CN109402505A

CN109402505A - 一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料及其制备方法

Info

Publication number: CN109402505A
Application number: CN201811254207.6A
Authority: CN
Inventors: 朱经辉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2019-03-01

Abstract

本发明公开了一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料及其制备方法，所述塑胶模具钢材料含有下述重量百分比的成分：C：0.05‑0.08%，Si：0.15‑0.35%，Mn：0.8‑1.6%，Mo：0.25‑0.45%，Ni：3.0‑3.5%，Cu：0.8‑1.2%，Al：0.8‑1.0%，P≤0.005%，S≤0.008%，余量为Fe，所述模具钢材料的金属结构为奥氏体，它具有HRC38‑42的硬度；本发明钢材料具有优良的耐腐蚀性、延展性、韧性及耐磨性，极佳的整体硬化性能、抛光性与雕塑性，同时其生产成本较低，可以生产大型坯料并满足国际质量标准，甚至在抛光性能上远远优于同类进口产品，具有极高的经济效益。

Description

一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及塑胶模具钢材料技术领域，特别是一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料及其制备方法。

背景技术

目前国内模具材料产业面临的主要问题体现在品种结构矛盾突出，虽然模具钢的产量较大，但是品种单一，特别是高端品种很少，而且高端的塑料模具钢几乎无法生产。高端的镜面防酸塑料模具钢，重点使用在防尘灰、电视机滤光板、化妆品盒镜、皱纹加工模具；办公自动化设备、汽车零件放电加工模具；透明产品或要求光洁度极高的透明产品模具等领域，因此，它要求具有具有以下特性：优良的耐腐蚀性、极佳的整体硬化性能、优良的延展性及韧性、优良的耐磨性、极佳的抛光性与雕塑性。目前国内模具材料生产企业使用的镜面防酸塑胶模具钢生产技术，仍为传统冶炼、压力加工、热处理等，没有对该产品的性能深入研究，产品仍处于中低端档次，某些厂家仿制过国外类似产品但没有成功，主要体现在抛光性能和机械性能达不到要求，根本不能满足国内模具制造业的需求，而依靠进口的模具钢材料价格昂贵，而且对模具材料的技术要求不能全面达标。

发明内容

本发明的目的就是针对目前高端镜面防酸塑胶模具钢均是采用国外进口产品，价格高昂，而且对模具材料的要求不能全面达标，而国内厂家目前还无法生产出高端镜面防酸塑胶模具钢材料，而提供一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料及其制备方法。

本发明的一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料，所述模具钢材料含有下述重量百分比的成分：C：0.05-0.08%，Si：0.15-0.35%，Mn：0.8-1.6%，Mo：0.25-0.45%，Ni：3.0-3.5%，Cu：0.8-1.2%，Al：0.8-1.0%，P：≤0.005%，S：≤0.008%，余量为Fe，所述模具钢材料的金属结构为奥氏体，它具有HRC38-42的硬度。

优选地，所述塑胶模具钢材料含有下述重量百分比的成分：C：0.06%，Si：0.22%，Mn：1.0%，Mo：0.35%，Ni：3.2%，Cu：1.0%，Al：1.0%，P：≤0.005%，S：≤0.008%，余量为Fe。

本发明的一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料的制备方法，包括下述步骤：

（1）先将C＜0.1%，Mn＜0.5%的碳钢放入电弧炉内在2800℃以上高温下冶炼成钢水，然后取出钢水进行成分分析，并将钢包转入精炼炉内精炼；

（2）根据步骤（1）中钢水成分分析结果，配好高纯硅粉、锰粉、钼粉、镍板、铜棒或铜片、铝棒的量，通过精炼炉的加料孔将上述原料依次投入精炼炉内，在温度为2200-2800℃高温下充分熔炼，当炉温达到2800℃以上时，高温熔炼45分钟以上，再将钢包转入真空脱气炉真空脱气；

（3）在15-25MPa高压下将钢水真空脱气至氢含量＜10ppm，氧含量＜15ppm；钢水通过真空脱气炉底部浇筑口浇筑成电渣母材，浇筑过程中采用氩气保护；电渣母材自然冷却后进行脱模；

（4）将脱模后的电渣母材装入台式退火炉中进行一次退火，首先以40-50℃/h的速率将炉温缓慢升温至350℃，恒温4h，再以50-60℃/h的速率将炉温升温至620℃，恒温8h，断电，自然降温至300℃，打开炉门，自然空冷；

（5）从退火炉出来的电渣母材先焊接一个连接架，以便连接炼渣炉的升降器，然后使电渣母材依次通过炼渣炉的结晶器重新结晶生成电渣钢锭；

（6）将电渣钢锭装入退火炉进行二次退火，首先以40-50℃/h的速率将炉温缓慢升温至350℃，恒温4h，再以50-60℃/h的速率将炉温升温至680℃，恒温8h，断电，自然降温至300℃，打开炉门，自然空冷得到钢坯；

（7）将钢坯装入锻造炉加热至850-920℃，采用多向锻造和交差锻造镦打工艺，四次回炉焙烧，最终形成无向圆型钢坯再根据需求锻造成大中型钢坯或小型钢坯，在保温坑中加盖保温12h以上至钢坯冷却至40-50℃即可；

（8）将锻造好的钢坯装入退火炉中进行三次退火，首先以50-60℃/h的速率将炉温缓慢升温至350℃，恒温4h，然后根据钢坯规格大小按照下述步骤执行：

A.针对大中型钢坯，以50-60℃/h的速率将炉温升温至880℃，恒温12h，断电，自然降温至420℃，再以50-60℃/h的速率升温至580℃，恒温4h，断电，自然降温至300℃，打开炉门自然空冷，即得；或

B.针对小型钢坯，以50-60℃/h的速率将炉温升温至680℃，恒温8h，断电，自然降温至300℃，打开炉门自然空冷至可操作温度后超声探伤，去除料头后将合格材料重新装炉，缓慢升温至880℃，再将钢坯吊入淬火液中淬火，淬火之后进行空冷，确认硬度，微调回火工艺，重新装炉回火，在560℃下保温3h，再降温至40-50℃，即得。

所述高纯硅粉中Si≥98%；所述锰粉中Mn≥60%；所述钼粉中Mo≥55%；所述镍板中Ni≥60%；所述铜棒或铜片中Cu含量为90-95%；所述铝棒中Al含量为93-95%。

本发明的预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料的成分设计依据如下：

C:0.05-0.08%，C是强力的奥氏体生成元素，因此使金属组织中的马氏体相的比例增加，C可以发挥固溶强化效果，以间隙固溶的形式熔入晶格结构中，从而产生了向其中引入应变，以强化间隙固溶体的作用；此外，C具有提高材料的硬度、强度和耐磨性的作用，但是C又容易与钢中的其他元素结合形成碳化物，含量过高会降低其延展性和耐腐性，因此，本发明将C的重量百分比控制在0.05-0.08%，既可以满足钢材料的硬度、强度和耐磨性的要求，又可以保证材料的延展性和耐腐蚀性；优选的，C的重量百分比为0.06%。

Si：0.15-0.35%，Si为铁素体形成元素，起脱氧剂和改善材料耐腐蚀性的作用，同时也是增加钢的强度的元素，并可以起到较好的脱氧作用，但是过量的Si又会对材料的热加工性和韧性不利，对常温下成型也不利，因此，本发明将Si的重量百分比设计在0.15-0.35%，既可以满足钢材料的强度和耐腐蚀性要求，又可以保证材料的热加工性和韧性；优选地，Si的重量百分比为0.22%。

Mn：0.8-1.6%，Mn是奥氏体形成元素，可以替代Ni形成奥氏体，在将钢熔融和精炼时，Mn被作为脱氧剂，对钢具有很大的强化作用，能提高钢的强度、硬度和耐磨性，但是Mn对高温下的抗氧化性会产生不利的作用，使材料的韧性和耐腐蚀性降低，因此，本发明中将Mn的重量百分比控制在0.8-1.6%，既可以满足钢材料的强度和耐磨性要求，又可以保证材料的韧性和耐腐蚀性；优选地，Mn的重量百分比为1.0%。

Mo：0.25-0.45%，Mo是强烈的铁素体形成元素，有利于提高材料的耐腐蚀性，还可以通过固溶强化提高材料的强度，但是过量的Mo会促进奥氏体不锈钢中金属间相的沉淀，影响合金的力学和加工性能，同时，Mo是高成本元素，因此，本发明中将Mo的重量百分比设计在0.25-0.45%，既可以满足材料的强度和耐腐蚀性要求，又可以节约生产成本；优选地，Mo的重量百分比为0.35%。

Ni：3.0-3.5%，Ni是形成奥氏体和稳定奥氏体的最佳元素，Ni对提高材料的耐腐蚀性能、力学性能和热加工性能均有积极作用，还可以起到改善铁素体不锈钢的塑性和韧性，起到时效强化的作用，本发明中将Ni的重量百分比设计在3.0-3.5%，可以满足材料的强度和耐腐蚀性要求；优选地，Ni的重量百分比为3.2%。

Cu：0.8-1.2%，Cu对于不锈钢的作用与Ni相似，即可以增加不锈钢的耐腐蚀性，同时，加入铜可以提高不锈钢的塑性，显著改善不锈钢的冷成形性，但是过量的铜加入又会降低不锈钢材料的强度，因此，本发明中将Cu的重量百分比设计为0.8-1.2%，既可以满足钢材料的耐腐蚀性和冷成型性，又可以不影响钢材料的强度，提高钢材料的综合性能；优选地，Cu的重量百分比为1.0%。

Al：0.8-1.0%，低碳结构钢中的Al有助于增加钢的硬度和强度，但是过量的Al会影响材料的韧性和加工性能，因此，本发明中将Al的重量百分比设计为0.8-1.0%，既可以满足钢材料的硬度和强度，又可以保证材料的韧性和加工性能；优选地，Al的重量百分比为1.0%。

同时，本发明中严格控制钢材料中的P含量≤0.005%，S含量≤0.008%，并通过真空脱气，保证H（氢含量）＜10ppm和O（氧）含量＜15ppm；以保证钢材料的强度和韧性。

本发明钢材料在制备时，首先严格选择原材料，选用C＜0.1%，Mn＜0.5%的碳钢，可以保证钢材基体材料在第一步电弧炉熔炼时，C和Mn的含量就基本符合要求，同时P和S的含量也达到要求；再根据第一步中钢水的成分分析结果，配好各种原料，在精炼炉中调配钢材料各成分的含量，在冶炼熔池出现后，钢液中的夹杂物就有不同程度的上浮，通过精炼炉本身自带的吹氧助熔设备，利用氧化流的作用，造成熔池局部沸腾，进而有利于夹杂物的碰撞和上浮，同时也对脱磷起到非常好的促进作用，还能很好的捕捉和吸附非金属夹杂物，使钢水成分基本达标，再通过真空脱气，控制好脱气的压力、时间和浇筑温度，并采用氩气保护，进一步控制氢和氧的含量，制得合格的电渣母材，电渣母材依次通过一次退火、重结晶、二次退火得到钢坯，再通过独特的锻造工艺，严格设计开锻温度（850℃）和终锻温度（920℃），利用多向锻造和交差锻造镦打工艺，四次回炉焙烧（当锻造温度低于850℃时，立即回炉焙烧使温度达到可锻造温度），形成无向圆型钢坯再锻造成所需规格形状保温得到钢坯，再将钢坯进行三次退火，对材料进行固溶处理，使材料芯部和外部均匀，达到HRC38-42的硬度，优于国外进口同类产品。并且当前国际市场尚无大型坯料供应，而采用本发明制备方法，可以制备出厚度大于500mm、宽度大于900mm的钢坯，可满足大型模具要求并达到国际质量标准。

采用本发明工艺方法制得的本发明的塑胶模具钢材料具有以下特点：

（1）实施固溶和时效硬化，硬度可达HRC38-42，在原状下到模加工付诸使用，无须热处理；

（2）Ni-Al-Cu系时效硬化钢放电加工后的研磨非常容易，焊接性良好，使用时可保持高精度，表面和中心的硬度均匀；

（3）特殊熔炼，精密研磨性优异，可得到令人满意的光亮度，蚀花加工性良好，放电加工表面细致美观，可取代梨皮蚀花。

本发明塑胶模具钢主要用于以下方面：

（1）高性能、精密塑模具；

（2）橡胶模具；

（3）冲压模具；

（4）产业机器等各种零件；

（5）透明品等重视镜面研磨性者；

（6）重视放电加工表面者。

本发明的预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料，通过20小时盐雾试验检测耐腐蚀性，无明显腐蚀斑点，表面呈雾状，经擦拭后表层无明显腐蚀斑点；在延压过程中，经过多向锻造和多向镦粗、拔长，表现出较为理想的延展性和韧性，没有发现开裂和不耐延伸的情况；且其硬度可以达到HRC38-42的硬度，说明其具有极好的整体硬化性能和耐磨性；其抛光性能极佳，能够加工出高镜面模具，满足Ra1.6μm的工艺要求。

本发明的预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料，具有优良的耐腐蚀性、极佳的整体硬化性能、优良的延展性及韧性、优良的耐磨性、极佳的抛光性与雕塑性、较低的模具维修费、较低的生产成本；重点使用在防尘灰、电视机滤光板、化妆品盒镜、皱纹加工模具；办公室自动化设备、汽车零件放电加工模具；透明产品或要求光洁度极高的透明产品模具等领域；可以生产国际上还没有的大型坯料并满足国际质量标准，甚至在抛光性能上远远优于同类进口产品，具有极高的经济效益。

具体实施方式

实施例1

本实施例的一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料，所述模具钢材料含有下述重量百分比的成分：C：0.06%，Si：0.22%，Mn：1.0%，Mo：0.35%，Ni：3.2%，Cu：1.0%，Al：1.0%，P：≤0.005%，S：≤0.008%，余量为Fe。

本实施例的一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料的制备方法，包括下述步骤：

（7）将钢坯装入锻造炉加热至850-920℃，采用多向锻造和交差锻造镦打工艺，四次回炉焙烧，最终形成无向圆型钢坯再锻造成厚度500mm，宽度900mm的大规格钢坯，在保温坑中加盖保温12h以上至钢坯冷却至40-50℃即可；

（8）将锻造好的钢坯装入退火炉中进行三次退火，首先以50-60℃/h的速率将炉温缓慢升温至350℃，恒温4h，再以50-60℃/h的速率将炉温升温至880℃，恒温12h，断电，自然降温至420℃，再以50-60℃/h的速率升温至580℃，恒温4h，断电，自然降温至300℃，打开炉门自然空冷，即得。

实施例2

本实施例的一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料，所述模具钢材料含有下述重量百分比的成分：C：0.05%，Si：0.35%，Mn：0.8%，Mo：0.25%，Ni：3.5%，Cu：0.8%，Al：1.0%，P：≤0.005%，S：≤0.008%，余量为Fe，所述模具钢材料的金属结构为奥氏体，它具有HRC38-42的硬度。

（7）将钢坯装入锻造炉加热至850-920℃，采用多向锻造和交差锻造镦打工艺，四次回炉焙烧，最终形成无向圆型钢坯再锻造成厚度30mm，宽度200mm的小规格钢坯，在保温坑中加盖保温12h以上至钢坯冷却至40-50℃即可；

（8）将锻造好的钢坯装入退火炉中进行三次退火，首先以50-60℃/h的速率将炉温缓慢升温至350℃，恒温4h，再以50-60℃/h的速率将炉温升温至680℃，恒温8h，断电，自然降温至300℃，打开炉门自然空冷至可操作温度后超声探伤，去除料头后将合格材料重新装炉，缓慢升温至880℃，再将钢坯吊入淬火液中淬火，淬火之后进行空冷，确认硬度，微调回火工艺，重新装炉回火，在560℃下保温3h，再降温至40-50℃，即得。

实施例3

本实施例的一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料，所述模具钢材料含有下述重量百分比的成分：C：0.08%，Si：0.15%，Mn：1.6%，Mo：0.45%，Ni：3.0%，Cu：1.2%，Al：0.8%，P：≤0.005%，S：≤0.008%，余量为Fe，所述模具钢材料的金属结构为奥氏体，它具有HRC38-42的硬度。

本实施例的预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料的制备方法同实施例1，只是制备过程中在步骤（7）中将无向圆型钢坯锻造成厚度200mm，宽度500mm0的中规格钢坯。

实施例4

本实施例的一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料，所述模具钢材料含有下述重量百分比的成分：C：0.07%，Si：0.30%，Mn：1.0%，Mo：0.30%，Ni：3.4%，Cu：0.9%，Al：0.85%，P：≤0.005%，S：≤0.008%，余量为Fe，所述模具钢材料的金属结构为奥氏体，它具有HRC38-42的硬度。

本实施例的预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料的制备方法同实施例2，只是制备过程中在步骤（7）中将无向圆型钢坯锻造成厚度10mm，宽度50mm的小规格钢坯。

实施例5

本实施例的一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料，所述模具钢材料含有下述重量百分比的成分：C：0.065%，Si：0.20%，Mn：1.4%，Mo：0.40%，Ni：3.2%，Cu：1.0%，Al：0.95%，P：≤0.005%，S：≤0.008%，余量为Fe，所述模具钢材料的金属结构为奥氏体，它具有HRC38-42的硬度。

本实施例的预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料的制备方法同实施例1，只是制备过程中在步骤（7）中将无向圆型钢坯锻造成厚度300mm，宽度700mm的大规格钢坯。

实施例6

本实施例的一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料，所述模具钢材料含有下述重量百分比的成分：C：0.06%，Si：0.25%，Mn：1.2%，Mo：0.35%，Ni：3.25%，Cu：1.0%，Al：0.9%，P：≤0.005%，S：≤0.008%，余量为Fe，所述模具钢材料的金属结构为奥氏体，它具有HRC38-42的硬度。

本实施例的预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料的制备方法同实施例2，只是制备过程中在步骤（7）中将无向圆型钢坯锻造成厚度50mm，宽度300mm的小规格钢坯。

上述实施例仅仅是示例性的说明本发明，并不以任何形式限制本发明。任何人在本发明权利要求的原理下对本发明进行成分微调，工艺参数微调或同等替换，均应视为落入本发明权利要求的范围之内。

Claims

1.一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料，其特征在于：所述塑胶模具钢材料含有下述重量百分比的成分：C：0.05-0.08%，Si：0.15-0.35%，Mn：0.8-1.6%，Mo：0.25-0.45%，Ni：3.0-3.5%，Cu：0.8-1.2%，Al：0.8-1.0%，P：≤0.005%，S：≤0.008%，余量为Fe，所述模具钢材料的金属结构为奥氏体，它具有HRC38-42的硬度。

2.根据权利要求1所述的一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料，其特征在于：所述塑胶模具钢材料含有下述重量百分比的成分：C：0.06%，Si：0.22%，Mn：1.0%，Mo：0.35%，Ni：3.2%，Cu：1.0%，Al：1.0%，P：≤0.005%，S：≤0.008%，余量为Fe。

3.如权利要求1或2所述的一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

4.根据权利要求3所述的一种预加硬高镜面防酸塑胶模具钢材料的制备方法，其特征在于：所述高纯硅粉中Si≥98%；所述锰粉中Mn≥60%；所述钼粉中Mo≥55%；所述镍板中Ni≥60%；所述铜棒或铜片中Cu含量为90-95%；所述铝棒中Al含量为93-95%。