度(Rp0.2)为600MPa；拉伸率24％；收缩率37％，冲击试验(AKU2)为23J。
布氏硬度检测的方法：采用3000kg的载荷把直径为10mm的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2(N/mm2)。其检测的布氏硬度为242HB。
超声波探伤等级为EN10228-3class4。
实施例3：一种塑料模具钢，包括以下质量百分比：碳0.26％、硅0.30％、锰1.30％、铬1.80％、钼0.45％、钒0.09％、镍1.0％，其余为铁。
检测结果：
根据国际标准化组织(ISO)、美国材料试验协会(ASTM)和我国国家标准GB10561-89将高倍金相夹杂物分为4类，即A类(硫化物类)、B类(氧化铝类)、C类(硅酸盐类)和D类(球状或点状氧化物类)，其检测结果如表3所示。
表3实施例3的非金属夹杂物检测
布氏硬度检测的方法：采用3000kg的载荷把直径为10mm的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2(N/mm2)。其检测的布氏硬度为302HB。
超声波探伤等级为EN10228-3class4。
实施例4：一种塑料模具钢，包括以下质量百分比：碳0.35％、硅1.0％、锰0.25％、铬4.85％、钼1.30％、钒1.0％、镍0.8％，其余为铁。
检测结果：
根据国际标准化组织(ISO)、美国材料试验协会(ASTM)和我国国家标准GB10561-89将高倍金相夹杂物分为4类，即A类(硫化物类)、B类(氧化铝类)、C类(硅酸盐类)和D类(球状或点状氧化物类)，其检测结果如表4所示。
表4实施例4的非金属夹杂物检测
布氏硬度检测的方法：采用3000kg的载荷把直径为10mm的钨一硬质合金钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2(N/mm2)。其检测的布氏硬度为229HB。
超声波探伤等级为EN10228-3class3。
实施例5：一种塑料模具钢，包括以下质量百分比：碳0.35％、硅1.0％、锰0.25％、铬4.85％、钼1.30％、钒1.0％、镍0.8％、磷0.02％以及硫0.02％。
检测结果：
根据国际标准化组织(ISO)、美国材料试验协会(ASTM)和我国国家标准GB10561-89将高倍金相夹杂物分为4类，即A类(硫化物类)、B类(氧化铝类)、C类(硅酸盐类)和D类(球状或点状氧化物类)，其检测结果如表5所示。
表5实施例5的非金属夹杂物检测
实施例5的塑料模具钢，物理性质如表6所示
表6实施例5的物理性能
布氏硬度检测的方法：采用3000kg的载荷把直径为10mm的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2(N/mm2)。其检测的布氏硬度为228HB。
超声波探伤等级为EN10228-3class4。
实施例6：一种塑料模具钢，包括以下质量百分比：碳0.32％、硅0.30％、锰1.20％、锰1.40％、钼0.45％、钒0.08％、镍0.8％、铝0.8％和钛4.0％。
检测结果：
根据国际标准化组织(ISO)、美国材料试验协会(ASTM)和我国国家标准GB10561-89将高倍金相夹杂物分为4类，即A类(硫化物类)、B类(氧化铝类)、C类(硅酸盐类)和D类(球状或点状氧化物类)，其检测结果如表7所示。
表7实施例6的非金属夹杂物检测
布氏硬度检测的方法：采用3000kg的载荷把直径为10mm的钨一硬质合金钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2(N/mm2)。其检测的布氏硬度为225HB。超声波探伤等级为EN10228-3class3。
实施例7：一种塑料模具钢，包括以下质量百分比：碳0.30％、硅0.30％、锰1.25％、锰1.50％、钼0.50％、钒0.10％、镍0.8％、0.8％的铝和3.5％的钛。
检测结果：
根据国际标准化组织(ISO)、美国材料试验协会(ASTM)和我国国家标准GB10561-89将高倍金相夹杂物分为4类，即A类(硫化物类)、B类(氧化铝类)、C类(硅酸盐类)和D类(球状或点状氧化物类)，其检测结果如表8所示。
表8实施例7的非金属夹杂物检测
布氏硬度检测的方法：采用3000kg的载荷把直径为10mm的钨一硬质合金钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2(N/mm2)。其检测的布氏硬度为229HB。超声波探伤等级为EN10228-3class3。
具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种塑料模具钢，其特征在于：所述塑料模具钢的化学成分中各主要合金元素的质量百分比为碳0.26-0.42%、硅0.30-1.20%、锰0.2-1.30%、铬1.40-5.50%、钼0.45-1.50%、钒0.08-1.20%、镍0.8-1.0%，其余为铁。
2.根据权利要求1所述的一种塑料模具钢，其特征在于：所述塑料模具钢的化学成分中各主要合金元素的质量百分比为碳0.26-0.32%、硅0.30-0.5%、锰1.20-1.30%、铬1.40-1.50%、钼0.45-0.50%、钒0.08-0.12%、镍0.8-1.0%。
3.根据权利要求2所述的一种塑料模具钢，其特征在于：还包括0.8-1.0%的铝和3.5-4.2%的钛。
4.根据权利要求1所述的一种塑料模具钢，其特征在于：所述塑料模具钢的化学成分中各主要合金元素的质量百分比为碳0.35-0.42%、硅0.80-1.20%、锰0.2-0.5%、铬4.50-5.50%、钼1.20-1.50%、钒0.8-1.20%、镍0.8-1.0%。
5.根据权利要求4所述的一种塑料模具钢，其特征在于：还包括0.010%以下的磷和0.010%以下的硫。
6.一种根据权利要求1-5中任意一项所述的塑料模具钢的制作方法，其特征在于：包括以下操作步骤，
步骤S1、坯料检查和初炼：将高炉铁水以及原材料筛选除杂后依次投入EF电弧炉中进行冶炼，经过脱碳、脱磷和脱氧后，初步合金化，加热至1600-1650℃，保温后得到初步纯净的钢水；
再到步骤S2、钢包精炼：将EF电弧炉中炼得的钢水转移到钢包中，再到EF电弧炉精炼，进一步脱氧及合金化处理；
步骤S3，真空脱气：将精炼后的钢水转移到真空炉中，持续朝着真空炉底部吹入氩气，同时真空保持15-18分钟后进一步脱气除杂后得到纯净的钢水；
步骤S4、氩气保护浇锭：在氩气的保护下，将步骤S3得到的纯净的钢水浇入到金属模子内进行浇锭处理，接着经冷却、凝固后获得块状的坯锭；
步骤S5、多向锻造：将步骤S4中得到的坯锭在机械手的作用下转运到多向锻造机内，在900-1200℃的锻造温度下进行锻造处理，得到锻件；
步骤S6、正火、扩氢退火热处理：将步骤S5得到的锻件将加热到230-260℃内保温，保温时间持续20-35 min；接着在30 min以内升温至420-450℃进行二次保温处理，二次保温10-20min后在8-10 min内温度加热至580-620℃，进行保温脱氢；随后在10-15 min内快速冷却至400℃，保温5-10 min；然后在3-5 min内冷却至260-300℃进行保温，保温30-40 min后继续快速降温至210-220℃，静置待用；
步骤S7、超声波预探伤检测：将步骤S6得到的模具钢件经超探仪进行超声波探测处理；
步骤S8、淬火、回火预硬化热处理：将模具钢件再次加热至500-600℃，保温1-2 h后继续升温至870-890℃再次保温1-2 h后进行淬火处理，并在淬火液中冷却至80-90℃；接着将淬火后的模具钢件再次放入电加热炉中加热至560-680℃进行预硬化回火处理，保温0.5-1h，随炉冷却后出炉；
步骤S9、成品检测以及合格标识入库。
7.根据权利要求6所述的一种塑料模具钢的制作方法，其特征在于：在步骤S8进行淬火回火处理后，将模具钢件再次采用超探仪进行超声波探测处理。
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