CN1091164C - 一种微合金化塑料模具钢的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微合金化贝氏体型塑料模具钢的制造方法，其化学成分为(重量%)：C0.20～0.30，Si0.10～0.60，Mn1.7～2.5，P0.035～0.08，S0.01～0.04，Mo0.20～0.50，V0.05～0.20，B0.0005～0.0050，Ca0.0005～0.010，N0.0050～0.0080，Ti/N＝3～4，其余为Fe和不可避免的杂质。该钢通过对合金成分进行设计，加入少量合金元素并降低碳当量，使其具有较高淬透性，轧/锻后不必调质热处理，只进行空冷即可使大截面模块整个截面获得粒状贝氏体组织及较好的机械、切削性能。
Description
本发明涉及一种模具钢，特别是用于制造塑料或胶木件的塑料模具钢。
目前，用于家用电器如电冰箱、电视机、洗衣机、空调、复印机、计算机上的塑料或胶木件制造的塑料模具钢的主要技术性能为：高淬透性，以保证大截面模具心部与表面具有基本相同的硬度和组织，良好的切削加工性能和较低的气割裂纹敏感性。使用时的硬度要求为：用于模架的钢硬度为VHN180～220、用于型腔的钢硬度为VHN260～320，现有技术中这两种钢的代表性钢种为S48C-55C和P20(P20+Ni)，前者在正火状态下使用，其组织为铁素体+珠光体；后者需进行调质处理，以得到回火马氏体。对于型腔用钢而言，为了保证大截面模块的高淬透性，现有技术中一般是以中碳钢为基础提高合金元素含量，然后进行调质处理，例如欧洲专利EP0247415A2公开了一种“合金钢、模块和其它锻造、铸造制品及其制造方法”，其合金成分为(重量％)C 0.12～0.75，Mn 0.3～1.5，Si痕量～1.0，Cr痕量～5.0，Ni痕量～2.0，Mo 0.05～3.0，V0.05～1.5，Nb痕量～0.3，P最大0.03，S痕量～0.05，Al 0.02～0.16或Ti 0.015～0.08或Zr 0.015～0.08中的至少二种，Al+2(Ti+Zr)总量约0.02～约0.16，其碳当量CE＝C+Mn/6+1/5(Cr+Mo+V)+1/15(Cu+Ni)＝0.87，碳当量很高。该钢的合金含量较高，并需要进行退火以及后续调质热处理，其综合成本更高，生产周期长。同时，由于大截面模块表面和中心在淬火过程(油冷)中的冷却速度的较大差别(比空冷时大)，其组织和硬度差距较大。而且由于在淬火过程中得到马氏体组织，大截面模块的淬火裂纹敏感性高。此外，由于其碳当量高，火焰气割敏感性高，而且焊接修补性能差。为了改善钢的切削加工性能，现有技术采用S或者S-Ca复合，如中国专利申请CN86103713A公开了一种“易切削高韧性塑料模具钢”，其成分为(重量％)：S 0.04～0.20，Ca 0.002～0.02，C 0.30～0.65，Ni 0.30～2.00，Mn 0.50～2.00，Cr 0.30～2.00，Mo 0.10～1.00，V 0.10～0.80，0＜Si＜1.0，碳当量CE＝1.02。该钢也需要进行调质热处理，同时太高S的将将形成太多的MnS，增加钢在使用过程中与塑料制品或者湿空气接触时的腐蚀倾向，为此需要加入其它合金元素来改善切削加工性能，以保证不损害耐腐蚀性能。
本发明的目的是得到一种塑料模具钢的制造方法，通过对合金成分进行设计，加入少量合金元素并降低碳当量，使其具有较好的切削性能，并得到较高的淬透性，因此不需要进行调质热处理即可获得较好的机械性能。
为实现上述目的，本发明提出了如下的技术解决方案：
其关键在于：通过对合金成分进行设计，使该钢在热加工后空冷条件下得到粒状贝氏体组织，可得到所需要的机械性能，而且其组织和硬度沿截面的分布比现有调质钢更为均匀。
本发明的微合金化塑料模具钢的化学成分为(重量％)：C0.20～0.30，Si 0.10～0.60，Mn 1.7～2.5，P 0.035～0.08，S 0.01～0.04，Mo 0.20～0.50，V 0.05～0.20，B 0.0005～0.0050，Ca0.0005～0.010，N 0.0050～0.010，Ti/N＝3～4，其余为Fe和不可避免的杂质。
上述微合金化塑料模具钢的化学成分为(重量％)：C 0.20～0.25，Si 0.10～0.40，Mn 1.85～2.0，P 0.035～0.05，S 0.01～0.03，Mo 0.20～0.35，V 0.05～0.15，B 0.0005～0.0030，Ca 0.0005～0.008，N 0.0050～0.0080，Ti/N＝3～4，其余为Fe和不可避免的杂质。
该模具钢在高温热加工后的冷却速度为0.02～0.5℃/秒。
图1为本发明微合金化贝氏体型塑料模具钢的连续冷却转变(CCT)曲线及不同冷却速度下的硬度。
图2为对比例(德国产420mm厚P20+Ni)钢模块沿截面的变化。
下面对本发明做进一步详细叙述：
本发明的关键是对其合金成分进行设计，控制关键性元素如C、Mn、Mo等，使该钢具有较高的贝氏体淬透性，因此仅在锻/轧后空冷情况下，整个截面的组织均为贝氏体，而且其硬度分布均匀；同时，复合加入P、S、Ca等，利用P对切削加工性能和耐腐蚀性能的有利影响，在改善钢的切削加工性能的同时兼顾耐腐蚀性能。并适量控制Ti和N，保证钢在高温轧制或者锻造时的奥氏体晶粒长大倾向小，以保证钢在热加工后直接空冷时(不需要调质处理)具有良好的机械性能。
本发明得到的贝氏体型塑料模具钢的化学成分(重量％)为：C0.20～0.30，Si 0.10～0.60，Mn 1.7～2.5，P 0.035～0.08，S 0.01～0.04，Mo 0.20～0.50，V 0.05～0.20，B 0.0005～0.0050，Ca0.0005～0.010，N 0.0050～0.010，Ti/N＝3～4，其余为Fe和不可避免的杂质。
下面介绍各个合金元素的作用：
C：0.20～0.30(重量％，以下同)，为了降低钢的碳当量，减少钢的气割裂纹敏感性，改善钢的焊接修补性能，需要降低碳当量，但碳含量太低不利于获得贝氏体组织，不能保证钢的硬度。
Si：0.10～0.60，适当Si含量可以帮助钢中脱氧，但太高则会提高钢的马氏体淬透性，增加钢的气割裂纹敏感性和恶化钢的焊接修补性能。
Mn：1.7～2.5，含量大于1.7时有助于获得贝氏体组织，太高则增高碳当量，增加钢的气割裂纹敏感性和恶化钢的焊接修补性能。
P：0.035～0.08，有助于改善钢的切削加工性能，并可改善钢的耐腐蚀性能，但P＞0.08％将会严重偏析，影响钢的均质性。
S：0.01～0.04，有助于改善切削加工性能，但如S＞0.04％，将会严重影响钢的耐腐蚀性能。
Mo：0.20～0.50，固溶于基体中强烈推迟铁素体和珠光体转变，特别有利于贝氏体组织的形成，但当其含量＞0.50％时会形成碳化物，影响其作用的发挥。
V：0.05～0.20，使钢在锻/轧后从铁素体中析出碳氮化物，以提高钢的硬度和强度。此外，加入V有利于贝氏体转变曲线的扁平化，从而有利于大截面模块组织沿截面的均匀分布，但V＞0.20％将严重降低钢的塑性和韧性。
B：0.0005～0.0050，B固溶于基体中将使钢的所有中温组织转变(铁素体、珠光体和贝氏体)强烈推迟，它和Mo复合加入有助于在很宽的冷速范围内均等得到贝氏体。但当其含量＞0.0050％时会形成碳化物，影响其作用的发挥。
Ca：0.0005～0.010，Ca使钢中氧化物和硫化物同时变性，并且使变性后硫化物将氧化物包裹，有利于改善钢的切削加工性能。由于蒸汽压大，Ca含量＞0.01％时不容易加入钢中。
N：0.0050～0.010，Ti/N＝3～4，Ti的作用是固定N，形成TiN，可以阻碍均热过程中奥氏体晶粒的长大，有利于改善钢的韧性。同时，避免BN的形成，可以充分发挥B的有效作用。太多的N将形成粗大的TiN，对切削性能不利。
下面结合效果介绍本发明的实施例。
在实验室非真空感应炉冶炼250公斤，其具体成分如表1示，钢锭经过不同压缩比锻造后经过空冷和砂冷，测定其硬度为VHN280，抗拉强度为1020MPa。在热模拟机上测定其动态CCT曲线，其加热和变形工艺为：1200℃均热10分钟后，冷至1100℃施以0.10的应变，再冷至1050℃施以0.30的应变，紧接着冷至1000℃施以0.10的应变，再以不同冷速(0.02～5℃/s)进行冷却至室温，观察其组织并测定其硬度。所得CCT曲线如图1示，可以看出，该钢在所有冷速范围内均为贝氏体组织，只是贝氏体形态不同，但冷速在0.02～1℃/s范围内，其组织均为粒状贝氏体，而且硬度均匀，只在VHN275～28范围内波动。该硬度和在锻后空冷/砂冷试样的硬度一样，说明该钢对热加工工艺不敏感，工业生产容易操作和实现。其中，0.02～0.5℃/s冷速相当于450mm厚度模块心部和表面时的冷速，这将表明450mm厚度模块心部和表面的组织均为粒状贝氏体，而且其硬度差别小于10VHN。为了进行对比，实验测定了工业生产的德国P20+Ni(718)钢420mm厚度模块的硬度沿截面的分布，如图2所示，可以看出其表面和心部硬度相差25VHN，这表明本发明的贝氏体塑料模具钢比P20(718)钢的硬度沿截面分布的均匀性更好。
与现有技术相比，本发明由于对合金成分进行设计，使该钢在热加工后直接空冷即可得到粒状贝氏体组织，用该钢制造的大截面模具不需要调质热以达到现有技术调质钢所具有的机械性能处理(硬度VHN260～320，抗拉强度850～1100MPa)，而且其组织和硬度沿截面的分布比现有调质钢更加均匀。该钢克服了调质钢成本高、生产周期长、淬火裂纹敏感性、高火焰气割敏感性高以及焊接裂纹修补性能差等众多缺点。同时该钢的成分设计综合了良好的切削加工性能和一定的耐腐蚀性能。
表1 本发明和对比例钢的化学成分
| 元素 | 本发明 | 对比例 | |||
| 1 | P20+Ni | CN86103713 | EP0247415 | ||
| 化学成分(重量％) | C | 0.22 | 0.38 | 0.50 | 0.42 |
| Mn | 1.88 | 1.50 | 1.0 | 0.70 | |
| P | 0.047 | ||||
| S | 0.021 | ||||
| Si | 0.42 | 0.25 | 0.25 | 0.25 | |
| Ti | 0.029 | ||||
| N | 0.074 | ||||
| V | 0.10 | 0.10 | 0.10 | ||
| Ca | 0.0030 | ||||
| Al | 0.030 | ||||
| B | 0.0027 | ||||
| Mo | 0.25 | 0.20 | 0.30 | 0.20 | |
| Cr | 1.80 | 1.0 | 1.2 | ||
| Ni | 1.0 | 1.0 | 0.40 | ||
| CE(碳当量) | 0.6 | 1.10 | 1.02 | 0.87 | |
Claims (3)
1.一种微合金化塑料模具钢的制造方法，其特征在于：该模具钢在高温热加工后空冷，它的化学成分为(重量％)：C 0.20～0.30，Si 0.10～0.60，Mn 1.7～2.5，P 0.035～0.08，S 0.01～0.04，Mo 0.20～0.50，V 0.05～0.20，B 0.0005～0.0050，Ca 0.0005～0.010，N 0.0050～0.010，Ti/N＝3～4，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的微合金化塑料模具钢的制造方法，其特征在于：该模具钢在高温热加工后空冷，它的化学成分为(重量％)：C 0.20～0.25，Si 0.1 0～0.40，Mn 1.85～2.0，P 0.035～0.05，S 0.01～0.03，Mo 0.20～0.35，V 0.05～0.15，B 0.0005～0.0030，Ca 0.0005～0.008，N 0.0050～0.0080，Ti/N＝3～4，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的微合金化塑料模具钢的制造方法，其特征在于：该模具钢在高温热加工后的冷却速度为0.02～0.5℃/秒。
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