CN109207856B - 含氮塑料模具扁钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢铁冶炼技术领域，具体涉及一种含氮塑料模具扁钢及其生产方法。针对现有通过添加耐蚀元素来提升塑料模具钢的方法成本高、效果不好的问题，本发明提供一种含氮塑料模具扁钢，其化学成分为：按重量百分比计，C 0.35～0.45％、Si 0.3～0.5％、Mn 0.3～0.6％、Cr 13.0～14.0％、N 0.06～0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供了上述含氮塑料模具扁钢的生产方法，包括冶炼和轧制过程，其在冶炼时直接吹入氮气进行合金化。本发明的含氮塑料模具扁钢退火硬度更大，耐腐蚀性能增强。其制备方法操作简单，成本低，效果更好，适宜推广使用。

Description

含氮塑料模具扁钢及其生产方法
技术领域
本发明属于钢铁冶炼技术领域，具体涉及一种含氮塑料模具扁钢及其生产方法。
背景技术
塑料模具钢是一种用于塑料制作的模具钢。随着塑料制品在国民生产、生活中的广泛应用,塑料模具的制造对塑料模具钢的需求也越来越大。在塑料制品中，模具的质量是保证塑料制品质量的基本条件。
目前，塑料模具已经走向大型化、精密化、多腔化的发展方向，对塑料模具钢的性能提出了更高的要求，其中对尺寸精度、组织均匀性、耐蚀性和可抛光性的要求更加苛刻。尤其是耐腐蚀性能对模具的使用寿命和表面质量影响最大。为了提高塑料模具钢的耐腐蚀性能，一般通过添加各种耐蚀元素来达到，但增加耐蚀元素会增加生产成本，并且耐腐蚀性能提高不明显。
专利“一种具有抗腐蚀性的塑料模具钢及其制造方法”提供了一种具有抗腐蚀性的塑料模具钢，该专利中加入了价格昂贵的镍和钼元素，其目的一方面这两种元素本身可提高钢的耐蚀性，另一方面是为了固定加入质量分数为0.1％～0.15％的氮元素.尽管该方案能有效提高钢的耐蚀性能，但生产成本将会大幅度增加。再者，该专利并未详细叙述其冶炼工艺，而如此高的氮含量将会带来极大的冶炼难度。若炼钢工艺选择不当，将会造成严重的钢锭质量问题，并大幅度降低钢的耐蚀性能。
因此，现有方法中还缺乏一种有效的提高耐腐蚀性能的含氮塑料模具钢的生产方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：现有通过添加耐蚀元素来提升塑料模具钢的方法成本高、效果不好的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案为：提供一种含氮塑料模具扁钢。本发明的含氮塑料模具扁钢的化学成分为：按重量百分比计，C 0.35～0.45％、Si 0.3～0.5％、Mn0.3～0.6％、Cr 13.0～14.0％、N 0.06～0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。
其中，上述含氮塑料模具扁钢中，所述杂质中Ni≤0.2％，Al≤0.02％，P≤0.022％，S≤0.005％，O≤0.003％，H≤0.0002％。
本发明还提供了一种上述含氮塑料模具扁钢的生产方法，包括以下步骤：
a、冶炼
将冶炼原料在电炉中熔融，熔融温度为1600～1650℃；熔融后转入AOD炉中，向炉内同时吹入氧气和氮气，吹入15～25min后，停止吹入氧气，加入硅铁还原，继续吹入氮气15～25min；再加入铝块，10～15min后停止吹入氮气，出钢；出钢后转入LF炉精炼，在温度1530～1550℃下出炉，将钢液浇注入钢锭模中，得到含氮塑料模具钢扁锭；
b、轧制
将步骤a得到的扁锭加热至720～750℃，保温2～4h后，再次加热至1210～1230℃，保温4～5.5h，出炉轧制；第20道次轧制完成后，将得到的中间坯返回加热炉中进行成分均匀化处理，出炉，继续轧制至厚度80～180mm，空冷至温度≤300℃，进行退火处理，得到含氮塑料模具扁钢。
其中，上述含氮塑料模具扁钢的生产方法中，步骤a所述冶炼原料为废钢、电解锰、硅锰、碳锰或高铬铁中的至少一种。
其中，上述含氮塑料模具扁钢的生产方法中，步骤a所述吹入氧气和氮气的出口压力为2.0～2.5Mpa。
其中，上述含氮塑料模具扁钢的生产方法中，步骤a所述氮气的纯度≥99.9％。
其中，上述含氮塑料模具扁钢的生产方法中，步骤b所述加热速度为50～100℃/h。
其中，上述含氮塑料模具扁钢的生产方法中，步骤b所述轧制时第1～35轧制道次，每道次压下量10～15mm，36道次及以后，每道次压下量为20～25mm，轧制转速为300～350转/分。
其中，上述含氮塑料模具扁钢的生产方法中，步骤b所述成分均匀化处理时升温速度为50～100℃/h，保温温度为1200～1220℃，保温时间为15～20h。
其中，上述含氮塑料模具扁钢的生产方法中，步骤b所述退火处理的具体操作为：先按50～100℃/h的升温速度加热至860～890℃，保温4～6h，然后随炉冷却至温度≤500℃，出炉空冷至室温。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种含氮塑料模具扁钢，钢成分中N含量为0.06～0.08％，与其余元素配合，共同使得该塑料模具扁钢的退火硬度更大，耐腐蚀性能增强。特别的，本发明还提供了一种专门针对该含氮塑料模具扁钢的生产方法，通过直接吹入氮气的方式进行合金化，能够有效将钢中N成分调整到适宜范围内，相比加入含氮合金，吹入氮气操作简单，成本低，效果更好。本发明制备含氮塑料模具扁钢的方法操作简单，成本低，适宜推广使用。
具体实施方式
本发明提供了一种含氮塑料模具扁钢，化学成分为：按重量百分比计，C 0.35～0.45％、Si 0.3～0.5％、Mn 0.3～0.6％、Cr 13.0～14.0％、N 0.06～0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。
其中，上述含氮塑料模具扁钢中，所述杂质中Ni≤0.2％，Al≤0.02％，P≤0.022％，S≤0.005％，O≤0.003％，H≤0.0002％。
本发明在常规塑料模具钢成分基础上添氮降碳，氮和碳同属于间隙固溶原子，氮的加入所引起的固溶强化效果是碳的数倍到数十倍，因此可降低塑料模具钢中碳元素的含量，在热处理过程中降低耐蚀元素铬的消耗，进而增加塑料模具钢的耐腐蚀性能。另外，本发明增加氮成分的含量，能提高奥氏体的稳定性，增加奥氏体温度区间，使淬火后工件变形小。再者，热处理过程中氮化物可细小且弥散地从基体中析出，可显著提高塑料模具钢的强度和硬度，而韧性损失较小。细小弥散的析出物可显著提高塑料模具钢的抛光性能。
由此可见，本发明提供的含氮塑料模具扁钢相比现有的塑料模具钢，具有更优异的耐腐蚀性能、强度、硬度和抛光性能等，使用范围更广泛，经济效益更明显。
针对本发明提供的含氮塑料模具扁钢，本发明还提供了一种配套的生产方法，包括以下步骤：
a、冶炼
将冶炼原料在电炉中熔融，熔融温度为1600～1650℃；熔融后转入AOD炉中，向炉内同时吹入氧气和氮气，吹入15～25min后，停止吹入氧气，加入硅铁还原，继续吹入氮气15～25min；再加入铝块，10～15min后停止吹入氮气，出钢；出钢后转入LF炉精炼，在温度1530～1550℃下出炉，将钢液浇注入钢锭模中，得到含氮塑料模具钢扁锭；
b、轧制
将步骤a得到的扁锭加热至720～750℃，保温2～4h后，再次加热至1210～1230℃，保温4～5.5h，出炉轧制；第20道次轧制完成后，将得到的中间坯返回加热炉中进行成分均匀化处理，出炉，继续轧制至厚度80～180mm，空冷至温度≤300℃，进行退火处理，得到含氮塑料模具扁钢。
其中，上述含氮塑料模具扁钢的生产方法中，为了节约生产成本，步骤a所述冶炼原料为废钢、电解锰、硅锰、碳锰或高铬铁中的至少一种。
其中，上述含氮塑料模具扁钢的生产方法中，为了将炉内金属进行有效的氧化，步骤a所述吹入氧气和氮气的出口压力为2.0～2.5Mpa。
其中，上述含氮塑料模具扁钢的生产方法中，步骤a所述氮气的纯度≥99.9％。
步骤a得到的含氮塑料模具钢扁锭大头尺寸为705×480mm、小头尺寸为640×380mm、长度为1420mm～1525mm；所用扁钢轧机的辊身长度为1150mm，辊径为890～900mm，属于两辊可逆轧机。
其中，上述含氮塑料模具扁钢的生产方法中，为了防止因加热速度过快产生热应力导致的钢锭开裂，步骤b所述加热速度为50～100℃/h。
其中，上述含氮塑料模具扁钢的生产方法中，为了更好地实现轧制咬入，步骤b所述轧制时第1～35轧制道次，每道次压下量10～15mm，36道次及以后，每道次压下量为20～25mm，轧制转速为300～350转/分。
其中，上述含氮塑料模具扁钢的生产方法中，为了尽可能减轻碳元素的偏析，步骤b所述成分均匀化处理时升温速度为50～100℃/h，保温温度为1200～1220℃，保温时间为15～20h。
其中，上述含氮塑料模具扁钢的生产方法中，为了消除组织应力、热应力，和细化组织，步骤b所述退火处理的具体操作为：先按50～100℃/h的升温速度加热至860～890℃，保温4～6h，然后随炉冷却至温度≤500℃，出炉空冷至室温。
本发明冶炼方法的关键在于步骤a中吹入了氮气，第一次吹入氮气，能够起到搅拌钢液，促进钢液中的金属元素合金化的作用，停止加入氧气后，再吹入氮气，一方面能够搅拌钢液，另一方面，能够将氮气溶入钢液中，增加钢成分中的氮含量。通过控制吹入氮气的时间，使得钢液中氮气含量在0.06～0.08％之内。
本发明通过在钢水冶炼时吹入氮气来增加钢中氮含量，操作简单，成本低，且能有效控制在适宜范围内，具有显著进步。
下面将通过实施例对本发明的具体实施方式做进一步的解释说明，但不表示将本发明的保护范围限制在实施例所述范围内。
实施例中使用的冶炼原料为1Cr13、2Cr13以及协议坯，冶炼原料的具体组成成分可不做具体要求，后续成分根据取样后调整。
实施例1用本发明方法制备含氮塑料模具扁钢
按以下步骤生产含氮塑料模具扁钢：
(1)取废钢(重量比为1Cr13:2Cr13:协议坯＝4:4:2)，置于30t电炉中进行初炼，温度为1640～1650℃，并取成分样(在后面AOD炉内调整成分)。
(2)将完全熔化的原料倒入AOD炉中，炉内气压为1个标准大气压，同时吹入氧气和氮气，气嘴出口压力为2.2MPa，时间为20min；然后，停止氧气吹入，只吹入氮气，时间为15min，并加入硅铁(还原硅铁质量按0.35％计算)105kg，取样并调整成分。
(3)步骤(2)完成后，继续吹入氮气，并加入55kg铝块，10min后停止氮气吹入，准备出钢。
(4)将钢液倒入LF炉中，加入精炼渣(CaO-Al2O3-SiO2基)200kg，在1个标准大气压下，将钢液温度调整至1550℃后开始浇钢。
(5)将LF炉中钢液通过浇注系统浇入钢锭模中，最终得到8支分别重约3.2t的扁锭。
(6)3.2t钢锭脱膜后，装入加热炉，按100℃/h的加热速度加热至730℃，保温4h后，再次按100℃/h的速度加热至1230℃，保温4h，出炉。
(7)按表1所示轧制压下量分配进行轧制成扁钢坯，轧辊转速为320转/分，分别得到厚度为180mm(34道次轧制)和130mm(36道次轧制)的塑料模具扁钢。
表1轧制压下量分配表(单位：mm)
Figure BDA0001831859370000051
(8)在步骤(7)实施过程中，在轧制20道次后，回炉，按100℃/h的升温速率加热至1220℃，并保温18h，然后再出炉开始第21道次轧制。
(9)将得到的180mm和130mm厚塑料模具扁钢在300℃以下装入退火炉，按100℃/h的加热速度加热至890℃，保温6h，然后随炉冷却至500℃，出炉空冷至室温，探伤、取样检验、锯切、入库。
(10)按步骤(9)退火后，180mm和130mm厚塑料模具扁钢的力学性能如表2所示。
实施例1中制备得到的含氮塑料模具扁钢的化学成分为C:0.39％、Si:0.35％、Mn:0.52％、Cr:13.82％、N:0.07％、Ni:0.21％、P:0.021％、S:0.003％、O:0.002％、H:0.0002％。
表2实施例1中含氮塑料模具扁钢硬度
检验样品 硬度
180mm塑料模具扁钢 255HB
130mm塑料模具扁钢 257HB
实施例2用本发明方法制备含氮塑料模具扁钢
按以下步骤生产含氮塑料模具扁钢：
(1)取废钢(重量比为1Cr13:2Cr13:协议坯＝3:5:2)，置于30t电炉中进行初炼，温度为1640～1650℃，并取成分样(在后面AOD炉内调整成分)。
(2)将完全熔化的原料倒入AOD炉中，炉内气压为1个标准大气压，同时吹入氧气和氮气，气嘴出口压力为2.1MPa，时间为22min；然后，停止氧气吹入，只吹入氮气，时间为16min，并加入硅铁(还原硅铁质量按0.36％计算)108kg，取样并调整成分。
(3)按步骤(2)完成后，继续氮气吹入，并加入54kg铝块，10min后停止氮气吹入，准备出钢。
(4)将钢液倒入LF炉中，加入精炼渣精炼渣(CaO-Al2O3-SiO2基)205kg，在1个标准大气压下，将钢液温度调整至1551℃后开始浇钢。
(5)将LF炉中钢液通过浇注系统浇入钢锭模中，最终得到8支分别重约3.2t的扁锭。
(6)3.2t钢锭脱膜后，装入加热炉，按100℃/h的加热速度加热至720～750℃，保温4h后，再次按100℃/h的速度加热至1228℃，保温4h，出炉。
(7)按表1所示轧制压下量分配进行轧制成扁钢坯，轧辊转速为340转/分，分别得到厚度为180mm(34道次轧制)和130mm(36道次轧制)的塑料模具扁钢。
(8)按步骤(7)实施过程中，在轧制20道次后，回炉，按100℃/h的升温速率加热至1220℃，并保温18h，然后再出炉开始第21道次轧制。
(9)将得到的180mm和130mm厚塑料模具扁钢在300℃以下装入退火炉，按≤100℃/h的加热速度加热至890℃，保温6h，然后随炉冷却至500℃，出炉空冷至室温，探伤、取样检验、锯切、入库。
(10)按步骤(9)退火后，180mm和130mm厚塑料模具扁钢的力学性能如表3所示。
表3实施例2中含氮塑料模具扁钢硬度
检验样品 退火硬度
180mm塑料模具扁钢 256HB
130mm塑料模具扁钢 259HB
实施例2中制备得到的含氮塑料模具扁钢的化学成分为：C:0.40％、Si:0.38％、Mn:0.47％、Cr:13.85％、N:0.065％、Ni:0.19％、P:0.020％、S:0.0028％、O:0.0019％、H:0.0002％。。
由实施例1和实施例2可知，本发明开发了一种全新成分的含氮塑料模具钢，钢成分中N含量为0.06～0.08％，与其余元素配合，共同使得该塑料模具扁钢的退火硬度更大，耐腐蚀性能增强。本发明钢的生产方法操作简单，适宜推广。

Claims (10)

1.含氮塑料模具扁钢，其特征在于，化学成分为：按重量百分比计，C 0.35～0.45％、Si0.3～0.5％、Mn 0.3～0.6％、Cr 13.0～14.0％、N 0.06～0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质；所述的含氮塑料模具扁钢的生产方法，包括以下步骤：
a、冶炼
将冶炼原料在电炉中熔融，熔融温度为1600～1650℃；熔融后转入AOD炉中，向炉内同时吹入氧气和氮气，吹入15～25min后，停止吹入氧气，加入硅铁还原，继续吹入氮气15～25min；再加入铝块，10～15min后停止吹入氮气，出钢；出钢后转入LF炉精炼，在温度1530～1550℃下出炉，将钢液浇注入钢锭模中，得到含氮塑料模具钢扁锭；
b、轧制
将步骤a得到的扁锭加热至720～750℃，保温2～4h后，再次加热至1210～1230℃，保温4～5.5h，出炉轧制；第20道次轧制完成后，将得到的中间坯返回加热炉中进行成分均匀化处理，出炉，继续轧制至厚度80～180mm，空冷至温度≤300℃，进行退火处理，得到含氮塑料模具扁钢。
2.根据权利要求1所述的含氮塑料模具扁钢，其特征在于：所述杂质中Ni≤0.2％，Al≤0.02％，P≤0.022％，S≤0.005％，O≤0.003％，H≤0.0002％。
3.权利要求1或2所述的含氮塑料模具扁钢的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、冶炼
将冶炼原料在电炉中熔融，熔融温度为1600～1650℃；熔融后转入AOD炉中，向炉内同时吹入氧气和氮气，吹入15～25min后，停止吹入氧气，加入硅铁还原，继续吹入氮气15～25min；再加入铝块，10～15min后停止吹入氮气，出钢；出钢后转入LF炉精炼，在温度1530～1550℃下出炉，将钢液浇注入钢锭模中，得到含氮塑料模具钢扁锭；
b、轧制
将步骤a得到的扁锭加热至720～750℃，保温2～4h后，再次加热至1210～1230℃，保温4～5.5h，出炉轧制；第20道次轧制完成后，将得到的中间坯返回加热炉中进行成分均匀化处理，出炉，继续轧制至厚度80～180mm，空冷至温度≤300℃，进行退火处理，得到含氮塑料模具扁钢。
4.根据权利要求3所述的含氮塑料模具扁钢的生产方法，其特征在于：步骤a所述冶炼原料为废钢或高铬铁中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的含氮塑料模具扁钢的生产方法，其特征在于：步骤a所述吹入氧气和氮气的出口压力为2.0～2.5Mpa。
6.根据权利要求3所述的含氮塑料模具扁钢的生产方法，其特征在于：步骤a所述氮气的纯度≥99.9％。
7.根据权利要求3所述的含氮塑料模具扁钢的生产方法，其特征在于：步骤b所述加热速度为50～100℃/h。
8.根据权利要求3所述的含氮塑料模具扁钢的生产方法，其特征在于：步骤b所述轧制时第1～35轧制道次，每道次压下量10～15mm，36道次及以后，每道次压下量为20～25mm，轧制转速为300～350转/分。
9.根据权利要求3所述的含氮塑料模具扁钢的生产方法，其特征在于：步骤b所述成分均匀化处理时升温速度为50～100℃/h，保温温度为1200～1220℃，保温时间为15～20h。
10.根据权利要求3所述的含氮塑料模具扁钢的生产方法，其特征在于：步骤b所述退火处理的具体操作为：先按50～100℃/h的升温速度加热至860～890℃，保温4～6h，然后随炉冷却至温度≤500℃，出炉空冷至室温。
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